耐壓抗沖覆蓋層在水下爆炸載荷作用下的沖擊防護(hù)特性

殷彩玉 ，金澤宇 ，諶勇 ，華宏星

1上海交通大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240

2上海交通大學(xué)振動(dòng)沖擊、噪聲研究所，上海200240

0 引 言

潛艇是關(guān)系國(guó)家安全的重要威懾與反擊力量，也是敵方防范和打擊的重點(diǎn)目標(biāo)，因此提高潛艇抗水下爆炸沖擊的能力具有非常重要的意義。遠(yuǎn)場(chǎng)水下爆炸將主要破壞潛艇的內(nèi)部設(shè)備，水下爆炸沖擊波傳遞到雙層殼體潛艇內(nèi)部設(shè)備的主要傳播路徑為：爆炸源→水→輕外殼→舷間水→耐壓殼→設(shè)備基座→設(shè)備。因此，可以從2個(gè)方面著手提升潛艇及艦載設(shè)備的抗沖擊能力：一是通過(guò)改進(jìn)或加強(qiáng)潛艇殼體結(jié)構(gòu)、在設(shè)備上加裝性能更好的隔振器來(lái)提升潛艇殼體的強(qiáng)度及艦載設(shè)備的抗沖擊性能，但在潛艇空間和排水量有限的條件下，通過(guò)隔振器來(lái)進(jìn)一步提高艦載設(shè)備的抗沖擊性能已難以再取得較大的突破；二是降低沖擊載荷，即通過(guò)某種手段（例如在耐壓殼體上敷設(shè)一層耐壓抗沖覆蓋層）來(lái)降低傳遞到潛艇殼體上的沖擊載荷，從而降低殼體形變及由殼體傳遞到內(nèi)部設(shè)備上的載荷。

之所以選擇在潛艇耐壓殼而不是在輕外殼上敷設(shè)抗沖覆蓋層，有以下2個(gè)原因：一是輕外殼較輕薄，即使敷設(shè)抗沖覆蓋層，也會(huì)由于輕外殼易變形而導(dǎo)致抗沖覆蓋層的變形有限，最終沖擊波還是很容易傳遞到潛艇內(nèi)部的耐壓殼體上；二是耐壓殼體較厚且不容易變形，在沖擊載荷作用下敷設(shè)在耐壓殼體上的抗沖覆蓋層的形變較大，可以有效地吸收沖擊波能量，從而降低傳遞到耐壓殼體上的沖擊載荷。

目前，艦艇抗沖覆蓋層的研究工作主要局限于水面艦船，國(guó)內(nèi)學(xué)者已開(kāi)展了大量的理論、仿真及試驗(yàn)研究，提出在船體濕表面上敷設(shè)超彈性多孔橡膠覆蓋層可以緩沖和吸收水下爆炸的沖擊能量。諶勇等［1］針對(duì)粘貼于船模上的橡膠夾芯覆蓋層在水下爆炸時(shí)的防護(hù)作用開(kāi)展了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，橡膠夾芯覆蓋層可以有效降低結(jié)構(gòu)在沖擊波作用下的響應(yīng)峰值，該覆蓋層相當(dāng)于一個(gè)低通濾波器，對(duì)高頻信號(hào)的衰減明顯，但對(duì)低頻信號(hào)的影響不大。章振華等［2-3］采用試驗(yàn)方法研究了橡膠多孔單胞結(jié)構(gòu)在低速?zèng)_擊作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，運(yùn)用Abaqus有限元軟件分析了橡膠多孔覆蓋層連續(xù)體模型對(duì)艦船的沖擊防護(hù)效果，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明，橡膠多孔覆蓋層可以降低船體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，其防護(hù)效果較好。肖鋒等［4-7］采用Abaqus有限元軟件研究了超彈性橡膠分層圓孔蜂窩覆蓋層和六邊形橡膠蜂窩并聯(lián)歐拉桿結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)壓縮行為，還分析了分層圓孔結(jié)構(gòu)和橡膠蜂窩結(jié)構(gòu)在水下爆炸載荷作用下的沖擊防護(hù)性能。劉建湖等［8］論述了國(guó)內(nèi)外艦艇抗爆抗沖擊技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，分析了制約我國(guó)該項(xiàng)技術(shù)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題，提出了增強(qiáng)艦艇抗爆抗沖擊能力的建議。

