分層結(jié)構(gòu)材料順序?qū)λ袥_擊波的影響研究

周方毅，陳 誠，詹發(fā)民，姜 濤，黃雪峰

(海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266042)

0 引 言

為了有效防御水中爆炸帶來的毀傷效應(yīng)，現(xiàn)代艦船普遍采用高強度合金鋼作為殼體，并且采用雙層殼體或者復(fù)合結(jié)構(gòu)[1-2]。但是，這種分層結(jié)構(gòu)不同材料的排列順序?qū)λ袥_擊波具有較大的影響[3-4]。因此，在為艦船或者水下航行器等裝備設(shè)計分層結(jié)構(gòu)時，在不影響整體布局的情況下，還需重點考慮材料的排列順序。

1 傳播理論模型

宋博等[5]提出了高壓下沖擊波在分層介質(zhì)中的傳播理論模型。高溫下固體材料通?？煽醋鳠o粘性的可壓縮流體，一般在p-u平面圖上處理水中沖擊波在不同介質(zhì)中的反射透射作用。由于高壓下，固體p-u曲線可近似由二次曲線p=Au2來描述，其中A值定性地反映了材料的軟硬程度。A值越大材料越硬，反之越軟。假設(shè)沖擊波的初始狀態(tài)為a（p0，u0），則材料1 經(jīng)過a的負向Hugoniot 曲線為：

其與材料2 的正向Hugoniot 曲線p=A2u2的交點即沖擊波由材料1 透射到材料2 中的狀態(tài)b，聯(lián)立兩式可得：

消除u，并考慮到p0=A1u02，可求得透射系數(shù)

由此推出傳到第n層的透射系數(shù)為：

式中：

令

若要達到最佳防護效果只需使透射系數(shù)tn取最小值，即tn′取最大值。

2 分層結(jié)構(gòu)模型

為研究水中沖擊波對水下航行器的毀傷效應(yīng)，建立水下航行器的結(jié)構(gòu)模型，如圖1 所示。

圖1 分層結(jié)構(gòu)模型示意圖Fig. 1 Layered structure model

當(dāng)該水下航行器遭遇水中兵器攻擊時，假設(shè)為非接觸爆炸，水中沖擊波通過水介質(zhì)傳入非耐壓殼體、軟介質(zhì)、中間水層、耐壓殼體等多層結(jié)構(gòu)，其中的反射透射作用非常復(fù)雜。

運用式（6）可以求出該分層結(jié)構(gòu)模型中不同材料的合理排列位置。對于上述模型，考慮到實際情況，最外面1 層（即水介質(zhì)層）與最里面2 層（耐壓殼體層、空氣層）的位置應(yīng)該固定不變。因此，只能通過調(diào)整中間水層與“軟介質(zhì)”的位置來確定一種具有最佳防護性能的結(jié)構(gòu)，即“軟介質(zhì)”貼于非耐壓殼體效果好還是貼于耐壓殼體效果好，貼于非耐壓殼體時是在外側(cè)好還是內(nèi)側(cè)好?；诖耍柩芯俊八橘|(zhì)－非耐壓殼體－軟介質(zhì)－中間水層－耐壓殼體－空氣”、“水介質(zhì)－非耐壓殼體－中間水層－軟介質(zhì)－耐壓殼體－空氣”與“水介質(zhì)－軟介質(zhì)－非耐壓殼體－中間水層－耐壓殼體－空氣”等3 種結(jié)構(gòu)中最為合理的排列順序。

假設(shè)各種材料的Hugoniot 曲線分別為p=A1u2（水介質(zhì)）、p=A2u2（非耐壓鋼板）、p=A3u2（軟介質(zhì)）、p=A4u2（耐壓鋼板）、p=A5u2（空氣），并有A4>A2>A1>A3>A5，若要達到最佳防護效果只需使透射系數(shù)tn取最小值，即tn′取最大值。比較“水介質(zhì)－非耐壓殼體－軟介質(zhì)－中間水層－耐壓殼體－空氣”第1 種結(jié)構(gòu)、“水介質(zhì)－非耐壓殼體－中間水層－軟介質(zhì)－耐壓殼體－空氣”第2 種結(jié)構(gòu)以及“水介質(zhì)－軟介質(zhì)－非耐壓殼體－中間水層－耐壓殼體－空氣”第3 種結(jié)構(gòu)的t′值大小，即可得出何種結(jié)構(gòu)更為合理。對于第1 種結(jié)構(gòu)有：

對第2 種結(jié)構(gòu)有：

對第3 種結(jié)構(gòu)有：

式（7）與式（8）相減可得：

式（8）與式（9）相減可得：

可知：tn′1

然而，該模型僅考慮了分層材料排列次序的不同對沖擊波的影響，沒有考慮每層材料本身對沖擊波的衰減，因此尚有不足之處。

3 試驗驗證

為驗證分層材料排列順序及材料厚度對水中沖擊波的影響，設(shè)計1 組對比試驗。取5 mm 厚的鋼板+1 mm 厚的橡膠板組合、5 mm 厚的鋼板+3 mm 厚的橡膠板組合、5 mm 厚的鋼板+1 mm 厚的橡膠板+2 mm厚的鋼板組合3 種材料進行水下試驗，均采用75 gTNT 接觸爆破。爆破效果分別如圖2～圖4 所示，3 種復(fù)合板凹陷深度分別為4.6 cm，3.2 cm，3.5 cm。

圖2 75 gTNT 接觸爆破雙層板（5 mm 厚的鋼板+1 mm 厚的橡膠板）Fig. 2 Contact blasting with 75 g TNT（5 mm armor plate + 1 mm rubber plate）

圖3 75 gTNT 接觸爆破雙層板（5 mm 厚的鋼板+3 mm 厚的橡膠板）Fig. 3 Contact blasting with 75 g TNT（5 mm armor plate + 3 mm rubber plate）

圖4 75 gTNT 接觸爆破3 層板（5 mm 厚的鋼板+1 mm 厚的橡膠板+2 mm 厚的鋼板）Fig. 4 Contact blasting with 75 g TNT（5 mm armor plate + 1 mm rubber plate + 2 mm armor plate）

試驗中當(dāng)橡膠板厚度由1 cm 增至3 cm 時，復(fù)合板凹陷深度由4.6 cm 降至了3.2 cm?？梢?，軟介質(zhì)的厚度對沖擊波的衰減具有較大的影響。但是，當(dāng)采用3 層板時，板的總厚度增加了2 mm，凹陷深度反而由3.2 cm 增加至3.5 cm。這與理論研究相吻合，即對于多層介質(zhì)的組合應(yīng)由介質(zhì)聲阻抗大的材料依次過渡到介質(zhì)聲阻抗小的材料，保證介質(zhì)聲阻抗比大于1。故從防護的角度來考慮，設(shè)計分層材料結(jié)構(gòu)時，在不影響整體布局情況下，應(yīng)合理考慮不同材料的排列順序。

4 結(jié) 語

本文通過建立水下航行器的分層結(jié)構(gòu)模型，運用高壓下沖擊波在分層介質(zhì)中的傳播理論模型計算得出分層結(jié)構(gòu)不同材料的合理排列順序，并進行了試驗驗證。理論研究和試驗驗證表明，分層結(jié)構(gòu)不同材料的排列順序?qū)λ袥_擊波的毀傷效果具有較大的影響。本文結(jié)論對艦船或者水下航行器采用分層結(jié)構(gòu)設(shè)計提升抗爆炸沖擊效果，具有一定參考價值。