砰擊載荷下船舶復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷及防護(hù)結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展

高智勇，陳偉軍

(海軍裝備部駐廣州地區(qū)軍事代表局，廣東 廣州 510620)

0 引 言

船舶航行砰擊以及船體結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征規(guī)律及其相關(guān)機(jī)理研究，長期得到船舶設(shè)計(jì)領(lǐng)域研究者們的密切關(guān)注。從研究問題角度來看，目前該領(lǐng)域的研究和發(fā)展工作主要集中在2 個(gè)方向：一是砰擊載荷特征規(guī)律研究；二是船體結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征規(guī)律研究。其中砰擊載荷特征規(guī)律大多體現(xiàn)為對砰擊現(xiàn)象的數(shù)值仿真、試驗(yàn)測試以及規(guī)范計(jì)算等方法類的研究，具有較強(qiáng)研究價(jià)值。然而，由于同時(shí)具有整體性、局部性以及結(jié)構(gòu)形式和材料的多樣性特點(diǎn)，船體結(jié)構(gòu)砰擊響應(yīng)特征規(guī)律的研究，更具實(shí)際工程價(jià)值。隨著復(fù)合材料高速船艇及船體典型部（構(gòu)）件應(yīng)用需求的不斷增長，新型結(jié)構(gòu)形式的不斷涌現(xiàn)，以及研究手段的日益成熟，復(fù)合材料層合、夾層以及新型結(jié)構(gòu)形式的砰擊損傷及其失效等系列科學(xué)問題的研究已形成該領(lǐng)域近年來的研究熱點(diǎn)。本文將從砰擊載荷特征規(guī)律、研究方法、結(jié)構(gòu)響應(yīng)及防護(hù)機(jī)理等4 方面進(jìn)行研究進(jìn)展分析。

1 砰擊載荷特征規(guī)律

1.1 砰擊載荷生成與影響因素

砰擊載荷的影響因素較多，主要包括砰擊體入水初速、結(jié)構(gòu)幾何形狀、結(jié)構(gòu)的彈性、流固耦合效應(yīng)、空氣墊效應(yīng)、結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、波浪的表面形狀以及結(jié)構(gòu)的入水角度等。

在結(jié)構(gòu)砰擊問題研究的初期，多為針對剛性楔形體入水問題的研究，馮·卡門[1]和瓦格納[2]提出了砰擊壓力預(yù)報(bào)公式，其中入水速度和結(jié)構(gòu)體的斜升角是影響砰擊載荷峰值的重要因素。此后，入水速度[3–6]和結(jié)構(gòu)外形特征對砰擊載荷的影響作用成為該領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)，結(jié)構(gòu)形式也從早期的楔形體、球體等逐漸向圓柱體、圓錐體、加筋板、局部結(jié)構(gòu)發(fā)展，研究工作延續(xù)性[7–10]如今也已較為完善。20 世紀(jì)末及21 世紀(jì)初，研究者們已不滿足于結(jié)構(gòu)剛性體的假設(shè)，對結(jié)構(gòu)彈性效應(yīng)的研究[11–14]，以及流固耦合問題[15–21]的探討逐漸成為主流。

空氣墊效應(yīng)雖然被發(fā)現(xiàn)的時(shí)間較早（20 世紀(jì)60 年代后期），Chuang[9–10]最先通過高速攝影機(jī)在試驗(yàn)中觀測到了此類現(xiàn)象。同樣由于技術(shù)條件的限制，針對此問題的探討在近年來才開始進(jìn)行[22–25]，并且由于空氣墊效應(yīng)產(chǎn)生的條件也較為嚴(yán)格，對其探討一般視結(jié)構(gòu)形式而定，結(jié)構(gòu)越接近平板，該現(xiàn)象越容易出現(xiàn)。此外，空氣墊效應(yīng)會(huì)適當(dāng)降低結(jié)構(gòu)的砰擊壓力，忽略此現(xiàn)象一定程度上有利于結(jié)構(gòu)的安全性設(shè)計(jì)。