上述分析的橡膠多孔抗沖覆蓋層是針對(duì)水面艦船而設(shè)計(jì)的，然而潛艇在水下作業(yè)時(shí)需承受較高的靜水壓力，如果將該類(lèi)空腔較大的覆蓋層直接應(yīng)用于潛艇，其覆蓋層空腔在一定的靜水壓力下必然會(huì)被壓縮且發(fā)生較大的變形。由于覆蓋層發(fā)揮抗沖擊性能的一個(gè)重要機(jī)理是基于空腔的變形吸能，故當(dāng)空腔壓縮變形后將嚴(yán)重影響覆蓋層的抗沖擊性能。因此，上述的多孔橡膠抗沖覆蓋層并不適用于潛艇。本文擬針對(duì)潛艇抗沖擊環(huán)境的特殊性，提出其適用的耐壓抗沖覆蓋層，分析其耐靜壓特性及抗沖擊特性，用以為潛艇的抗沖擊研究提供技術(shù)支撐。

1 耐壓抗沖覆蓋層結(jié)構(gòu)形式

耐壓抗沖覆蓋層在潛艇上的粘貼方式如圖1所示。在水下爆炸載荷作用下，潛艇將同時(shí)受到靜水壓力和沖擊波的作用。因此，潛艇耐壓抗沖覆蓋層需要滿(mǎn)足3個(gè)條件：1）耐高靜水壓力；2）隔沖耗能；3）降低傳遞到潛艇耐壓殼體的應(yīng)力及能量。滿(mǎn)足上述條件的結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性如圖2所示，即覆蓋層具有較高的彈性模量，可以承受靜壓且變形較小；應(yīng)力平臺(tái)階段可以吸收沖擊波能量。圖2中：σ為應(yīng)力，MPa；?為應(yīng)變。

具備此類(lèi)力學(xué)特性的結(jié)構(gòu)形式主要有：超彈性多孔橡膠結(jié)構(gòu)；塑性泡沫結(jié)構(gòu)；三明治夾層板結(jié)構(gòu)等。由于三明治夾層板在后屈曲行為中的軟化效應(yīng)很大，故會(huì)限制其吸能效果。因此，本文將主要分析多孔橡膠結(jié)構(gòu)和塑性泡沫結(jié)構(gòu)。

1.1 橡膠多孔覆蓋層

針對(duì)多孔橡膠覆蓋層，根據(jù)其變形方式可以分為2種：共面變形結(jié)構(gòu)和異面變形結(jié)構(gòu)。異面變形結(jié)構(gòu)主要以蜂窩結(jié)構(gòu)為主，例如六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)、四邊形蜂窩結(jié)構(gòu)和三角形蜂窩結(jié)構(gòu)，如圖3（a）所示。共面變形典型結(jié)構(gòu)包括手性結(jié)構(gòu)、蜂窩結(jié)構(gòu)、圓孔結(jié)構(gòu)和隧道結(jié)構(gòu)等，如圖3（b）所示。針對(duì)圖3所示的橡膠多孔結(jié)構(gòu)，取其孔隙率為43.4%，并以1/s的速率壓縮后即可得到異面變形結(jié)構(gòu)和共面變形結(jié)構(gòu)的典型變形形式，如圖4所示。不同橡膠多孔結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)如圖5所示。由圖4和圖5可知，橡膠多孔抗沖覆蓋層的特點(diǎn)如下：

1）線(xiàn)彈性階段的彈性模量較小（10 MPa左右），不會(huì)超過(guò)橡膠基體的彈性模量。

2）應(yīng)力平臺(tái)較低。

3）應(yīng)力平臺(tái)較短。

因此，如果將耐靜壓能力較低的水面艦艇抗沖覆蓋層應(yīng)用于高靜水壓環(huán)境下的潛艇，其抗沖覆蓋層將產(chǎn)生比較大的變形。在沖擊載荷作用下，其變形空間是有限的，故其抗沖擊性能并不理想。

1.2 塑性泡沫材料

塑性泡沫材料具有密度低、強(qiáng)度高、剛度高、造價(jià)低、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)的特點(diǎn)，且該類(lèi)材料很容易加工成復(fù)雜的形狀，已被廣泛應(yīng)用于抗沖擊設(shè)計(jì)領(lǐng)域［9-11］。在宏觀力學(xué)方面，泡沫材料具有典型的三階段特性：線(xiàn)彈性階段、應(yīng)力平臺(tái)階段及密實(shí)化階段。在線(xiàn)彈性階段，應(yīng)變一般小于0.05，且彈性模量較高；在應(yīng)力平臺(tái)階段，可以發(fā)生較大的塑性變形并吸收相當(dāng)大的能量，同時(shí)其傳遞到結(jié)構(gòu)的應(yīng)力較低。由此可知，塑性泡沫結(jié)構(gòu)在彈性階段的高剛度特性為其耐靜壓能力提供了保障。

