CN104568613B - 一种基于等效缩比模型的舰船舱室内***结构毁伤评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于等效缩比模型的舰船舱室内***结构毁伤评价方法，包括如下步骤：采用压力传感器获取等效装药在缩比舱室内***的冲击波压力曲线和准静态压力曲线，然后对试验数据进行处理，得到压力峰值和相应的压力冲量；根据舱壁所受压力的持续作用时间和舱室的自振周期，确定等效舱室内***的毁伤准则；划分毁伤等级，确立等效舱室的结构毁伤阈值，并以此为基础评价实船舱室结构的毁伤效果。本发明以一种舰船舱室内***效应缩比等效模型为试验载体，提出一种基于等效缩比模型的舰船舱室内***结构毁伤评价方法，有助于降低试验成本，缩短研究周期，有效支撑反舰武器的发展和应用。

Description

一种基于等效缩比模型的舰船舱室内***结构毁伤评价方法

技术领域

本发明属毁伤评估技术领域，主要涉及一种毁伤评价方法，特别是一种基于等效缩比模型的舰船舱室内***结构毁伤效应评价方法。

背景技术

毁伤评估是综合考虑战役战术目的、战场环境、火力、目标性质等因素，综合分析与评定武器弹药对目标实际毁伤效果的过程。反舰导弹是攻击海上舰艇目标的重要武器，以反舰导弹战斗部为例，毁伤评估技术在其研制和服役阶段的各个环节，均具有重要的作用和意义。在反舰战斗部的研制(论证、方案、工程研制和定型)阶段，毁伤评估技术有助于形成合理指标体系、形成设计方案、修正设计、表征威力属性；在反舰战斗部的服役(勤务、训练和作战等)阶段，毁伤评估技术可以建立弹药毁伤数据库、提供火力配置依据等。因此，研究反舰战斗部对舰船目标毁伤效果的评价方法，有助于发展毁伤评估技术，推动武器弹药的发展和应用。

研究反舰战斗部对舰船目标毁伤评估主要通过以下四种手段实现：实船试验、等效船舱试验、工程评估计算模型和数值仿真。其中，实船试验和等效试验是舰船目标毁伤评估的基础，为数值仿真和工程评估计算模型提供基础数据和设计修正。工程评估模型是基于大量毁伤数据建立的相对简单的评估模型，完善的评估模型能够实现快速、精确、低成本的毁伤评估，但其精确性需要大量试验数据的积累，而现在比较缺乏这方面数据的积累。实船打靶方法能够获得准确、可靠的毁伤结果，但周期长、成本高、耗资大，在科研经费比较充裕情况下可以采用。数值仿真手段在舰船内***中的应用受制于两个条件，一是***场计算需要的网格密度大，单元总数多，计算时长大，计算成本很高；二是内***场存在气体和固体的多重耦合作用，现有的算法无法模拟这种情况，精确度无法保证。等效船舱试验是通过舰船舱室的等效靶标，开展反舰战斗部***试验，以设计等效靶标的毁伤效果评价反舰战斗部对实船的毁伤效果，研究成本较低，精确度较好。

现有技术的不足和缺陷为：(1)冲击载荷和舱室结构的动力响应较难获取，不能为舰船舱室结构毁伤评价提供详细参量；(2)舰船舱室内***毁伤评价方法周期长、研究成本高、耗资大。

发明内容

本发明的目的，是以舰船舱室等效缩比模型(见图1)为试验载体，提供一种通过缩比模型评价实船舱室结构内***毁伤的方法。在等效缩比舱室内测量舱壁的冲击波压力和准静态压力，分析处理测试数据，判断毁伤准则，划定毁伤标准，确定毁伤阈值，评价反舰战斗部对舰船舱室结构的毁伤效果。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术解决方案：

一种基于等效缩比模型的舰船舱室内***结构毁伤效应评价方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：内***冲击波作用和准静态压力获取

