復(fù)合材料層合殼體結(jié)構(gòu)在艦船抗沖擊中的應(yīng)用

傅磊 海軍潛艇學(xué)院研究生隊 266071

復(fù)合材料層合殼體結(jié)構(gòu)在艦船抗沖擊中的應(yīng)用

傅磊 海軍潛艇學(xué)院研究生隊 266071

復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)在工事防護(hù)方面的應(yīng)用已比較成熟，但對其在艦船抗沖擊中的應(yīng)用還有待于進(jìn)一步研究。因此，可以考慮將復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)引入到艦船殼體構(gòu)成復(fù)合殼體。本文綜述了國內(nèi)外關(guān)于水下爆炸作用基礎(chǔ)理論，復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)實際應(yīng)用及數(shù)值模擬等方面的研究進(jìn)展，對于提高艦船抗沖擊性能有著重要的意義。

水下爆炸；復(fù)合材料；層合結(jié)構(gòu)；艦船抗沖擊

引言

艦艇在戰(zhàn)時將不可避免地遭受水下爆炸沖擊破壞，對船體及艦員都有一定程度的損傷。隨著國防科技的不斷發(fā)展，艦員抗沖擊技術(shù)研究作為一項新的課題領(lǐng)域，已逐步展開相關(guān)論證，而解決這一問題的基礎(chǔ)還是在于增強(qiáng)船體的抗沖擊性能。近年來，我國在艦船抗沖擊技術(shù)領(lǐng)域的研究迅速開展，其中復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)防護(hù)在艦艇上的應(yīng)用研究更是方興未艾。為了最大限度的減小艦員損傷，保證艦艇的生命力和戰(zhàn)斗力，還需要對艦船抗沖擊技術(shù)進(jìn)行不斷深入研究。由于艦船抗沖擊性能在很大程度上取決于艦船殼體的防護(hù)，開展復(fù)合材料層合殼體結(jié)構(gòu)在艦船抗沖擊中的應(yīng)用研究很有必要。

1 水下爆炸載荷

水下爆炸載荷是艦船水下爆炸動力學(xué)研究的基礎(chǔ)，水下爆炸載荷的形成大體可分為三個階段：裝藥的爆轟、沖擊波的產(chǎn)生和傳播、氣泡的形成和脈動。

美國人Cole早在1948年就對有關(guān)水中爆炸的物理效應(yīng)做了系統(tǒng)的闡述, 介紹了水中爆炸所依從的基本規(guī)律、水中爆炸的實驗研究方法及其破壞作用過程等。對沖擊波、氣泡的運動、二次壓力脈沖這三個水中爆炸的主要過程進(jìn)行了論述, 并提出了一些經(jīng)驗計算公式, 尤其是對于中遠(yuǎn)場的水中爆炸沖波計算現(xiàn)今仍被人們廣泛使用。

1.1 水中爆炸沖擊波的研究

在Cole研究的基礎(chǔ)上, 目前對于水中爆炸沖擊波的研究主要集中于對不同類型水中炸藥的爆轟機(jī)理, 對經(jīng)典理論進(jìn)行不同適用范圍的修正, 并從理論上進(jìn)行說明。

前蘇聯(lián)科學(xué)家Zamyshlyayev在Cole研究成果的基礎(chǔ)作了進(jìn)一步發(fā)展，全面系統(tǒng)地論述了沖擊波和隨后的壓力波，并研究了沖擊波在自由面和水域底的非線性效應(yīng)，采用理論和試驗相結(jié)合的辦法，重點討論了自由面和底部效應(yīng)、繞射效應(yīng)、空化效應(yīng)、沖擊波與結(jié)構(gòu)的相互作用效應(yīng)。給出的水中壓力波公式包含了氣泡膨脹和收縮的過程，并用解析式表達(dá)，直觀明了，更便于應(yīng)用。國外學(xué)者還通過大量的試驗研究, 得出了不同水深、多種炸藥的水中爆炸沖擊波的經(jīng)驗公式, 修正了Cole的某些計算公式, 并比對了相應(yīng)炸藥的水中爆炸當(dāng)量，并根據(jù)不同的溫度狀態(tài),提出了Cole的某些計算公式的適用環(huán)境范圍。

