隔声去耦瓦抗冲击性能数值研究

汪 玉 钱德进 曾令玉 姚熊亮

1海军装备研究院 舰船所，北京100073

2哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江 哈尔滨150001

隔声去耦瓦抗冲击性能数值研究

汪 玉1钱德进2曾令玉2姚熊亮2

1海军装备研究院 舰船所，北京100073

2哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江 哈尔滨150001

在水下结构表面敷设隔声去耦材料是应用最广泛也是非常有效的一种提高水下航行器隐身性能的方法。但由于隔声去耦瓦含有空腔的特殊结构形式，该空腔结构形式在受到爆炸冲击波时，腔体将产生变形并吸收能量，这必然会对水下航行器的抗冲击性能产生影响。基于有限元法，通过改变敷设在结构表面的隔声去耦瓦性能参数（包括空腔结构形式、空腔尺寸及材料厚度等），采用ABAQUS大型非线性动力学分析软件，对隔声去耦瓦空腔结构变形与冲击波能量吸收之间的关系进行了研究，得到了隔声去耦覆盖层空腔结构变形、速度及加速度与冲击波能量吸收之间的关系，并在此基础上，给出兼具抗冲和隔振功能的声学覆盖层结构设计建议。结果表明在声学覆盖层满足结构减振降噪要求情况下，建议尽量减小声学覆盖层的腔体形状。

板结构；双层圆柱壳；隔声去耦瓦；爆炸冲击波；抗冲击性能

1 引言

声学覆盖层技术是潜艇隐身的一项关键技术，也是提高潜艇隐身性能最常见的一种方法，国内外学者均对其声学特性进行了大量的研究［1－5］。某型隔声去耦覆盖层由多层粘弹吸声材料层合而成，并在内部设置了空腔结构，在多种因素的共同作用下，具有明显的减振降噪效果［6］。与此同时，由于隔声去耦瓦含有空腔的特殊结构形式，该空腔结构形式在受到爆炸冲击波时，腔体将产生变形并吸收能量，这必然会对水下航行器的抗冲击性能产生影响。因此，深入探讨隔声去耦瓦对水下爆炸冲击波的吸收作用，开展隔声去耦瓦对水下结构冲击环境的影响研究，充分评估敷设隔声去耦瓦前后结构的冲击环境，找到隔声去耦瓦对水下结构冲击环境的影响随去耦瓦性能参数的变化关系，并在此基础上通过改变空腔几何形状等相应的性能参数对隔声去耦瓦进行优化，使其不仅能够较好地降低结构的辐射噪声、抑制结构振动，还能够在水下爆炸冲击波作用下，起到吸收冲击波能量的作用，进而明显改善水下航行器的冲击环境，是迫切需要解决的问题。目前国内外对水下声学材料抗冲击性能的研究报道还较少。刘建湖［7］采用DAA法对声学材料厚板一维模型在水中冲击波作用下的动响应进行研究，初步给出了采用DAA法计算声学材料冲击特性的计算方法。

本文首先以某一板为例，研究了敷设隔声去耦瓦的板在冲击波载荷作用下的抗冲性能；由于加筋双层圆柱壳结构是水下航行器的主要结构形式，所以最后对敷设隔声去耦瓦的双层圆柱壳的抗冲性能进行了讨论，这对于水下结构的抗爆设计具有重要的参考意义。

2 计算理论

2.1 炸药爆轰过程

在研究爆炸现象时，需从确定炸药与其周围介质之间的边界物理条件出发，建立状态方程式，描述炸药的爆轰过程。爆轰压力P和每单位体积内能E及相对体积V的关系采用JWL（Jones－Wilkins－Lee）［8］状态方程加以描述。即：