1.3 耐壓抗沖覆蓋層

設(shè)計(jì)潛艇耐壓抗沖擊覆蓋層時(shí)，應(yīng)考慮耐靜水壓力和抗沖擊這2個(gè)方面的能力。塑性泡沫材料有較高的比剛度，可以耐受靜水壓力且變形很小。同時(shí)，塑性泡沫材料在屈服以后有很寬的應(yīng)力平臺(tái)，其吸能效果較好?？紤]覆蓋層的實(shí)際粘貼情況，本文將提出潛艇耐壓抗沖覆蓋層的結(jié)構(gòu)形式，即塑性泡沫與橡膠的復(fù)合覆蓋層，其可能的結(jié)構(gòu)形式如圖6所示。

2 數(shù)值計(jì)算模型的有效性驗(yàn)證

本文擬采用Abaqus/Explicit有限元軟件分析抗沖覆蓋層在水下爆炸載荷下的沖擊防護(hù)問(wèn)題，首先將選用Schiffer等［12］的激波管實(shí)驗(yàn)對(duì)數(shù)值計(jì)算方法的有效性加以驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示，覆蓋層由鋁面板和泡沫組成，其中pst為靜水壓力。前、后面板的速度及位移的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比如圖8所示，其中t為時(shí)間。由圖8可知，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了仿真模型及數(shù)值計(jì)算方法的有效性。

3 計(jì)算模型

3.1 幾何模型

如圖9所示，計(jì)算模型包含2個(gè)部分：耐壓抗沖覆蓋層和水域，其中潛艇結(jié)構(gòu)假設(shè)為固定邊界。耐壓抗沖覆蓋層由隧道式多孔橡膠覆蓋層和剛性聚氨酯泡沫復(fù)合而成，其具體尺寸如圖7所示，模型中水域的長(zhǎng)度為2 m。在有限元軟件中，將采用4節(jié)點(diǎn)的平面應(yīng)變單元CPE4R來(lái)模擬耐壓抗沖覆蓋層，采用4節(jié)點(diǎn)聲學(xué)單元AC2D4R來(lái)模擬水，采用邊界條件Tie來(lái)約束泡沫與橡膠、橡膠與水，覆蓋層設(shè)周期邊界。

3.2 材料屬性

本文采用Hyperelastic材料模型來(lái)模擬橡膠，其單軸應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)如圖10（a）所示（拉伸為正），泊松比取為0.485。采用Crushable foam材料模型來(lái)模擬剛性聚氨酯泡沫材料，其壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)如圖10（b）所示：在剛塑性模型中，其屈服強(qiáng)度為1.280 6 MPa，密實(shí)化應(yīng)變?yōu)?.549 1；在線(xiàn)彈性階段，其彈性模量和泊松比分別為30 MPa和0.3；在塑性階段，采用各向同性硬化模型，塑性泊松比設(shè)為0，Compression Yield Stress Ratio設(shè)為1.732。

水的密度和聲速分別為1000kg/m3和1500 m/s，其體積模量為2.25×109Pa。為了模擬水的空化效應(yīng)，本文采用Total Wave進(jìn)行計(jì)算，其中水的空化閾值設(shè)為0。

3.3 沖擊環(huán)境參數(shù)

水下爆炸沖擊波可以表示為指數(shù)衰減波［13］：

式中：pin為水下爆炸沖擊波；p0為沖擊波峰值；θ為衰減系數(shù)，在實(shí)際爆炸中與炸藥當(dāng)量和爆距有關(guān)。

本文主要研究耐壓抗沖覆蓋層在靜水壓力和沖擊載荷共同作用下的沖擊防護(hù)效果，并未涉及實(shí)艇計(jì)算，故假設(shè)以下2種不同強(qiáng)度的沖擊波：