俞統(tǒng)昌等研究了幾種典型炸藥的水下爆炸沖擊波性能與炸藥本身爆速、爆壓的關(guān)系, 提出合理選用水中炸藥的某些準(zhǔn)則。由于無限水介質(zhì)中爆炸沖擊波的計算公式較多, 且在不同的比例距離范圍內(nèi)各有區(qū)別, 周方毅等對多種水中爆炸沖擊波的計算公式進(jìn)行了選用辨析, 提出了不同條件下推薦使用的公式。還有研究者利用相似理論研究了水中爆炸的宏觀規(guī)律,討論了將相似理論運用于炸藥水中爆炸研究的基本前提和使用方法, 并利用實驗進(jìn)行了驗證。李澎研究了由能流密度—時間曲線經(jīng)驗表達(dá)式簡化計算的水中爆炸沖擊波的傳播, 用簡單數(shù)值積分法解拉格朗日形式的偏微分方程組, 適當(dāng)選取起算參數(shù), 對5倍裝藥半徑外的爆炸場范圍計算精度良好。蘇華對于有限水域中的TNT和鈍化RDX的爆炸沖擊波參數(shù)進(jìn)行了理論修正, 并研究了裝藥的幾何形狀, 引入了幾何形狀系數(shù)對沖擊波的衰減進(jìn)行計算。

1.2 水中爆炸氣泡脈動的研究

水中爆炸的突出特點是氣泡脈動問題。關(guān)于水中爆炸氣泡脈動現(xiàn)象和能量輸出的基礎(chǔ)理論, 國外開展了廣泛的理論和實驗研究, 并進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬工作。研究方向主要集中在水中爆炸氣泡的運動規(guī)律、界面能量輸出以及氣泡的形狀控制技術(shù)等。美國NSWC 收集了175 次水中爆炸試驗的數(shù)據(jù), 對于氣泡能和沖擊波能量的關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)研究, 建立了沖擊波能量和氣泡能量的估算公式, 研究了水中兵器戰(zhàn)斗部殼體對水中爆炸沖擊波和氣泡的影響。

通常情況下, 在水中爆炸沖擊波過后, 炸藥爆轟產(chǎn)物形成的氣泡含有炸藥爆炸總能量約47%的能量, 在周圍水介質(zhì)的作用下膨脹和壓縮, 產(chǎn)生滯后流和脈動壓力。而對于氣泡脈動的運動研究主要是通過處理炸藥水中爆炸產(chǎn)生的沖擊波曲線來進(jìn)行, 通過對試驗測試數(shù)據(jù)分析之后得出一些半理論—半經(jīng)驗公式來指導(dǎo)工程實踐。如可根據(jù)不同的應(yīng)用狀態(tài), 通過大量的實測數(shù)據(jù), 得出了不同水深、多種炸藥的水中爆炸脈動氣泡的經(jīng)驗計算公式。但這種研究方法難以完全解釋氣泡脈動的物理圖像, 因而隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展, 數(shù)值仿真技術(shù)大量地應(yīng)用于炸藥水中爆炸產(chǎn)生的氣泡脈動研究, 目前已經(jīng)可以利用大型通用有限元程序模擬起爆、沖擊波在水中傳播過程、氣泡的增長等, 如ANSYS /AUTODYN的高階Euler求解器可精確地模擬氣泡的膨脹、壓縮、潰滅以及氣泡收縮而形成的射流。

