Прогноз прогиба переборок корабля при внутреннем взрыве

Почему важны переборки при взрывах внутри судна

Когда противокорабельное средство взрывается внутри корабля, наибольшая опасность часто исходит не от пробоин в корпусе, а от того, как внутренние стены, или переборки, изгибаются и сминаются. Эти металлические перегородки помогают судну оставаться на плаву и защищают экипаж и оборудование. При чрезмерной деформации возможны затопление и цепная реакция повреждений. В исследовании поставлен практический вопрос для судостроителей и инженеров по безопасности: можно ли быстро и надежно предсказать, насколько прогнется переборка при внутреннем взрыве, не прибегая к длительным вычислениям на суперкомпьютерах?

Как ведет себя взрыв в закрытом объеме

Взрыв в замкнутом отсеке существенно отличается от взрыва в открытом воздухе. Сразу после детонации острая ударная волна устремляется наружу и резко поражает стены. Затем она многократно отражается, накладываясь сама на себя, особенно в углах, где сходятся несколько стен. После этих быстрых импульсов оставшиеся горячие газы продолжают более медленно и равномерно давить на все поверхности, создавая то, что инженеры называют квазистатическим давлением. Авторы сначала создали детальную компьютерную модель стальной каюты, заполненной воздухом и с малой зарядкой тротила в центре. Сравнив рассчитанные давления по стенам с предыдущими экспериментами, они показали, что модель воспроизводит время и величину пиков давления с погрешностью менее 8 процентов.

Превращение сложных картин взрыва в простые правила

Поскольку давление внутри отсека сильно неравномерно, команда далее проанализировала его распределение по квадратной переборке. Они разделили стенку на три зоны: центральную область, регионы у углов, где сходятся две стены, и регионы у трехстенных углов, где давление имеет тенденцию к концентрации. Используя множество прогонов моделирования для разных размеров отсека и масс заряда, они подогнали простые формулы, связывающие пик давления с приведенным расстоянием от заряда. Чтобы сделать задачу пригодной для проектных расчетов, затем сложную историю давления — множество острых импульсов и более медленное длительное воздействие — свели к эквивалентной, более простой нагрузке, дающей тот же общий импульс, или «рывок», по плите. Этот шаг основан на идее, что для большой пластической деформации пластичной металлической пластины суммарная энергия, переданная волной, важнее тонкой формы давления.

От энергии взрыва к деформации стали

Упростив нагрузку, авторы построили теоретическую модель деформации переборки. Они рассматривали стенку как квадратную стальную пластину, зажатую по краям, и считали, что взрыв сообщает ей начальную скорость. По мере выпячивания пластины кинетическая энергия движения постепенно превращается в пластическую растяжку и изгиб металла. Используя тщательно выбранную математическую форму для аппроксимации выпуклой формы, они рассчитали, какая часть энергии идет на изгиб по «шарнирам» у краев и внутри пластины, а какая — на растяжение поверхности, подобно мембране. Применив закон сохранения энергии — приравняв кинетическую энергию, переданную взрывом, сумме энергий деформации — они вывели компактное уравнение для максимального выпячивания в центре пластины.

Проверка модели на практике

Чтобы проверить соответствие формул реальности, исследователи провели собственные эксперименты со взрывом в каюте и также опирались на независимые тесты других групп. В их установке квадратные стальные пластины разной толщины крепились болтами на торцах сварного стального ящика, а голые заряды тротила подвешивались в центре полости. После каждой детонации измеряли остаточное выпячивание пластины. В четырех различных случаях — с толщинами пластины от 1,8 до 4 мм, размерами отсека от 0,5 до 0,6 м и массами зарядов 80 и 135 г тротила — рассчитанные центральные деформации соглашались с измерениями примерно в пределах 14 процентов. Модель хорошо предсказала не только абсолютные значения, но и зависимость прогиба от толщины пластины и массы заряда.

Что это значит для безопасности судов

Исследование показывает, что можно перейти от сложной трехмерной картины внутреннего взрыва к простому набору уравнений, оценивающих, насколько необратимо прогнется переборка корабля. Объединив верифицированные компьютерные симуляции, компактные формулы для давления и энергетическую модель изгиба и растяжения пластины, авторы предложили быстрый инструмент прогнозирования, достаточный по точности для инженерных решений. Для проектировщиков военных кораблей и других конструкций с внутренними отсеками — таких как бронированные машины, складские бункеры или офшорные платформы — этот подход дает практический способ отсева компоновок, выбора толщин плит и планирования усилений задолго до проведения подробных симуляций или полноразмерных испытаний.

Цитирование: Chen, Qh., Tao, Yg. & Liang, Zg. Prediction of ship bulkhead deflection under internal explosion. Sci Rep 16, 13465 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43574-w

Ключевые слова: внутренний взрыв, переборка корабля, нагрузка от взрыва, деформация конструкции, защита военно-морского флота