結(jié)構(gòu)質(zhì)量對結(jié)構(gòu)砰擊響應(yīng)的影響程度如何，現(xiàn)階段研究中尚未給出明確的結(jié)果，且相關(guān)資料較少。部分學(xué)者結(jié)構(gòu)質(zhì)量對結(jié)構(gòu)砰擊的影響程度研究了[26–29]，王珂[28]認(rèn)為可以參考Peseux[13]提出的結(jié)構(gòu)質(zhì)量系數(shù)來研究結(jié)構(gòu)質(zhì)量對砰擊壓力峰值的影響，發(fā)現(xiàn)在結(jié)構(gòu)質(zhì)量增加到一定值（50~300）后，結(jié)構(gòu)的入水砰擊過程相當(dāng)于結(jié)構(gòu)等速入水。因此，可以認(rèn)為，對于結(jié)構(gòu)質(zhì)量而言，結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)中受影響最大的參數(shù)為加速度，至于結(jié)構(gòu)質(zhì)量對其他參數(shù)的影響，還有待進(jìn)一步研究。

圖1 壓力隨質(zhì)量系數(shù)變化曲線（不同初速度的6°回轉(zhuǎn)體入水情況）Fig. 1 Pressure versus mass coefficient curve (6 ° water entry condition of revolving body)

除上述主要影響因素之外，波浪表面形狀[30–31]、結(jié)構(gòu)的入水角度[32–33]在砰擊問題中也會(huì)對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響，但是相關(guān)研究的文獻(xiàn)較少，所受到的關(guān)注度不高。此外，Ochi 等[34]學(xué)者發(fā)現(xiàn)，考慮波浪表面形狀后，砰擊載荷小于靜水中產(chǎn)生的載荷；結(jié)構(gòu)的砰擊問題一般多為垂直砰擊入水，也有部分學(xué)者討論了以一定角度入水的情況，發(fā)現(xiàn)改變?nèi)胨嵌群蠼Y(jié)構(gòu)砰擊壓力峰值會(huì)隨之減小。因此，可以認(rèn)為在研究結(jié)構(gòu)砰擊響應(yīng)過程中，可以忽略波浪表面形狀與結(jié)構(gòu)的入水角度的影響，此時(shí)結(jié)構(gòu)將偏于安全。

1.2 砰擊載荷分布特征規(guī)律

砰擊載荷的分布特征一般與結(jié)構(gòu)形式密切相關(guān)，一般而言，載荷分布特征主要包括載荷峰值、載荷時(shí)程分布、載荷空間分布。早期研究中?；诰€性假設(shè)，以Wagner 的理論公式為基礎(chǔ)，針對預(yù)報(bào)砰擊壓力載荷峰值所開展的工作較多。近年來，隨著試驗(yàn)方法不斷改進(jìn)以及數(shù)值仿真方法的日趨成熟，為深入研究此類問題提供了更加高效的手段。在試驗(yàn)過程中，各類高精度傳感器可以準(zhǔn)確地獲取載荷大小、作用時(shí)間等特征，數(shù)值分析結(jié)果能夠直觀地了解砰擊載荷的分布規(guī)律，同時(shí)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。

1.2.1 壓力峰值規(guī)律

砰擊載荷作用過程中結(jié)構(gòu)表面會(huì)承受砰擊壓力，載荷的典型表現(xiàn)形式為脈沖式如圖2 和圖3 所示。其峰值與入水速度密切相關(guān)。眾多學(xué)者對壓力峰值的影響因素和預(yù)報(bào)方法開展研究。

圖2 二維結(jié)構(gòu)砰擊壓力曲線Fig. 2 Slamming pressure curve of 2D structure

圖3 三維結(jié)構(gòu)砰擊壓力曲線Fig. 3 Slamming pressure curve of 3D structure

針對二維結(jié)構(gòu)而言，姜偉[5]以斜升角為45°的剛性楔形體為研究對象，通過試驗(yàn)方法，得到入水速度、入水高度對砰擊壓力峰值影響如圖4 和圖5 所示。可以看出，測點(diǎn)的砰擊壓力峰值與入水速度正相關(guān)，且沿垂向遞減分布，縱向保持一致。

