大型水面艦船舷側復合多層防護結構研究.pdf

1、海軍是維護國家海權，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，尤其是反艦導彈的快速發(fā)展，大型水面艦船由于目標大，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構系統，是維護生命安全的最后一道防線。一個優(yōu)良的防護結構，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。
　　 復合多層防護結構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，舷側均普遍采用復合多層防護結構。在二戰(zhàn)時期，復合多層防護結構主要設置于水線以下，防護水雷、魚雷的攻擊；當前，由于反艦導彈對大型水面艦船的威脅劇增，復合多層防護結構設置范圍增加，如美國的“尼米茲”級航母的后續(xù)艦，復合多層防護結構防御范圍增至機庫甲板。復合多層防護結構通常由外板、空艙、液艙以及防御縱壁構成，層數有三層、四層、五層等。然而，如何設置復合多

3、層結構層數、每一層的防護功能、防護結構的較優(yōu)設計、防護效果等在國內研究較少，也無法得到國外的相關資料。
　　 本文采用理論分析和數值仿真的方法，對大型水面艦船舷側的復合多層防護結構的機理、不同結構形式的防御效果進行研究，這對指導復合多層防護結構設計、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。研究的具體內容如下：
　　 （1）研究導彈穿透靶板的機理。通過數值計算方法，實現了截錐形彈體正、斜穿甲薄板的數值模擬，計算

4、結果與相關的實驗研究結果吻合較好；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）研究艦舷板架結構抵抗反艦導彈穿甲性能。確定了數值仿真所用的艦用945鋼J-C強度模型參數；實現飛魚反艦導彈穿甲艦舷板架的數值仿真過程。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，研究結果表明：加筋可有效降低反艦導彈穿甲的剩余速度。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。對研究結果的比較分析，提出了舷側外板抗穿甲的設計思想為：第一，在反艦導彈掠海攻擊高度設置一道舷側縱桁，增大導彈撞擊強構件的概率。第二，在艦船舷側空間允許的情況下，增大外板與內部結構的距離，當彈頭撞擊外板觸發(fā)引信，

6、可使導彈戰(zhàn)斗部盡可能停留在舷側空艙內爆炸。第三，盡可能設置傾斜舷側外板，或者在水線附近設置傾斜甲板。
　　 （3）整理歸納了自由大氣爆炸沖擊波參數計算公式，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值模擬，確定了相對計算精度較高的數值仿真方法。
　　 （4）在假設板架在沖擊載荷作用下板和加筋具有相同撓度的條件下，推導了矩形

7、板架在沖擊波作用下與時間相關的位移表達式。運用Autodyn模擬了板架在空爆載荷下的響應，討論了自接觸對仿真結果的影響。分析了加筋位于迎爆面和背爆面時板架的變形，提出艦船復合多層防護結構的縱向艙壁上的加筋方向盡量指向艦心的設計思想。
　　 （5）運用Dytran中的一般耦合算法對舷側復合多層防護結構內爆炸進行了數值仿真。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，設計了三種加強角隅結構，并對緩解角隅壓力峰值和減小結構應力的效果進行了比較，確定斜板結構為相對合理的角隅加強結構型式。
　　 （6）應用Autoddyn實現了艦舷功能液艙在內爆炸作用下響應的數值仿真，解決了液體的狀態(tài)方程及模型的邊界條件等關鍵技術。用數值仿真技術展現了液體的空穴效應，內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、外板角隅進行加強設計，有效緩解了角隅撕裂的發(fā)