1）沖擊波1：p0=10 MPa，θ=1 ms。

2）沖擊波2：p0=15 MPa，θ=1 ms。

考慮4種靜水壓力，即0.5，1，1.5，2 MPa。

4 耐壓抗沖覆蓋層的沖擊防護(hù)效果分析

4.1 耐靜壓特性

圖11所示為覆蓋層在不同靜水壓力作用下的變形圖，其中S為覆蓋層在靜水壓力作用下的Mises應(yīng)力。由圖11可知，當(dāng)靜水壓力超過(guò)覆蓋層的屈服強(qiáng)度后，覆蓋層將出現(xiàn)明顯變形；而當(dāng)靜水壓力小于覆蓋層的屈服強(qiáng)度時(shí)，覆蓋層的變形幾乎可以忽略。因此，可以根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)中的耐靜壓指標(biāo)，選取不同屈服強(qiáng)度的覆蓋層。

4.2 抗沖擊特性

圖12所示為耐壓抗沖覆蓋層在2種沖擊波作用下的變形情況，其中PEEQ為覆蓋層的等效塑性變形。由圖12可知，沖擊波越大，等效塑性變形就越大。對(duì)于剛性聚氨酯泡沫，其靠近橡膠部分的變形要小于遠(yuǎn)離橡膠部分，這是因?yàn)橄鹉z幾乎不可壓縮，從而阻礙了其周?chē)菽淖冃巍?/p>

由于濕表面各節(jié)點(diǎn)的壓力基本相同，故將濕表面各節(jié)點(diǎn)的壓力求和并取平均值，即可得到濕表面的平均壓力pwet，如圖13所示。由圖13可知，在峰值為10 MPa，衰減系數(shù)為1 ms的入射指數(shù)衰減沖擊波作用下，濕表面壓力迅速降低，然后基本保持為應(yīng)力平臺(tái)，該應(yīng)力平臺(tái)的均值與泡沫材料的屈服強(qiáng)度相當(dāng)；在峰值為15 MPa，衰減系數(shù)為1 ms的入射指數(shù)衰減沖擊波作用下，濕表面壓力在應(yīng)力平臺(tái)階段迅速上升，這主要是因?yàn)闆_擊波強(qiáng)度較大，覆蓋層的厚度不足以吸收全部的沖擊波能量，導(dǎo)致覆蓋層發(fā)生了密實(shí)化。此外，敷設(shè)覆蓋層后，濕表面壓力形態(tài)與入射指數(shù)衰減沖擊波的差別很大，即由峰值高、脈寬短的指數(shù)衰減波變?yōu)榉逯档汀⒊掷m(xù)時(shí)間長(zhǎng)的壓力波。

圖14所示為傳遞到潛艇殼體的平均支反力Fr。由圖14可知，在峰值為10 MPa，衰減系數(shù)為1 ms的入射指數(shù)衰減沖擊波作用下，當(dāng)覆蓋層厚度足以吸收沖擊波能量時(shí)，傳遞到殼體的應(yīng)力由覆蓋層的靜態(tài)屈服強(qiáng)度決定；在峰值為15 MPa，衰減系數(shù)為1 ms的入射指數(shù)衰減沖擊波作用下，當(dāng)覆蓋層密實(shí)化以后，傳遞到殼體的應(yīng)力也會(huì)急劇上升。因此，應(yīng)避免覆蓋層發(fā)生完全密實(shí)化。與入射指數(shù)衰減沖擊波峰值相比，傳遞到殼體的壓力峰值要遠(yuǎn)低于沖擊波峰值，這說(shuō)明耐壓抗沖覆蓋層可以有效地降低傳遞到結(jié)構(gòu)的沖擊波強(qiáng)度。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)潛艇所處的特殊沖擊環(huán)境，提出了適用于潛艇的耐壓抗沖覆蓋結(jié)構(gòu)形式，即塑性泡沫與橡膠的復(fù)合耐壓抗沖覆蓋層，并驗(yàn)證了其抵抗靜水壓力和沖擊載荷的能力，可為潛艇抗沖覆蓋層的設(shè)計(jì)提供參考。但是，需要注意2個(gè)問(wèn)題：一是如果覆蓋層的屈服強(qiáng)度小于靜水壓力，則覆蓋層在靜水壓力作用下將壓潰，因此在設(shè)計(jì)中覆蓋層的屈服強(qiáng)度要大于工作環(huán)境的靜水壓力；二是如果沖擊波強(qiáng)度過(guò)大，覆蓋層就會(huì)發(fā)生密實(shí)化，進(jìn)而影響其抗沖擊效果，故在實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)避免覆蓋層密實(shí)化現(xiàn)象的發(fā)生。

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