圖4 垂向測點(diǎn)壓力峰值隨入水速度曲線Fig. 4 Curve of peak pressure of vertical measuring point with water entry velocity

圖5 縱向測點(diǎn)壓力峰值隨入水速度曲線Fig. 5 Curve of peak pressure of longitudinal measuring point with water entry velocity

針對三維實(shí)體結(jié)構(gòu)以及實(shí)船結(jié)構(gòu)，眾多學(xué)者同樣進(jìn)行了深入研究。尤惲[35]以二維首部結(jié)構(gòu)為對象開展試驗(yàn)，對砰擊載荷作用在船首表面的砰擊壓力分布情況進(jìn)行研究?？傮w而言，砰擊壓力峰值與入水速度正相關(guān)，與斜升角負(fù)相關(guān)。在斜升角增加到一定范圍時(shí)，入水壓力峰值主要取決于入水速度，斜升角的影響程度減弱。在此基礎(chǔ)上，對三維船首結(jié)構(gòu)的入水砰擊壓力及結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行研究，擬合得到砰擊載荷預(yù)報(bào)公式，對不同工況下的砰擊載荷進(jìn)行預(yù)測分析（β為斜升角，v為速度）。

1）同一斜升角、不同入水速度時(shí)的壓力峰值：

2）同一入水速度、不同斜升角時(shí)的載荷系數(shù)：

3）不同斜升角、不同入水速度時(shí)的壓力峰值：

1.2.2 空間分布規(guī)律

砰擊載荷的分布主要取決于結(jié)構(gòu)的幾何特征，比如結(jié)構(gòu)斜升角，該因素會(huì)影響流固耦合作用的程度，以及引起空氣墊效應(yīng)等，進(jìn)而可能導(dǎo)致載荷分布不均勻、載荷作用曲線振蕩等現(xiàn)象。但是，典型結(jié)構(gòu)的砰擊載荷分布規(guī)律具有一定的相似性。針對最簡單的楔形體結(jié)構(gòu)，從流場的壓力分布圖可以看出，流場內(nèi)的壓力波峰值基本位于楔形體表面，并隨著楔形體入水深度的增加，沿著楔形體表面向上移動(dòng)[11]；此外，針對三維回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，砰擊載荷的分布也具有相似特征，模型測點(diǎn)及載荷隨時(shí)間變化曲線如圖6~圖9 所示[14]。

圖6 楔形體測點(diǎn)分布（h=0.4 m）Fig. 6 Distribution of wedge measuring points (h = 0.4 m)

圖7 楔形體砰擊壓力（h=0.4 m）Fig. 7 Wedge slamming pressure (h = 0.4 m)

圖8 圓錐體測點(diǎn)分布（h=0.4 m）Fig. 8 Distribution of cone measuring points (H = 0.4 m)

圖9 圓錐體砰擊壓力（h=0.4 m）Fig. 9 Slamming pressure of cone (h = 0.4 m)

圖10 高速船船體夾層結(jié)構(gòu)損傷（橫骨材發(fā)生破壞明顯）Fig. 10 Damage of hull sandwich structure of high speed ship

1.2.3 時(shí)間分布規(guī)律

船舶結(jié)構(gòu)在遭受砰擊時(shí)，波浪與結(jié)構(gòu)之間往往具有較高的相對速度，砰擊載荷作用時(shí)間較短。統(tǒng)計(jì)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)后，并參考結(jié)構(gòu)的砰擊載荷時(shí)間曲線，不難總結(jié)出，砰擊載荷作用時(shí)間一般為0.1 s 級，整個(gè)過程作用時(shí)間基本在1 s 內(nèi)，且結(jié)構(gòu)的不同位置砰擊壓力峰值的作用時(shí)間不同。