式中：ω、A、B、R1、R2是输入参数，适用于各种凝态炸药。

为了研究冲击波在流体中的传播，必须从力学基本定律出发建立理想流体的运动微分方程。略去热传导和粘性的影响，并认为流速或内能对时间连续。

对于给定的爆炸，任意一点上的压力仅与炸药当量有关，峰值压力Pm可按指数规律近似给出：

式中：W为炸药当量；R为距爆心距离；k、α是常系数，通常取k＝533，α＝1.13。

2.2 冲击波波阵面压力随时间变化

冲击波超压随时间的变化规律Δp（t）可简单地用指数函数描述［9，10］：

而pm值由公式（2）求得；冲击波波形随时间的变化曲线如图1所示。

图1 冲击波p（t）曲线

2.3 应力波在结构中传播

应力波是一种稀疏波，其在连续介质中的传播速度为：

其中，E是介质材料的弹性模量；ρ是介质材料密度；μ为泊松比。对于船用903钢E＝2e11 Pa，ρ＝7 800 kg／m3，于是c＝5 064 m／s。由此可见，应力波在介质中的传播速度非常高。应力波在介质中传播时，如果遇到空隙、不同的介质或边界，它就会产生折射和反射，从而产生波与波的聚焦作用，可能产生高应力区，诱发材料的破损。为了使计算中不漏掉这样的危险点，必须保证每一个时间步长内应力波不会越过2个单元。一般认为时间步长Δt满足：

其中，L为最小网格单元尺寸；c为材料中的声速，k是小于1的系数。

3 敷设隔声去耦瓦的板结构抗冲击性能研究

3.1 计算模型

隔声去耦瓦结构如图2～图3所示，隔声层材料厚度为B1，吸声层、阻尼层材料厚度为B2，两空腔结构上下径及高度尺寸分别为 d1、d2、d3、d4。图4给出了板结构的几何模型以及边界条件。

由于声学覆盖层结构是由橡胶材料组成的，而橡胶材料在弹性范围内具有高度的非线性，且在大变形时 （通常超过100%）仍保持为弹性，因此，声学覆盖层结构材料的本构关系不能由简单的线弹塑性模型来描述，对于橡胶材料，其本构关系应由超弹性（hyperelasticity）模型来描述。在水下爆炸等产生高应变率现象的数值试验中，描述钢材动态特性［11］的材料模型有两种，本文中钢板采用Plastic－Kinematic模型，且均采用体单元进行网格划分。

图2 隔声去耦瓦结构示意图

图3 隔声层结构几何图

图4 结构几何模型

3.2 模型载荷及考核点

图5给出了爆心与结构剖面相对位置，图中示出了：自由表面S0（0压力边界）、与流场相连的结构湿表面Ssw、与结构表面相连的流体表面Sfw以及流体边界Sinf（无反射边界）。爆炸载荷源点S， S点位于隔声去耦瓦正下方30 m处，设定冲击波传播过程中最先到达结构表面的点为A点。ABAQUS分析水下爆炸时提供两种方法：散射波公式和总波公式。对于散射波公式，流体是线性的，忽略了流体的气穴现象。所谓的气穴现象就是指冲击波到达自由面后，使水面快速上升，并在一定的水域内产生很多空泡层，最上层的空泡层最厚，向下逐渐变薄。随着静水压力的增加，超过一定的深度后，便不再产生空泡；对于总波公式，可以考虑流体的气穴现象，流场静压也可以包括在内，如果想得到流场中总的压力则可以采用总波公式。本文采用的是散射波公式，忽略了流体的气穴现象和流体静压的影响，没有考虑气泡效应［12］。板结构考核点取在板正中心。

图5 模型结构与爆心关系示意图

3.3 工况描述

由于隔声去耦瓦材料的物理特性是确定的，故在对敷设隔声去耦瓦的板结构抗冲特性进行研究时，通过改变隔声去耦瓦结构空腔形状、空腔尺寸及隔声去耦层厚度等参数对其进行研究；隔声去耦瓦结构尺寸参数及各工况详见表1，模型具体的计算工况见表2。（其中B，H，d的含义见图2）。