2 復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的抗爆性

2.1 復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

為了降低和防止爆炸沖擊波對目標(biāo)的破壞,提高防爆抗沖擊能力，一般采用增加單層介質(zhì)厚度和開發(fā)新型材料, 蔡斌對新型復(fù)合材料在船艇工業(yè)中的應(yīng)用作了相關(guān)評述，總結(jié)了國內(nèi)外GFRP玻璃纖維增強(qiáng)塑料 （玻璃鋼）及碳纖維、凱芙拉（Kevla）先進(jìn)復(fù)合船艇材料的發(fā)展。吳始棟 綜述了美國等國的樹脂基復(fù)合材料的開發(fā)與應(yīng)用現(xiàn)狀和取得的經(jīng)濟(jì)效果，重點分析了復(fù)合材料在潛艇上的應(yīng)用，指出需要解決的問題和未來的展望。

同時，為了有效抵抗沖擊和爆炸下的高強(qiáng)度高應(yīng)變率載荷，越來越多的被攻擊和防護(hù)目標(biāo)已由原來的單層材料改為了由多層介質(zhì)（通常為硬—軟—硬三明治介質(zhì)）組成的結(jié)構(gòu)。這種復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)目前在地面軍事建筑、地下防護(hù)工程等方面應(yīng)用廣泛。工程實踐表明，具有軟夾層的硬—軟—硬（H—S—H）多層介質(zhì)具有較明顯的抗沖擊與爆炸能力。這種組合的優(yōu)點是：硬層能抗擊近距離的爆炸波作用，充分發(fā)揮其強(qiáng)度與剛度效應(yīng)；軟層一般由多孔泡沫材料組成，波阻抗低，強(qiáng)度與剛度低，變形大，在吸收爆炸波能量的同時，能起到削波和改變波形以及增加波的脈寬的作用。

復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)在工事防護(hù)方面的應(yīng)用已比較成熟，但對其在艦船抗沖擊中的應(yīng)用還有待于進(jìn)一步研究。因此，可以考慮將復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)引入到艦船殼體構(gòu)成復(fù)合殼體，開展其損傷特性研究，對于提高艦船抗沖擊性能有著重要的意義。

2.2 應(yīng)力波在復(fù)合殼體中的傳播

裝藥爆炸后形成的水中沖擊波經(jīng)過一定距離的衰減到達(dá)復(fù)合殼體表面時，其壓力已降低到一定的程度。這時再在固體介質(zhì)中傳播，可視為應(yīng)力波。而該表面的沖擊波壓力可視為應(yīng)力波的初始壓力。復(fù)合殼體由多層介質(zhì)層合而成，研究應(yīng)力波在介質(zhì)中的傳播機(jī)理，尤其是“軟介質(zhì)”對應(yīng)力波的吸收、衰減作用，也尤為重要。

國外學(xué)者M(jìn)ourtize對高分子復(fù)合材料的防爆性能和機(jī)理進(jìn)行了理論分析和實驗。國內(nèi)學(xué)者王禮立對爆炸沖擊波在多孔鋁、硬質(zhì)泡沫塑料等輕質(zhì)多孔疏松材料的傳播規(guī)律和沖擊性能進(jìn)行了理論和實驗分析，研究結(jié)果表明輕質(zhì)多孔材料不僅可以吸收沖擊波和飛片的沖擊能量，也能夠減緩主體材料的破損。王海福對多孔鐵和聚氨酯泡沫塑料的孔隙度與爆炸沖擊波衰減程度作了理論和實驗分析，結(jié)果表明隨著材料的孔隙度增大，沖擊波衰減程度顯著下降。胡時勝等對多種多孔泡沫材料進(jìn)行了高應(yīng)變率實驗，提出了包括應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變率和密度等參量的本構(gòu)關(guān)系，合理地分析了沖擊波在泡沫材料中的傳播特性，提出了多孔材料受沖擊載荷作用下破壞波（壓實波）的概念 。 DYNA程序?qū)φY(jié)構(gòu)在水下爆炸沖擊載荷作用下的沖擊環(huán)境進(jìn)行了仿真。張振華等 運用DYTRAN對水下爆炸沖擊波作用下自由環(huán)肋圓柱殼動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值仿真研究。