舰船舱室内***结构毁伤评价试验装置为舰船等效缩比舱室，在舱室舱壁、前舱壁、下甲板的中心区域布设压电型压力传感器，在左下角和右上角角隅布设压阻型压力传感器。将装药悬挂到等效舱室的几何中心；测量在内***时的冲击波压力曲线和准静态压力曲线，从冲击波压力曲线和准静态压力曲线获取各点峰值、冲量和持续作用时间；记录等效舱室的响应。

对获取的准静态压力数据，除以压力传感器灵敏度，得到准静态压力峰值(单位为MPa)和在一定时间长度内的冲量。

对从冲击波压力传感器获取的电压信号，除以压力传感器灵敏度，得到各个测点的冲击波压力曲线，读取曲线上多峰的峰值(单位为MPa)和持续作用时间，并以冲击波上升前沿为起始点，对冲击波压力进行积分，得到冲量对积分时间的变化曲线。

步骤二：结构毁伤准则类别

结构受到瞬时压力载荷作用时，产生变形取决于载荷大小及持续作用时间，结构的质量分布及刚度特性。结构对冲击波载荷的响应特性，可以通过一维线弹性***的运动分析得到。一维线弹性***可以用图2所示的质量-弹簧***来表示。对质量-弹簧***施加准静态力和脉冲载荷，推导其响应的计算公式。

***质量为m，自振频率为ω，相应的自振周期为T，由刚度为k的弹簧连接到固定支点。典型的***冲击波脉冲信号，可以由单位力p_m、持续作用时间t、衰减系数θ和冲量I确定。其运动方程为

施加脉冲载荷，***产生的位移可以写为：

x_m＝p_m/ω²·f (2)

其中，

如果线弹性***受到的外力为静态力p_s，则位移为：

x_s＝p_s/ω² (4)

取最大动态位移除以静态位移，则有

产生相同位移时，需要的脉冲压力峰值和静态压力之比为

p_m/p_s＝f^-1. (6)

类似的，弹性***外加一个脉冲载荷，最大静态位移可写为：

x_m＝I₀/ω. (7)

用静态力表示相应压力为：

p_s＝I₀ω. (8)

对于任何外加的脉冲压力，冲量可以写为：

I＝p_mq. (9)

q＝∫θ(t)dt. (10)

产生相同位移时，需要的脉冲冲量和静态压力冲量之比为

I/I₀＝p_m/p_s·ω·∫θ(t)dt. (11)

这个关系式可以说明压力脉冲造成的动态结构响应的情况，而结构整体响应是由不同类型的瞬态压力脉冲形成的位移。将具有上升前沿的脉冲载荷带入上述计算式，可得：

(1)当t<T/5时，I/I₀趋近于1，结构响应取决于冲量，对冲量固定时峰值的变化不敏感；

(2)当t>2T时，对于有上升前沿的脉冲作用，p_m/p_s趋近于1，结构响应取决于峰值压力，结构响应对冲量不敏感；换成无上升前沿的冲击波，t要大于6T时，p_m/p_s趋近于1。

(3)当持续作用时间t处于上述两种情况的中间状态时，结构响应取决于冲量与峰值超压。

步骤三：通过数值计算或激光测振仪获取舱室整体结构和舱壁的自振周期T，将之与步骤一得到的持续作用时间对比，根据步骤二，确定模拟舱室结构毁伤准则归属类别。

步骤四：舱室结构毁伤等级

根据横隔壁的变形、破裂情况，确定舰船抗沉性指标，具体为：一舱进水、二舱进水、三舱进水、四舱进水；依据结构响应判定舰船目标的毁伤等级，具体为：轻度、中度、重度、沉没；一舱进水为轻度毁伤，二舱进水为中度毁伤，三舱进水为重度毁伤，四舱进水为沉没。

