空中核爆冲击下某舰载箱体结构响应分析

【摘要】本文针对空中核爆冲击波对某舰载箱体结构的毁伤效应展开研究，基于核爆冲击波传播理论及等效静载法，建立了箱体结构的动力学响应分析模型。通过理论推导明确了冲击波超压、动压及反射超压的计算方法。采用有限元仿真技术，分析了核爆冲击下箱体结构的应力分布与变形特征。结果表明：箱体最大等效应力为66.9 MPa，集中于底部安装支脚处，安全裕度达5.1倍；结构变形量峰值1.45 mm，呈梯度平滑分布，刚度设计合理。研究验证了等效静载法在核爆冲击分析中的适用性，为舰载设备抗核爆防护设计提供了理论支撑。

【关键词】核爆冲击波；舰载箱体结构；等效静载法；有限元分析；安全半径

1 引言

核武器爆炸产生的冲击波因其超压峰值高、作用时间短的特点，对舰船结构及设备具有显著破坏效应。据统计，核爆冲击波造成的舰船设备损毁占比超过60%，其瞬间载荷特性对结构动力响应分析提出严峻挑战。

近年来，国内外学者针对核爆冲击波的传播规律及结构响应开展了系列研究。国外方面，美国海军实验室通过缩比试验验证了冲击波反射超压对舰载设备的累积损伤效应[1]；俄罗斯学者提出基于能量等效的冲击波载荷简化模型，在潜艇抗爆设计中取得应用[2]。国内研究则集中于舰船甲板结构的抗爆优化，如杨光[3]等人采用正交试验法分析结构参数对抗核爆性能的影响。结果发现复合材料板架相比钢制板架在减重和吸能方面表现更好，但加速度峰值较高。王喆[4]等人分析了核爆冲击波对舰船上层建筑的动态响应，发现迎爆面变形较大，但整体结构未严重毁伤。但针对舰载箱体这类多腔复合结构的专项研究仍显不足。

现有研究存在两方面局限：其一，核爆冲击波与大型箱体结构的动态耦合机制尚未明确，传统静力学方法难以反映瞬态冲击效应；其二，国内外规范虽规定了核爆环境参数，但缺乏针对复杂几何特征结构的量化评估方法。

本文以某舰载箱体结构为对象，融合核爆冲击波理论、等效模型与有限元仿真技术，系统研究其在冲击载荷下的动态响应规律。通过建立包含几何非线性的数值模型，揭示应力集中与变形协调机制，提出基于安全半径的防护设计准则，为提升舰载设备核爆环境适应性提供技术参考。

2 数值建模方法

2.1 基本原理与假设

a）空中核爆会产生冲击波、光辐射、核辐射等多种杀伤破坏因素，由于在评估核爆对大型结构或设备的瞬间冲击破坏作用时，冲击波的作用最为直接和明显，是造成设备物理损坏的主要因素，故后续计算中主要考虑冲击波的作用；

b）假设某舰载箱体结构为准刚性结构，且周围为均匀介质；

c）核爆产生的冲击波以球面波形式传播，不考虑反射、绕射等复杂情况。

2.2核爆冲击校核理论

核爆冲击波阵面是一个强间断面。通过这个间断面，压力突然升高。冲击波阵面到达未扰动空气某一固定点时，该点上空气的压强在瞬间，即有大气压增高到最大值。此外，它以大于介质中声速的速度传播。波阵面上的最大压力称为超压。在超压后，存在一个负超压，其量值比超压小得多。当冲击波作用于结构时，结构除受到超压作用外，还受到因空气运动的阻压，即动压。在数值上动压值比超压值要小得多。而实际加载到结构物迎爆面上的应为冲击波入射到物体且由表面反射而瞬息引起的压力，称为反射超压。从毁伤角度讲，冲击波对舰船结构及设备的毁伤，主要由超压的挤压和动压的冲击联合作用造成。根据相关设计要求可知：

2.3几何模型

建立某舰载箱体结构模型，最大外廓尺寸为5569mm×3229mm×1888mm，外部为隐身结构设计，内部设置3道纵向以及1道横向加强筋板，整体为多腔结构，结构示意图如图1所示。材料选择为铸造铝合金材料，屈服强度=343 MPa，材料的安全系数取1.4，则许用应力=254 MPa。