2 結(jié)構(gòu)砰擊損傷研究方法

針對結(jié)構(gòu)砰擊問題，本文從理論、數(shù)值、試驗(yàn)3 個(gè)方面進(jìn)行闡述。

在理論分析方面，馮卡門[1]在20 世紀(jì)20 年代后期最早開始了砰擊問題研究，提出了砰擊壓力的預(yù)報(bào)公式。1932 年瓦格納[2]以任意剖面小傾角模型為計(jì)算對象，考慮了結(jié)構(gòu)沖擊時(shí)的液面升高現(xiàn)象，忽略空氣墊影響，計(jì)算給出該模型砰擊壓力分布，有效解決結(jié)構(gòu)物入水砰擊過程中的受力狀況計(jì)算難題，后續(xù)的理論研究工作也多為在該理論基礎(chǔ)上的改進(jìn)[39–40]。

在數(shù)值研究方面，結(jié)構(gòu)砰擊是固、液、氣3 種介質(zhì)耦合作用的復(fù)雜過程，且理論求解難度較大，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，數(shù)值計(jì)算方法為解決此類問題提供了新的思路。數(shù)值方法成本較低，且能夠綜合考慮各類影響因素，使得計(jì)算越來越接近真實(shí)情況[41–43]，計(jì)算所得各類云圖能夠提供豐富的信息。數(shù)值分析方法的關(guān)鍵要素包括求解模型的選取、影響因素的取舍、計(jì)算效率與計(jì)算精度。

在試驗(yàn)研究方面，雖然其成本較高，操作難度大，但是該方法能夠直接觀測試驗(yàn)現(xiàn)象，獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并可以驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算方法的有效性，因此試驗(yàn)在結(jié)構(gòu)砰擊的研究中扮演著重要的角色[44–46]?，F(xiàn)如今，試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵延啥S向三維轉(zhuǎn)變，越來越接近真實(shí)結(jié)構(gòu)；同時(shí)，借鑒工程實(shí)踐中的經(jīng)驗(yàn)公式一定程度上提高了試驗(yàn)的準(zhǔn)確性；此外，試驗(yàn)儀器與設(shè)備也在不斷發(fā)展與進(jìn)步，基于前人的經(jīng)驗(yàn)，測試方法與技巧不斷總結(jié)完善。

3 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)砰擊損傷特性

針對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的損傷失效是砰擊響應(yīng)的形式之一，結(jié)構(gòu)的損傷失效問題會(huì)嚴(yán)重影響其安全性。然而，針對結(jié)構(gòu)損傷失效的研究在近十幾年才有所起步。復(fù)合材料往往以材料自損破壞和彈性形變的形式吸收載荷沖擊能量，其中自損破壞形式有基體裂紋、斷層等不同表現(xiàn)形式，損傷擴(kuò)展機(jī)制更難以理論推解，一般常采用數(shù)值模擬的方法。且沈真等[47]將沖擊損傷分為無損傷狀態(tài)、前表面目視可見損傷狀態(tài)、穿透損傷狀態(tài)等類型。砰擊載荷屬于低速?zèng)_擊載荷，由其導(dǎo)致的損傷通常為目視幾乎不可見損傷狀態(tài)[47]，一般不表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)表面，展現(xiàn)形式通常為內(nèi)部脫粘、分層等，且容易在受沖擊結(jié)構(gòu)背面發(fā)生，帶來較大安全隱患。

層合板是復(fù)合材料最常見的一種結(jié)構(gòu)形式，針對層合板的損傷問題，B.Parga-Landa 等[57–58]對層合板的砰擊損傷問題開展研究，認(rèn)為砰擊載荷以應(yīng)力波的作用形式傳遞，在損傷模式上，發(fā)現(xiàn)層合板在各層材料的剛度（主要體現(xiàn)在楊氏模量）不匹配時(shí)容易出現(xiàn)損傷。

夾層結(jié)構(gòu)作為新型結(jié)構(gòu)形式之一，在工程實(shí)踐中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。Z Qin 等[60]研究發(fā)現(xiàn)芯層材料由于其橫向剪切變形吸收了較多的應(yīng)變能，表明使用夾芯材料可以有效地用于減輕砰擊所造成的結(jié)構(gòu)破壞。

