The scaling laws of cabin structures subjected to internal blast loading: Experimental and numerical studies

Review of the damage and protection of warship structures under internal blast loading

“…[45][46][47] 进行了综述，本文不再赘述。近些年爆炸荷载作用下不同形状的板架的 动态响应也得到了广泛的研究，如圆形板 [48] 、方形板 [49][50][51] 、加筋板 [52,53] 等。无量纲数是预测 板架在冲击波作用下的结构响应的重要理论方法，Zhao [54] 在分析理想刚塑性梁和板在冲击 作用下的动态响应问题时提出了一个无量纲数 Rn，该无量纲数中同时考虑了惯性效应、材 料抵抗变形的能力以及结构的几何效应， 已被广泛地用于预测强动载荷作用下结构的动态响 应和失效。Yao 等 [55][56][57] 分析了内爆作用下舱室的变形，提出了一个无量纲数用于预测箱体结 构在舱内爆炸作用下的动态响应，并给出了舱内爆炸板的典型变形模式。 图 3 内爆舱壁变形模式 [55] . Figure 3 Damage figure for different failure modes [55] 类似于其他工程研究领域， 关于板架在冲击波载荷作用下的动态响应最可靠的研究方法 试验方法。在理论上，为了研究爆炸荷载作用下结构的真实响应，有必要进行实尺度的爆炸 试验。然而，由于安全限制和较高的试验成本，开展实尺度模型试验难度较大。为了得到实 尺度原型的物理现象，缩小模型实验具有操作简单、重复性高的优点，是非常理想的选择。 Snyman [58] 通过各种爆炸载荷试验，研究了钢板的几何相似标度，利用钢板中点挠度估算值 与几何标度因子进行比较，指出了材料特性对中点挠度"相似"的重要性。Zhao 等 [48] 通过对 两个按比例缩小的试件在按比例爆炸装药作用下的变形定标试验， 对圆形板的变形定标进行 了分析，结果表明，在整个测量过程中，对结构进行适当定标的结果是一致的。Yao 等 [59] 等 通过试验和数值计算， 研究了三组不同尺度的几何相似的钢箱形结构在内爆荷载作用下的变 形规律，并给出了挠度修正公式。Kong 等 [60] 提出了一种修正爆炸荷载作用下加筋板原型与 缩比模型的相似方法，可使用缩比模型试验预测爆炸荷载作用下全尺度结构动力响应。Ren 等 [61] 研究了缩比舱室结构在舱内爆炸载荷作用下的动态响应，讨论了不同尺度的模型挠厚 比不一致的原因，并提出了考虑尺寸和应变率影响的修正公式。 2.2 高速破片作用下的结构响应 关于破片侵彻与穿甲的研究已取得较多研究成果，形成了较为完善的理论体系。文献 [62,63] 系统总结了国内外侵彻与穿甲问题的研究成果， 但这些工作大多是对普通弹丸的侵彻行为 进行研究，战斗部内爆产生的破片数量多，速度快，破片之间的耦合作用造成的毁伤比单个 破片造成的毁伤更加严重，破片群造成的穿孔会相互贯穿，形成更大的破口。Qian 等 [64] 设 计了一种基于定向驱动原理的密集破片发生器，随后采用理论方法，对比了密集破片群耦合 毁伤效应与单一破片叠加毁伤效应之间的差异 [65] 。同时，基于靶板在单个破片的破坏模式给 出了靶板在破片群作用下的裂纹扩展-剪切损伤模型，并提出了密集破片群耦合毁伤效应出 现的两种临界条件。此外，为了验证理论方法的正确性以及探索靶板的主要毁伤模式，Qian 等 [66,67] 还开展了数值仿真研究，结果表明，破片群密度和打击时间间隔对目标靶的损伤模式 有显著影响，且破片群密度对靶板毁伤模式的影响程度高于打击时间间隔。李典等 [68] 给出了 一种密集破片侵彻能力估算方法， 解决了现有弹丸穿甲效果模拟方法中破片群侵彻防护结构 时缺乏计算方法的问题。 2.3 冲击波与破片耦合作用下的结构响应 冲击波和破片是战斗部舱内爆炸产生的两个重要毁伤元， 其对舰船结构的耦合毁伤效应 与两者单独作用时的毁伤效应有显著差别，也不是二者毁伤效应的简单叠加，而是存在特殊 的破坏机理和作用规律 [4] ，二者对结构的耦合毁伤效应远大于单独毁伤效应的简单叠加 [38] 。 舰船结构的基本组成元素是金属薄板，由于金属板架厚度较小，高速破片很容易穿透， 而破片的速度下降并不显著。破片的作用会造成靶板的密集穿孔，降低了靶板的损伤容限， 这些密集穿孔会在冲击波载荷作用下出现应力集中，从而成为裂纹扩展的源头。朱锡等近年 来开展了不少舰船舱室结构在冲击波和破片耦合作用下响应方面的研究， 给出了一种模拟战 斗部冲击波和破片耦合作用的等效试验方法 [69] 和耦合作用判据…”