步骤五：结构毁伤阈值确定

在冲量准则下，板架结构破坏的******临界载荷计算公式为：

I_cr≥σ_bh_e/v_p, (12)

其中：I_cr为冲击波冲量，σ_b为板架极限强度，c_p为板架中的声速，h_e为板架等效厚度，L为板架长度，B为宽度，板厚为δ，其上有纵向骨架n根，骨架断面积为F_i，横向骨架m根，骨架断面积为F_j；

根据步骤一所得内***下模拟舱室的冲量数据，采用上述板架结构破坏的******临界载荷计算公式(12)计算得到模型舱室舱壁的临界毁伤阈值I_cr，并将二者进行对比，判定各壁板的毁伤效果，确定等效舱室在相应毁伤等级下的毁伤阈值；

步骤六：舰船舱室结构毁伤评价方法

基于等效缩比舰船舱室模型的缩比比例，将反舰战斗部的装药成比例缩小，根据步骤三，确定毁伤准则归属；根据等效装药的***作用和等效舱室结构毁伤阈值，确定毁伤等级，该毁伤等级即为反舰战斗部对实船舱室作用时达到的毁伤等级。

本发明的有益效果体现在以下几个方面：

(1)以舱室内***效应缩比等效模型为试验载体，模拟反舰弹药实际使用的密闭舱室环境，得到内***作用下舱室结构受到的冲击载荷和结构的动力响应，能够为舰船舱室结构毁伤评价提供详细参量。

(2)本发明提出的舰船舱室内***毁伤评价方法，和舰船舱室内***效应缩比等效试验模型匹配，能够实现对舰船目标毁伤效应的评价，和实船***相比，研究成本低、周期短、性价比高。

附图说明

图1是一种舰船舱室毁伤效应研究的缩比等效试验模型；

图2是一维质量-弹簧***结构原理；

图3是壁板冲击波载荷曲线；

图4是角隅处压力曲线；

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。

如图1所示，本发明的优选实施例包括舱体1、压力测量安装座2、压力测量组件3、振动测量安装座4、加速度计5、支撑柱6、装药孔7、定位块8。舱体1是由上甲板1-1、下甲板1-2、右横隔壁1-3、左横隔壁1-4、侧舷1-5、后隔壁1-6构成的有飞檐的长方体(参见图1)密封舱体。舱体1的尺度与原型的比例为1:6(通过量纲分析，此比例舱室毁伤效果等效)。原型壁板上加强筋按照体积等效方法换算为壁板的厚度，与原壁板厚度相加得到舱壁板的等效厚度。

本发明的参量获取方法：将装有压力传感器1-3的压力测量组件3安装到压力测量安装座2上，其中在角隅处安装准静态压阻式压力传感器，其它部位安装压电式压力传感器。将试验***通过装药孔7悬挂到舱体1的几何中心。确认安全后，打开测试***电源，起爆试验装药。

申请人采用本发明进行了100gTNT***的内***试验，图3为前舱壁中部传感器测得的冲击波压力，图4为角隅处压力传感器测得的压力。从图中可以发现，100g装药内爆时，中部和角隅处产生压力的持续作用时间分别为0.2ms和0.4ms。对于该缩比舱室模型，舱室结构的固有频率为218Hz，自振周期为T＝5ms。而各处壁板所受载荷的持续作用时间均小于T/4＝1.25ms，因此缩比舱室结构对冲击波载荷的冲量敏感，对压力峰值不敏感，符合冲量准则。

根据等效缩比舱室的结构，采用板架结构的冲量破坏公式，可以得到各个舱壁的冲量毁伤阈值，前舱壁为633Pas,上下舱壁为633Pas,左右舱壁为480Pas。专利发明申请人对该缩比等效模型进行了30g、50g、80g、100g、150g和180g六种药量的内***试验。150gTNT内***时，上下舱壁的最大冲量575Pas，前舱壁为524Pas，左右舱壁为475Pas，均小于毁伤阈值，舱壁不发生破坏；180gTNT内***时，上下舱壁的最大冲量742Pas，前舱壁为724Pas，左右舱壁为1071Pas，均大于毁伤阈值，舱壁发生破坏，这种情况和试验状况相符，说明这种评定方法是合理有效的。即180gTNT在缩比等效舱室内***时，壁板会产生裂口，造成破坏，此时两个横隔壁都会破裂，这可以代表三舱进水，属于重度毁伤。