表1 隔声去耦瓦尺寸参数（cm）

3.4 结果分析

3.4.1 板结构抗冲性能随隔声去耦瓦尺寸变化关系

首先讨论敷设隔声去耦瓦结构随隔声去耦瓦尺寸的变化关系，图6（a）～图6（c）给出了冲击波载荷作用下，不敷设隔声去耦瓦和敷设不同厚度隔声去耦瓦时结构的加速度、动能及内能变化关系。

表2 模型工况表（cm）

图6 隔声去耦瓦冲击性能随结构尺寸的变化关系

从图6可以看出，敷设不同厚度隔声去耦瓦时板结构的加速度、动能、内能等均不相同。由图6（a）可以看出，当敷设一定厚度的隔声去耦瓦结构时，板中心加速度会有所提高；但随着隔声去耦瓦厚度的增大，板中心加速度变化不大。由图6（b）～图6（c）可以看出，敷设隔声去耦瓦后钢板结构的动能及内能都有较大的提高，随着隔声去耦瓦结构厚度的增加，板架结构的最大内能在不断增加；板架结构的最大动能随隔声去耦瓦结构厚度的增加有所减小，但相对于不敷设隔声去耦瓦结构仍有较大提高。可见尽管板架吸收的能量仅占系统能量的一小部分，但仅此部分能量也较没有敷设隔声去耦瓦时系统吸收的能量偏大，这说明敷设隔声去耦瓦后系统从外界吸收的能量有了很大提高。即从能量方面考虑，由于隔声去耦瓦的存在使得结构变得更加危险。而从加速度方面考虑，则隔声去耦瓦结构的存在使得结构考核点的最大值略有减小。

3.4.2 板结构抗冲性能随隔声去耦瓦腔形的变化关系

下面讨论板架结构随隔声去耦瓦形状的变化关系。图7（a）～图7（c）给出了冲击波载荷作用下，不敷设隔声去耦瓦和敷设不同腔形隔声去耦瓦时钢板结构的加速度、动能、内能变化关系。

图7 隔声去耦瓦冲击性能随腔型的变化关系

由图7（a）可以看出，不论是否开设空腔，敷设隔声去耦瓦材料后，板架结构的加速度均较不敷设隔声去耦瓦时偏大，不开设空腔时板结构加速度较开设空腔时偏小；从图中亦可看出，不敷设隔声去耦瓦材料时，板中心加速度曲线随时间的衰减较小，敷设隔声去耦瓦后板中心加速度、速度、位移曲线随时间的衰减较快，这说明隔声去耦瓦具有良好的阻尼效果。由图6（b）～图6（c）可以看出，敷设隔声去耦瓦后板结构的动能及内能都有较大的提高；当不开设空腔结构时，板结构的内能及动能较开设空腔结构时有所减小，但仍较不敷设隔声去耦瓦时的情况偏大。

4 敷设隔声去耦瓦的双层壳抗冲击性能研究

4.1 计算模型

隔声去耦瓦结构模型及圆柱壳结构模型如图8所示。

图8 结构几何模型

4.2 模型载荷及考核点

图9（a）给出了爆心与结构剖面相对位置；图9（b）给出了内外壳板考核点的位置。在计算水下爆炸冲击波时，装药量为806 kg TNT。

图9 爆心位置与结构考核点示意图

4.3 结果分析

4.3.1 圆柱壳抗冲击性能随不同敷设部位变化规律

首先讨论圆柱壳冲击特性随不同敷设部位的变化规律。通过对比圆柱壳内壳外表面敷设、外壳内表面敷设、外壳外表面敷设以及壳体表面不敷设隔声去耦瓦4种情况下壳体的冲击特性来确定合适的敷设部位。计算工况见表3，其中各工况下隔声去耦瓦厚度均为3 cm，空腔形状为圆台，其高度为2 cm，上表面半径为0.5 cm，下表面半径为1 cm。