對于船舶結(jié)構(gòu)而言，加筋板是構(gòu)成整體結(jié)構(gòu)的基本部件之一。孫海虹[63]在復(fù)合材料高速船極限承載力方向開展了大量有益研究，并得到復(fù)合材料帽型加筋板格的極限強(qiáng)度分析計(jì)算公式：

式中：γ、η均為無因次參數(shù)，為截面模數(shù)。

由于復(fù)合材料受砰擊后可能出現(xiàn)多種損傷形式，損傷形式的擴(kuò)展模式與金屬又存在較大差異，且影響因素較多。因此，當(dāng)復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于船舶結(jié)構(gòu)后，其在承受低速砰擊載荷時(shí)，結(jié)構(gòu)是否會(huì)產(chǎn)生損傷，以及在船舶服役期間內(nèi)，遭受反復(fù)砰擊載荷作用時(shí)，結(jié)構(gòu)的損傷形式以及裂紋擴(kuò)展方式應(yīng)該如何進(jìn)行預(yù)報(bào)，并根據(jù)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行針對性的防護(hù)，是值得重點(diǎn)研究的問題。

4 沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)及機(jī)理研究

目前提高結(jié)構(gòu)抗砰擊能力的思路主要有2 種：一是針對結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化，二是在結(jié)構(gòu)表層貼敷橡膠等吸能材料作為覆蓋層。結(jié)合我國各類船舶的功能要求以及結(jié)構(gòu)安全性指標(biāo)要求，國內(nèi)部分學(xué)者在沖擊防護(hù)領(lǐng)域開展了研究。

在結(jié)構(gòu)的抗砰擊性能設(shè)計(jì)問題方面，施軍[64]采用內(nèi)聚力理論模型對復(fù)合材料層合板分層規(guī)律開展有限元方法研究，并探討了結(jié)構(gòu)的抗砰擊優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，開展實(shí)船斷面模型跌落試驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)：在抗砰擊性能上，泡沫夾層結(jié)構(gòu)最優(yōu)，與靜態(tài)力學(xué)分析結(jié)果一致；芳綸和玻纖的混編纖維材料對抗砰擊性能有較大增益；由于結(jié)構(gòu)性能不連續(xù)，橫骨材附近分層大量破壞。

此外，在艦船抗爆抗沖擊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，采取內(nèi)置液艙等新型結(jié)構(gòu)形式取得了良好的效果[65–66]。對于抗砰擊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)而言，可以借鑒內(nèi)置液艙在艦船抗毀傷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的經(jīng)驗(yàn)。然而，在砰擊與反復(fù)砰擊載荷的作用下，內(nèi)置液艙防護(hù)效果以及防護(hù)機(jī)理的研究工作鮮見報(bào)道，值得進(jìn)一步研究。

5 結(jié) 語

在船用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用的背景下，砰擊載荷對結(jié)構(gòu)的損傷失效問題的關(guān)注度越來越高，針對防護(hù)結(jié)構(gòu)的研究逐漸成為了熱點(diǎn)問題。那么，對于復(fù)合材料微曲率殼板而言，從結(jié)構(gòu)防護(hù)的角度來看，含孔柔性層難以適應(yīng)船舶特殊部位結(jié)構(gòu)的功能需求，均質(zhì)柔性層是否能夠有效提高復(fù)合材料殼板的抗損傷特性？內(nèi)置封閉液艙結(jié)構(gòu)防護(hù)機(jī)理及效果如何？此外，上述2 種方式對殼板穩(wěn)定性的影響規(guī)律如何，均是值得研究的問題；從結(jié)構(gòu)損傷形式的評估角度來看，基于艦船在復(fù)雜海況航行的工程背景，如何對結(jié)構(gòu)受多次砰擊后的極限強(qiáng)度以及損傷容限進(jìn)行預(yù)報(bào)，同樣具有重要的研究價(jià)值，需進(jìn)一步研究。