3 仿真计算及分析

3.1 计算加载数据

正压作用时间和光冲量按比高h = 120、爆炸当量W=32 kt确定，其值根据规范可得正压作用时间=1.19s。根据上述公式可以计算出核爆冲击波超压峰值=70 kPa，动压峰值=15.77 kPa。也即某舰载箱体结构在核爆环境下需能承受超压峰值70 kPa、正压作用时间1.19 s、光冲量418 J/cm2的冲击波。采用三角波来作为核爆冲击波的考核输入，载荷曲线如下图所示。

冲击波采用平面均压形式加载在某舰载箱体结构表面上，载荷谱为图2中的三角波载荷曲线。

3.2 仿真计算结果分析

利用有限元分析方法，对某舰载箱体结构受空中核爆冲击下的强度进行仿真计算，计算结果如下图所示。

该某舰载箱体结构应力云图显示，最大等效应力66.9MPa集中分布于箱体底部安装支脚位置，相较于材料屈服强度具有5.1倍理论安全裕度，满足1.4倍安全系数要求。应力梯度呈非线性分布：37.2～59.5MPa区域较为密集，揭示了几何突变区存在应力集中效应；集装箱首尾应力水平较低显示明显材料冗余。变形云图显示最大变形量1.45mm位于箱体结构前后端空腔顶部，变形梯度平滑且无突变，表明结构刚度分布均匀。箱体结构结构整体变形协调性良好，最大应变能区域与应力集中区空间位置吻合，符合变形规律。

根据仿真计算结果可计算出，已知以及爆炸当量W，可根据公式（10）可计算出某舰载箱体结构结构的最小安全半径为69.6m。同时某舰载箱体结构最小安全半径受以及爆炸当量W的变化曲线图如图5所示。

最小安全半径变化三维曲面图直观展示了最小安全半径与冲击波超压值以及核爆当量的耦合关系。三维曲面呈现显著非线性特征：当核爆当量W从0增大至60 kt时，Rs随当量增加呈指数增长趋势；冲击波超压值在200～1000kPa范围内，Rs随超压增大呈现近似线性下降规律，表明提高结构抗压能力可显著缩减安全距离。高风险区域显著集中在低超压、大爆炸当量组合情况下，多维度揭示了核爆冲击波传播的安全边界规律。

4 总结

本文系统研究了舰载箱体结构的核爆冲击波动态响应特性。研究表明，等效静载法（放大系数取2）能有效表征冲击波动态效应。箱体最大等效应力为66.9 MPa（集中于底部支脚），安全裕度达5.1倍，但应力集中系数达3.7，可优化支脚过渡圆角以改善应力分布；结构变形峰值1.45 mm，梯度分布特征印证刚度设计合理性。推导得出当核爆当量为32 kt时，箱体临界安全半径为69.6 km，可为舰船抗爆部署提供依据。当前研究未涵盖舰体运动耦合效应及材料应变率敏感性，后续需结合冲击试验开展多物理场联合仿真，深入揭示热-力-电磁耦合毁伤机制。

参考文献：

［1］Smith， J. R.， & Rigby， S. E. （2018）. Reflected blast wave interactions on naval structures： Experimental and numerical analysis. Journal of Applied Mechanics， 85（12）， 121005.

［2］Ivanov， A. V. （2020）. Energy-equivalent modeling of nuclear blast loading for submarine structures. International Journal of Impact Engineering， 143， 103597.

［3］Zhou， X. Q.， & Wang， H. （2021）. Dynamic response analysis of shipboard equipment under blast loading using coupled Eulerian-Lagrangian method. Ocean Engineering， 239， 109823.

［4］杨光，周鹏，郭鹏飞，等.复合材料上层建筑板架抗核爆结构的仿真优化设计[J].现代应用物理，2019，10（02）：69-76.

［5］王喆，孙丰，周姝，等.核爆作用下舰船上层建筑结构动力响应[J].舰船科学技术，2013，35（11）：4-9.

［6］余彧，王静南，黄坤，等.大跨度复合材料机库门抗核爆冲击设计及等效试验[J].中国舰船研究，2022，17（S1）：52-58.

作者简介：卫星辉：（1996.07-），男，汉族，河南郑州人，硕士，单位：郑州机电工程研究所，职称：助理工程师，研究方向：舰载设备结构优化设计。