以某65kgTNT装药对实船舱室结构的毁伤评价作为对比实例。实船舱室的自振频率为32Hz，自振周期为31.2ms。65kgTNT产生冲击波的持续作用时间为3ms左右，是模型结构自振周期的1/10，因此舱室结构的毁伤在这种情况下符合冲量准则，和缩比舱室结构的毁伤准则相同。依照缩比原则，65kgTNT与等效舱室中的301gTNT等效，该工况下缩比舱室结构会产生重度毁伤，根据该评价方法，65kgTNT对实船舱室结构会造成重度毁伤。该评价方法得到的毁伤结果与1:1实船舱室试验结果相符，说明了该评定方法的有效性。

Claims (1)

1.一种基于等效缩比模型的舰船舱室内***结构毁伤评价方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一：内***冲击波作用和准静态压力获取

舰船等效缩比舱室，在舱室左舱壁、前舱壁、下甲板的中心区域布设压电型压力传感器，在左下角和右上角角隅布设压阻型压力传感器；测量在内***时的冲击波压力曲线和准静态压力曲线，从冲击波压力曲线和准静态压力曲线获取各点峰值、冲量和持续作用时间；记录等效舱室的响应；

步骤二：结构毁伤准则类别

确定结构毁伤准则的判别依据：(1)当t<T/5时(t为持续作用作用时间，T为自振周期)，结构响应取决于冲量，对冲量固定时峰值的变化不敏感；(2)当t>2T时，对于有上升前沿的脉冲作用，结构响应取决于峰值压力，结构响应对冲量不敏感；(3)当持续作用时间t处于上述两种情况的中间状态时，结构响应取决于冲量与峰值超压；

步骤三：依据舱室结构的自振周期T和步骤一得到的持续作用时间t，根据步骤二，确定模拟舱室结构毁伤准则归属类别；

步骤四：舱室结构毁伤等级

根据横隔壁的变形、破裂情况，确定舰船抗沉性指标，具体为：一舱进水、二舱进水、三舱进水、四舱进水；依据结构响应判定舰船目标的毁伤等级，具体为：轻度、中度、重度、沉没；一舱进水为轻度毁伤，二舱进水为中度毁伤，三舱进水为重度毁伤，四舱进水为沉没。

步骤五：结构毁伤阈值确定

在冲量准则下，板架结构破坏的******临界载荷计算公式为：

I_cr≥σ_bh_e/c_p, (1)

其中：I_cr为冲击波冲量，σ_b为板架极限强度，c_p为板架中的声速，h_e为板架等效厚度，L为板架长度，B为宽度，板厚为δ，其上有纵向骨架n根，骨架断面积为F_i，横向骨架m根，骨架断面积为F_j；

根据步骤一所得内***下模拟舱室的冲量数据，采用上述板架结构破坏的******临界载荷计算公式(1)计算得到模型舱室舱壁的临界毁伤阈值I_cr，并将二者进行对比，判定各壁板的毁伤效果，确定等效舱室在相应毁伤等级下的毁伤阈值；

步骤六：舰船舱室结构毁伤评价方法

基于等效缩比舰船舱室模型的缩比比例，将反舰战斗部的装药成比例缩小，根据步骤三，确定毁伤准则归属；根据等效装药的***作用和等效舱室结构毁伤阈值，确定毁伤等级，该毁伤等级即为反舰战斗部对实船舱室作用时达到的毁伤等级。