3 復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)水下爆炸沖擊損傷數(shù)值模擬

4 結(jié)束語

爆炸動力學(xué)過程非常復(fù)雜，很難進(jìn)行精確的解析分析，數(shù)值分析是有效的近似手段。對于艦船復(fù)合殼體遭受爆炸沖擊后出現(xiàn)的變形、破裂情況，解析的方法只能在極度簡化的情況下給予簡單的描述，通過實驗手段研究則耗資過于巨大。近年來利用數(shù)值模擬技術(shù)研究爆炸沖擊載荷作用下動態(tài)響應(yīng)迅速發(fā)展。數(shù)值模擬方法建立在連續(xù)介質(zhì)力學(xué)守恒方程的基礎(chǔ)上，可以完整地描述出系統(tǒng)的應(yīng)力，應(yīng)變以及破壞情況的時間歷程曲線。數(shù)值模擬方法已經(jīng)成為研究爆炸沖擊響應(yīng)的重要輔助手段。

按照所選用的坐標(biāo)系分類，數(shù)值計算可以選用Lagrange坐標(biāo)和Euler坐標(biāo)。Lagrange坐標(biāo)固結(jié)在物質(zhì)上隨物質(zhì)一起運動和變形。由于一個網(wǎng)格始終對應(yīng)一塊物質(zhì)團(tuán)，因此能準(zhǔn)確的描述不同部分材料的不同壓力歷程，容許對不同部分材料采用不同的本構(gòu)關(guān)系，這是Lagrange坐標(biāo)的優(yōu)點;Lagrange坐標(biāo)的缺點是當(dāng)物質(zhì)發(fā)生大變形時，網(wǎng)格也會發(fā)生大變形乃至扭曲，這樣會導(dǎo)致計算的不穩(wěn)定。特別是在處理爆炸沖擊等問題時。Euler方法的節(jié)點固定在空間中，由相關(guān)節(jié)點連接而成的單元僅僅是空間的劃分。Euler網(wǎng)格是一個固定的坐標(biāo)系，分析對象的材料在網(wǎng)格中流動。材料的質(zhì)量、動量以及能量從一個單元流向另一個單元。因此，Euler法計算的是材料在體積恒定的網(wǎng)格中的運動。Euler法主要用于流體流動問題的分析以及固體材料發(fā)生很大變形的情況。

水下爆炸還涉及到?jīng)_擊波和結(jié)構(gòu)體相互耦合作用的問題。流－固耦合問題一直是水下爆炸研究工作中的一個難點。而組合Lagrange和Euler方法的雜交技術(shù)，即ALE算法，可以很好地解決這一問題。

目前廣泛應(yīng)用于水下爆炸方面的有限元軟件有NASTRAN、ADINA、DYNA、ASKA、ANSYS、ABQUAS、DYTRAN等,它們都考慮了結(jié)構(gòu)響應(yīng)的材料非線性和幾何非線性。

國外學(xué)者采用USA/DYNA3D程序計算了圓柱殼在水下爆炸側(cè)向沖擊作用下的非線性動態(tài)響應(yīng)。國內(nèi)姚熊亮等利用

前已述及，不斷深入研究艦船抗沖擊是保證艦員生命安全的關(guān)鍵。開展復(fù)合材料層合殼體結(jié)構(gòu)在水下爆炸作用下的損傷研究，在艦船抗沖擊數(shù)值仿真模型化的基礎(chǔ)上，還需要進(jìn)行實船爆炸實驗以驗證仿真的結(jié)果，同時，試驗所得的數(shù)據(jù)又可以作為進(jìn)一步仿真的參數(shù)，兩者結(jié)合開展，才能使復(fù)合材料層合殼體結(jié)構(gòu)在艦船抗沖擊中的應(yīng)用更加成熟，使艦船抗沖擊技術(shù)體系研究不斷深入。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2010.22.065

傅磊（1987-），男，海軍潛艇學(xué)院在讀碩士，研究方向為水下爆破裝備技術(shù)與應(yīng)用。