表3 计算工况

表4给出了双层壳结构各计算工况的详细对比结果。

表4 模型工况计算结果

从表4可以更直观地看出双层壳结构最大加速度、速度、位移、最大内能及动能在敷设隔声去耦瓦前后的变化情况。可以看出，敷设隔声去耦瓦后，圆柱壳结构的最大动能均有不同程度的减小，其中外壳内表面敷设隔声去耦瓦时结构的最大动能减小最明显，降幅达14.8%；内壳敷设隔声去耦瓦时结构的最大内能有少量增加，但不明显，外壳内表面敷设时最大内能有明显的降低，降幅达20.6%，外壳外表面敷设时，壳体最大内能也有一定的降低。由此可见，敷设隔声去耦瓦后壳体结构的总能量有所降低，且在外壳内表面敷设时，壳体能量降幅最大，使壳体结构的破坏环境有所减弱。而从加速度、速度、位移方面考虑，外壳表面敷设隔声去耦瓦后圆柱壳结构的冲击环境变得更加恶劣，而内壳表面敷设时，壳体的冲击环境变化不大，甚至略有好转。

4.3.2 圆柱壳抗冲击性能随去耦瓦厚度变化规律

通过上一节分析得到，内壳外表面敷设隔声去耦瓦时，壳体的抗冲击性能有较大改善。接下来将研究内壳外表面敷设隔声去耦瓦时，覆盖层厚度变化对壳体的冲击特性的影响。具体的工况见表5，其中隔声去耦瓦空腔尺寸及形状与前一小节相同。

表6给出了以上各工况下，壳体结构的最大内能、最大动能、内壳以及外壳的最大加速度值。

表5 计算工况

表6 模型工况计算结果

从表6可以明显看出，壳体最大动能以及内壳的最大加速度随着隔声去耦瓦厚度的增加呈下降的趋势，且当覆盖层厚度为4.5 cm时，内壳加速度降幅达33.1%；而壳体的最大内能随厚度的变化不太明显，最大增幅不过0.75%；外壳最大加速度的变化趋势较为复杂，且当覆盖层厚度为3.5 cm时，外壳加速度降幅最大，达17.34%。

另外，通过大量的数值计算，结构的抗冲性能随隔声去耦瓦厚度与壳板厚度比存在如下关系：假定隔声去耦瓦的厚度为t1，内壳厚度为t2，敷设隔声去耦瓦后壳体的最大动能为SA，不敷设隔声去耦瓦时壳体最大动能为Ss，敷设隔声去耦瓦后内外壳的最大加速度分别为An1和Aw1，不敷设隔声去耦瓦时内外壳的最大加速度分别为An和Aw，则通过前面大量的计算分析，SA／Ss、An1／An以及Aw1／Aw与t1／t2分别存在图10～图12所示的关系。

图10 SA／Ss与t1／t2之间的关系

图11 An1／An与t1／t2之间的关系

图12 Aw1／Aw与t1／t2之间的关系

由图10可以看出，当t1／t2较小时，SA／Ss先随t1／t2的增大而增长，当t1／t2达到一定程度后，SA／Ss又随t1／t2迅速递减，即从能量方面考虑，在壳体表面敷设隔声去耦瓦后，壳体结构的动能随着覆盖层厚度的增加先增大然后减小。由图11及图12可以看出，从加速度方面考虑，壳体的加速度变化趋势却不如能量方面规则，且当t1／t2介于1.6和1.8之间时，内壳加速度达到最小值，而外壳加速度却接近峰值，可见An1／An与t1／t2之间的关系曲线同Aw1／Aw与t1／t2之间的关系曲线呈相反的变化趋势，即内、外壳的加速度随覆盖层厚度变化有相反的变化趋势。由此可见，在水下航行器表面敷设隔声去耦瓦时，应综合考虑各方面的变化，否则将对水下结构的抗冲击性能产生负面影响。

