水下爆炸載荷下復(fù)合材料水下航行器耐壓殼的動態(tài)響應(yīng)

牛瑞濤　喬海峰

摘 要：為研究復(fù)合材料水下航行器耐壓殼體的抗沖擊性能，分別對采用鋁合金、CFRP（碳纖維增強(qiáng)塑料）、GFRP（玻璃纖維增強(qiáng)塑料）材料制作的耐壓殼進(jìn)行數(shù)值仿真建模，研究殼體在水下爆炸沖擊波作用下的動態(tài)響應(yīng)特性。結(jié)果表明在給定的沖擊載荷下，復(fù)合材料殼體發(fā)生的變形比鋁合金殼體大，并可更多地通過彈性變形方式釋放吸收的沖擊能量；CFRP殼體發(fā)生的變形比GFRP殼體更小。

關(guān)鍵詞：水下爆炸；復(fù)合材料；耐壓殼；數(shù)值仿真

水下爆炸沖擊載荷是水下航行器設(shè)計中必須考慮的重要載荷。作為水下航行器的重要承載部件，耐壓殼的沖擊失效模式直接決定了水下航行器的抗沖擊性能。鑒于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料優(yōu)異的力學(xué)性能和廣泛的工程應(yīng)用背景，有必要針對復(fù)合材料水下航行器耐壓殼水下爆炸沖擊動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行研究，分析耐壓殼在水下爆炸沖擊波載荷下的抗沖擊性能，為復(fù)合材料水下航行器的設(shè)計提供參考依據(jù)，并為復(fù)合材料水下航行器的沖擊損傷評估提供技術(shù)基礎(chǔ)。

文章分別對采用CFRP、GFRP和2024T鋁合金材料制作的水下航行器耐壓殼進(jìn)行數(shù)值仿真建模，采用ABAQUS聲-固耦合算法對比研究殼體在水下爆炸沖擊載荷下的動態(tài)響應(yīng)特性。

1 分析模型

進(jìn)行水下航行器耐壓殼建模。殼體截面最大半徑120.0mm，最小半徑68.3mm，總長1410.3mm，厚度7mm。炸藥為18.3kg TNT，爆距7.62m，爆炸位置為殼體側(cè)面中心位置，爆炸水深3.66m。水域半徑取殼體最大半徑的6倍，模擬無限水域。殼體采用S4R單元，水域采用AC3D4單元。復(fù)合材料殼體采用[0/45/-45/90/-45/45/0]的鋪設(shè)方式，每層厚度為1mm。耐壓殼軸線中心節(jié)點(diǎn)約束u1、u2、u4、u5、u6方向自由度；水域施加球形無反射邊界。

耐壓殼外表面與水域濕面采用Tie約束進(jìn)行聲-固耦合，將水域濕面設(shè)為約束主面。根據(jù)爆炸水深和爆距，可忽略氣泡脈動影響。爆炸沖擊載荷在standoff point處采用入射波形式施加。

鋁合金采用2024-T351材料，強(qiáng)度模型為Johnson-Cook模型。

2 結(jié)果與討論

殼體外表面standoff point處典型節(jié)點(diǎn)的U1位移時程曲線如圖1所示。給定的爆炸沖擊波作用下，三種材料制作的殼體的節(jié)點(diǎn)在1方向均發(fā)生類似正弦波的變形。AL、CFRP和GFRP的最大負(fù)向位移分別為-9.0mm、-11.5和-14.4mm；最大正向位移分別為3.9mm、11.9mm和15.3mm。沖擊波沿1方向負(fù)向首先作用于殼體的節(jié)點(diǎn)B1處，導(dǎo)致鋁合金發(fā)生了塑性變形，因此其回彈后的正向最大位移明顯小于負(fù)向最大位移。CFRP和GFRP殼體則只發(fā)生彈性變形，因此正向、負(fù)向最大位移幾乎相等。而且，GFRP殼體節(jié)點(diǎn)的峰值位移最大，CFRP殼體次之，AL殼體最小。

殼體端面中心節(jié)點(diǎn)的U3位移時程曲線分別如圖2所示。針對AL殼體，兩個端面中心節(jié)點(diǎn)的位移迅速增大至峰值，最后保持穩(wěn)定。這是由于沖擊波加載后，端面發(fā)生明顯塑性變形所致。針對CFRP、GFRP殼體，兩端面中心節(jié)點(diǎn)的位移時程曲線呈現(xiàn)近似阻尼簡諧振動特征。這是由于端面距離standoff point較遠(yuǎn)，沖擊波傳播至端面位置后發(fā)生衰減，并且復(fù)合材料開始產(chǎn)生損傷累積，通過損傷形式釋放吸收的沖擊能量所致。

3 結(jié)語

（1）給定的沖擊載荷下，鋁合金殼體主要通過彈、塑性變形方式釋放吸收的沖擊能量，復(fù)合材料殼體發(fā)生的變形比鋁合金殼體大，可以更多的通過彈性變形的方式釋放吸收的沖擊能量。

（2）給定的沖擊載荷下，由于CFRP的強(qiáng)度和彈性模量比GFRP更高，CFRP殼體發(fā)生的變形比GFRP更小。

參考文獻(xiàn)

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