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
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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
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pm、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:
xm=pm/ω2·f (2)
其中,
如果线弹性***受到的外力为静态力ps,则位移为:
xs=ps/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
pm/ps=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:
xm=I0/ω. (7)
用静态力表示相应压力为:
ps=I0ω. (8)
对于任何外加的脉冲压力,冲量可以写为:
I=pmq. (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=pm/ps·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,pm/ps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,pm/ps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:
Icr≥σbhe/vp, (12)
其中:Icr为冲击波冲量,σb为板架极限强度,cp为板架中的声速,he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Fi,横向骨架m根,骨架断面积为Fj;
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Icr,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:
Icr≥σbhe/cp, (1)
其中:Icr为冲击波冲量,σb为板架极限强度,cp为板架中的声速,he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Fi,横向骨架m根,骨架断面积为Fj;
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步骤六:舰船舱室结构毁伤评价方法
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