我国周边领海主权安全形势比较复杂，需要更为坚实可靠的舰船作为中坚力量，船体结构的抗冲击性能作为结构的重要性能之一，自然需要重点研究。从20世纪以来，各国学者对于爆炸载荷下结构动态塑性响应的力学机理进行了大量的研究。KennardA.H.^[1]发现随着爆炸载荷从球面波变为平面波，其作用下的固支板也从锥形变形转化为球形变形。Gleyzal^[2]对爆炸载荷下的固支圆板进行理论推导和实验验证，研究表明板的塑性动态响应所吸收的能量与其变形量的平方近似呈正比。朱锡、朱凌^［3］等人通过实验得出了爆炸载荷下固支方板塑性变形的真实位移场和速度场，提供了研究此类问题力学机理的途径。Jones^[4]发展出一套为板结构在冲击载荷下的塑性变形求解服务的方法，但由于未计及应变率效应，其板塑性形变的理论预测值比实际实验结果偏小。Nurick等人^[5-7]通过将参数无量纲化来总结对比大量实验数据，发现圆板和方板在爆炸载荷下的失效模式是相似的，均可以分为三种，即大塑性变形、拉伸撕裂和剪切变形。板结构遭到破坏的严重程度和破坏位置由爆炸载荷的空间分布形式决定，但边界条件的不同会大大影响后两种失效模式。对于加筋板，其撕裂位置会受到加强筋分布形式的影响，Chung Kim Yuen S.^［8］和LangdonG．S．^［9］分别对多种加筋形式的固支板进行均布和局部爆炸载荷条件下的系列数值及实验研究，绘制出加筋尺寸和形式对板结构变形模式影响的系列曲线。当单根加强筋沿板的中线布置时，可以有效减少固支方板在均布爆炸载荷下的位移。

在进一步探究爆炸载荷作用下结构的力学机理时，我国学者Zhao（赵亚溥）,Yu (余同希)and Fang（方竞）于1994年首先发现，受爆炸冲击载荷作用而发生塑性大变形的薄板结构，其动态响应存在“饱和特性”，即受到强烈的横向脉冲载荷的作用时，板会产生较大的弹塑性变形，而该变形诱发的膜力又能增强板的承载力，所以当矩形脉冲作用足够长时间，只有脉冲的早期部分对最大变形和永久变形有贡献,后期加载的部分不会使变形量进一步增加^[10]。基于理想刚塑形理论，同时考虑弯矩和轴向力，他们归纳总结了方形脉冲载荷下简(固)支梁的动态塑性响应并给出了中高强度载荷作用下的理论解。第二年，他们又将“饱和冲量”的概念延伸到矩形脉冲载荷作用下的简支圆板、简（固）支方板和圆柱壳体中^[11]，给出了上述结构在中强度方形脉冲载荷作用下饱和冲量的上下限值。Zhu(朱凌)和Yu(余同希) ^[12]则进行了弹塑性板结构的饱和现象研究。他们以受到矩形压力脉冲的全固支方板为例，研究发现了理想弹塑性结构中分别对应“最大变形”和“永久变形”的两类“饱和冲量”。对比刚塑形理论和弹塑性理论得到的饱和冲量解，可以发现在高强度载荷下，两类饱和冲量均位于理想刚塑形理论得出的饱和冲量上下限值之间。为便于工程应用，他们还提出了“最大变形饱和冲量”、“永久变形饱和冲量”以及“临界脉冲长度”等概念。

近年来，朱凌教授团队研究了不同参数对于矩形脉冲载荷下板的饱和冲量的影响，包括方板的尺度效应^[13]、材料的应变率和变形硬化^[14]以及方板的边界条件^[15]等。当板的长度厚度比为定值时，对应于永久变形的饱和冲量和压力幅值之间呈线性关系，而板的绝对尺度则对其无影响；而反映材料应变和硬化率的特征参数与饱和变形量呈反比。对矩形脉冲作用下的方板设置对称的边界条件时，饱和时间和饱和冲量不会受到边界条件的影响，但饱和变形量则取决于边界条件的设置。

