大型水面艦船舷側(cè)復(fù)合多層防護結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、海軍是維護國家海權(quán)，保護海上活動安全的中堅力量。在歷次海戰(zhàn)中，大型水面艦船起著舉足輕重的作用。如今，隨著反艦武器，尤其是反艦導(dǎo)彈的快速發(fā)展，大型水面艦船由于目標(biāo)大，航行速度有限，戰(zhàn)斗力強，易于受到敵方攻擊。大型水面艦船自身的具有防護功能的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，是維護生命安全的最后一道防線。一個優(yōu)良的防護結(jié)構(gòu)，可將敵方費盡周折僥幸突防成功的反艦武器“消化吸收”，從而保持大型水面艦船的戰(zhàn)斗力和生命力。
　　 復(fù)合多層防護結(jié)構(gòu)利用艦體較大縱深的特

2、點，采用“以柔克剛”的方式，“消化”反艦武器的攻擊。在國外各海軍強國建造的大型水面艦船中，舷側(cè)均普遍采用復(fù)合多層防護結(jié)構(gòu)。在二戰(zhàn)時期，復(fù)合多層防護結(jié)構(gòu)主要設(shè)置于水線以下，防護水雷、魚雷的攻擊；當(dāng)前，由于反艦導(dǎo)彈對大型水面艦船的威脅劇增，復(fù)合多層防護結(jié)構(gòu)設(shè)置范圍增加，如美國的“尼米茲”級航母的后續(xù)艦，復(fù)合多層防護結(jié)構(gòu)防御范圍增至機庫甲板。復(fù)合多層防護結(jié)構(gòu)通常由外板、空艙、液艙以及防御縱壁構(gòu)成，層數(shù)有三層、四層、五層等。然而，如何設(shè)置復(fù)合多

3、層結(jié)構(gòu)層數(shù)、每一層的防護功能、防護結(jié)構(gòu)的較優(yōu)設(shè)計、防護效果等在國內(nèi)研究較少，也無法得到國外的相關(guān)資料。
　　 本文采用理論分析和數(shù)值仿真的方法，對大型水面艦船舷側(cè)的復(fù)合多層防護結(jié)構(gòu)的機理、不同結(jié)構(gòu)形式的防御效果進行研究，這對指導(dǎo)復(fù)合多層防護結(jié)構(gòu)設(shè)計、提高我國大型水面艦船的生命力和戰(zhàn)斗力具有重要的意義。研究的具體內(nèi)容如下：
　　 （1）研究導(dǎo)彈穿透靶板的機理。通過數(shù)值計算方法，實現(xiàn)了截錐形彈體正、斜穿甲薄板的數(shù)值模擬，計算

4、結(jié)果與相關(guān)的實驗研究結(jié)果吻合較好；分析了錐形彈正穿甲靶板孔體成形為花瓣的機理，穿透靶板消耗能量后彈體的運動特性；研究修訂了Zaid和Paul提出的錐形彈斜擊薄板三種破壞類型的區(qū)分界線；運用理論分析方法，推導(dǎo)了錐形彈體低斜角和高斜角穿甲薄板的剩余速度公式。
　　 （2）研究艦舷板架結(jié)構(gòu)抵抗反艦導(dǎo)彈穿甲性能。確定了數(shù)值仿真所用的艦用945鋼J-C強度模型參數(shù)；實現(xiàn)飛魚反艦導(dǎo)彈穿甲艦舷板架的數(shù)值仿真過程。對比研究了6個典型著彈點的正穿

5、甲特性和加筋處的斜穿甲特性，研究結(jié)果表明：加筋可有效降低反艦導(dǎo)彈穿甲的剩余速度。增加板厚對降低彈頭穿甲后剩余速度收效甚微；對降低彈翼穿甲后的剩余速度效果顯著。舷側(cè)型深方向的斜穿甲，彈頭和彈翼穿甲剩余速度均隨著入射角的增加而減小。對研究結(jié)果的比較分析，提出了舷側(cè)外板抗穿甲的設(shè)計思想為：第一，在反艦導(dǎo)彈掠海攻擊高度設(shè)置一道舷側(cè)縱桁，增大導(dǎo)彈撞擊強構(gòu)件的概率。第二，在艦船舷側(cè)空間允許的情況下，增大外板與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的距離，當(dāng)彈頭撞擊外板觸發(fā)引信，

6、可使導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部盡可能停留在舷側(cè)空艙內(nèi)爆炸。第三，盡可能設(shè)置傾斜舷側(cè)外板，或者在水線附近設(shè)置傾斜甲板。
　　 （3）整理歸納了自由大氣爆炸沖擊波參數(shù)計算公式，并對這些公式進行了比較和分析。優(yōu)選了計算爆炸沖擊波參數(shù)的最合適的公式。對比了Dytran和Autodyn中不同求解方法對空中爆炸沖擊波傳播的數(shù)值模擬，確定了相對計算精度較高的數(shù)值仿真方法。
　　 （4）在假設(shè)板架在沖擊載荷作用下板和加筋具有相同撓度的條件下，推導(dǎo)了矩形

7、板架在沖擊波作用下與時間相關(guān)的位移表達(dá)式。運用Autodyn模擬了板架在空爆載荷下的響應(yīng)，討論了自接觸對仿真結(jié)果的影響。分析了加筋位于迎爆面和背爆面時板架的變形，提出艦船復(fù)合多層防護結(jié)構(gòu)的縱向艙壁上的加筋方向盡量指向艦心的設(shè)計思想。
　　 （5）運用Dytran中的一般耦合算法對舷側(cè)復(fù)合多層防護結(jié)構(gòu)內(nèi)爆炸進行了數(shù)值仿真。對比了有瀉爆孔和沒有瀉爆孔的橫艙壁角隅壓力峰值，證明了橫艙壁瀉爆孔對減小角隅壓力匯聚效果顯著。為了減小橫艙壁角

8、隅整體撕裂破壞的發(fā)生，設(shè)計了三種加強角隅結(jié)構(gòu)，并對緩解角隅壓力峰值和減小結(jié)構(gòu)應(yīng)力的效果進行了比較，確定斜板結(jié)構(gòu)為相對合理的角隅加強結(jié)構(gòu)型式。
　　 （6）應(yīng)用Autoddyn實現(xiàn)了艦舷功能液艙在內(nèi)爆炸作用下響應(yīng)的數(shù)值仿真，解決了液體的狀態(tài)方程及模型的邊界條件等關(guān)鍵技術(shù)。用數(shù)值仿真技術(shù)展現(xiàn)了液體的空穴效應(yīng)，內(nèi)板的變形影響著空穴的大小變化。研究表明液艙中裝滿液體對抵御爆炸沖擊波有利。對內(nèi)、外板角隅進行加強設(shè)計，有效緩解了角隅撕裂的發(fā)