4.3.3 圆柱壳抗冲击性能随去耦瓦腔形变化规律

本节将针对圆柱壳内壳表面敷设相同厚度隔声去耦瓦后壳体的抗冲性能随腔形的变化关系进行分析。具体的计算工况见表7，其中各工况下隔声去耦瓦厚度均为3 cm，圆台和圆柱形空腔高均为2 cm，圆台空腔上表面半径为0.5 cm，下表面半径为1 cm，圆柱空腔半径为1 cm。

为便于分析比较，表8给出了壳体各计算工况的详细对比结果。

表7 计算工况

表8 模型工况计算结果

从表8可以更明显地看出壳体的抗冲性能随隔声去耦瓦空腔形状的变化关系，可以看出：壳体的最大动能以及内外壳的最大加速度随空腔体积的增大呈增加的趋势，但变化的幅度很小；而壳体的最大内能较不敷设时几乎无变化，最大增幅不过0.76%。

5结 论

本文研究了敷设隔声去耦瓦板以及双层加筋圆柱壳的抗冲性能，可以得到以下结论：

1）板结构加速度、钢板结构的内能、动能先随声学覆盖层厚度的增大而增大；当声学覆盖层厚度超过一定厚度后，板结构加速度、内能、动能又有所减小，但板结构的加速度随声学覆盖层厚度的增大变化不大；

2）敷设同样厚度的声学覆盖层时，腔形对板结构的抗冲性能有较大影响：空腔越大，板架结构的内能、动能越大；空腔越小，板架结构的内能、动能越小；不开设空腔时，板架结构的内能、动能最小。隔声去耦瓦在满足结构减振降噪要求情况下，建议尽量减小隔声去耦瓦的腔体形状；

3）综合考虑加速度、速度、位移及能量，可以得出：在内壳外表面敷设隔声去耦瓦时结构的抗冲击性能较其他敷设部位好；

4）壳体表面敷设不同厚度的隔声去耦瓦后，从能量以及加速度方面考虑，壳体的冲击特性则遵循一定的曲线关系。内、外壳的加速度随覆盖层厚度变化有相反的变化趋势，在水下航行器表面敷设隔声去耦瓦时，应综合考虑各方面的变化，否则将对水下结构的抗冲击性能产生负面影响。

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Numerical Study on the Anti-shock Capability of Acoustic Insulated and Decoupled Tiles

Wang Yu1Qian De－jin2Zeng Ling-yu2Yao Xiong－liang2
1 Ship Institute，Navy Equipment Academy，Beijing 100073，China 2 College of Shipbuilding Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China

Covering of acoustic insulated and decoupled tile materials is the widely used and very efficient way to improve the hiding capability of underwater vehicles.However，these tiles have a unique structure with cavity inside which may distort and absorb energies under the impact of explosive shock waves and thus affects the anti-shock performance of underwater vehicles.Based on FEM，by changing the tile parameters（the cavity shape and dimension，the layer thickness，etc.），the relation between tile distortion and the impact energy absorption is investigated by general nonlinear dynamic software package－ABAQUS.As a result，the relation of tile layer distortion，velocity，and acceleration with respect to the energy absorption capability is established.Based on these relations，some suggestions are made to make balance between anti-shock performance and vibration isolating effect in design of the acoustic tile layers.The results show that once the noise and vibration control meet the requirements，the cavity shape of acoustic covering layer should be as minimum as possible.

plate structure；double cylindrical shell；acoustic insulated and decoupled tile；explosive shock wave；anti－shock capability

U661.4

A

1673－3185（2009）03－01－07

2008-12-29

国际科技合作基金资助项目（2007DFR80340）；船舶工业国防科技预研基金资助项目（07J 1.5.3）

汪 玉（1964－），男，研究员，博士生导师。研究方向：船舶与海洋工程结构动力学