为了进一步拓宽应用，白雪玉等研究了线性衰减压力脉冲下全固支方板的饱和冲量现象^[16,17]。但为了便于应用，需要探索将复杂爆炸脉冲等效为矩形脉冲的方法。白雪玉^[17]等提出了基于饱和冲量的等效方法，并分别用刚塑形和弹塑性材料模型对比研究了Youndahl等效方法和全脉冲等效方法。Youndahl等效方法只适用于小变形领域，而“饱和冲量等效方法”考虑到了弯矩和膜力的共同作用，具有更好的适用性。

然而，目前弹药战斗技术和防御体系都在快速发展，根据前述内容可以发现国内对于空爆下结构响应的研究都已较为完善，但是内部爆炸力学机理方面的研究还不够深入。对比敞开环境下的爆炸和舱室内爆的破坏模式，可知封闭空间中的爆炸载荷远比空爆载荷复杂。不同于空爆只需要冲击波能便能表征其爆炸威力，约束条件下的爆炸冲击波具有多峰效应，载荷持续时间长，且其特征参量众多，综合作用下的破坏效应具有耦合作用^[18]。多峰效应是由于封闭条件下冲击波的壁面反射造成的，且由于反射波的叠加，其峰值会高于空爆下的峰值。陈攀^[19]通过数值方法研究爆点位置对冲击波的反射影响，发现舱室内爆各壁面反射冲击波明显，但爆点位置仅对爆点正反射区的冲击波特性有影响，对远离爆点区域的冲击波特性无明显影响。张同冰^[20]等人发现冲击加速度的响应幅值随距爆点的距离增加而呈现指数型衰减。侯海量^[21]等人发现由于角隅的汇聚波作用，舱内爆炸时舱室角隅承受的载荷远大于空爆时壁面反射的冲击波载荷强度。姚熊亮^[22]研究表明密闭空间爆炸时角隅处冲击波冲量约为板中心冲量的1.45倍。上述研究虽然对于多峰效应和反射波的现象进行了一定程度的分析，但并未完全探明其中的力学机理。为了保护舱室结构，可以在舱壁处增设小开口，这样能够有效降低角隅处的汇聚压力^[23]。另一研究表明，封闭空间为圆柱形时，其长径比也会对爆炸后形成的损伤造成一定影响，具体体现在侧壁和顶端速度分布和破片尺寸及数量上^[24]。徐维峥^[25]开发了能够提供较准确的封闭空间内炸药爆炸波传播过程及爆炸载荷的计算程序，并基于冲量等效原则提出了简化爆炸载荷的计算公式；其提出的可快速计算密闭空间炸药爆炸准静态超压峰值的理论公式，可作为本课题的检验参考对照。

综上所述，可以发现无约束空爆下结构的动力响应已有大量研究，而约束爆炸下结构响应的一些关键问题，例如特征现象、响应机理和损伤模式等，研究还不够完善，仍需进行深入研究。因此，本课题拟采用数值分析方法研究船体板在约束爆炸载荷下的动态塑性响应及其中的饱和冲量现象。Jones的实验数据^[26-28]与数值分析的良好吻合，提供了运用数值仿真方法预估薄板结构在冲击载荷下的动态塑性响应的有效证明。本课题还将对比空爆条件下船体板的动态塑性响应行为，结合理论方法及经验公式进行对比分析，加强验证分析的有效性。对不同的载荷参数提供系列的计算结果和分析，探究约束爆炸条件下饱和冲量的机理和规律，并根据所得结论提出基于饱和冲量的约束爆炸下船体板的设计方法。

2. 研究的基本内容与方案

研究的基本内容

本课题主要研究舰艇船体板在约束爆炸条件（即舱室内部发生爆炸）下的动态塑性响应行为，并结合理论方法及前人所得经验公式的计算结果进行对比验证；同时重点关注约束爆炸中出现的饱和冲量现象，通过数值模拟分析和理论方法探究并阐述其规律与机理；最后根据上述研究提出适用的船体板结构设计方法。

如进度允许，本课题还将增加如下研究内容作为加分项：

学习探究将任意复杂脉冲等效为矩形脉冲的方法及其在船体板设计中的应用。