复合材料层合壳体结构在舰船抗冲击中的应用

2010-02-15傅磊海军潜艇学院研究生队266071

中国科技信息 2010年22期

傅磊海军潜艇学院研究生队 266071

傅磊海军潜艇学院研究生队 266071

复合材料层合结构在工事防护方面的应用已比较成熟，但对其在舰船抗冲击中的应用还有待于进一步研究。因此，可以考虑将复合材料层合结构引入到舰船壳体构成复合壳体。本文综述了国内外关于水下爆炸作用基础理论，复合材料层合结构实际应用及数值模拟等方面的研究进展，对于提高舰船抗冲击性能有着重要的意义。

水下爆炸；复合材料；层合结构；舰船抗冲击

引言

舰艇在战时将不可避免地遭受水下爆炸冲击破坏，对船体及舰员都有一定程度的损伤。随着国防科技的不断发展，舰员抗冲击技术研究作为一项新的课题领域，已逐步展开相关论证，而解决这一问题的基础还是在于增强船体的抗冲击性能。近年来，我国在舰船抗冲击技术领域的研究迅速开展，其中复合材料层合结构防护在舰艇上的应用研究更是方兴未艾。为了最大限度的减小舰员损伤，保证舰艇的生命力和战斗力，还需要对舰船抗冲击技术进行不断深入研究。由于舰船抗冲击性能在很大程度上取决于舰船壳体的防护，开展复合材料层合壳体结构在舰船抗冲击中的应用研究很有必要。

1 水下爆炸载荷

水下爆炸载荷是舰船水下爆炸动力学研究的基础，水下爆炸载荷的形成大体可分为三个阶段：装药的爆轰、冲击波的产生和传播、气泡的形成和脉动。

美国人Cole早在1948年就对有关水中爆炸的物理效应做了系统的阐述, 介绍了水中爆炸所依从的基本规律、水中爆炸的实验研究方法及其破坏作用过程等。对冲击波、气泡的运动、二次压力脉冲这三个水中爆炸的主要过程进行了论述, 并提出了一些经验计算公式, 尤其是对于中远场的水中爆炸冲波计算现今仍被人们广泛使用。

1.1 水中爆炸冲击波的研究

在Cole研究的基础上, 目前对于水中爆炸冲击波的研究主要集中于对不同类型水中炸药的爆轰机理, 对经典理论进行不同适用范围的修正, 并从理论上进行说明。

前苏联科学家Zamyshlyayev在Cole研究成果的基础作了进一步发展，全面系统地论述了冲击波和随后的压力波，并研究了冲击波在自由面和水域底的非线性效应，采用理论和试验相结合的办法，重点讨论了自由面和底部效应、绕射效应、空化效应、冲击波与结构的相互作用效应。给出的水中压力波公式包含了气泡膨胀和收缩的过程，并用解析式表达，直观明了，更便于应用。国外学者还通过大量的试验研究, 得出了不同水深、多种炸药的水中爆炸冲击波的经验公式, 修正了Cole的某些计算公式, 并比对了相应炸药的水中爆炸当量，并根据不同的温度状态,提出了Cole的某些计算公式的适用环境范围。

俞统昌等研究了几种典型炸药的水下爆炸冲击波性能与炸药本身爆速、爆压的关系, 提出合理选用水中炸药的某些准则。由于无限水介质中爆炸冲击波的计算公式较多, 且在不同的比例距离范围内各有区别, 周方毅等对多种水中爆炸冲击波的计算公式进行了选用辨析, 提出了不同条件下推荐使用的公式。还有研究者利用相似理论研究了水中爆炸的宏观规律,讨论了将相似理论运用于炸药水中爆炸研究的基本前提和使用方法, 并利用实验进行了验证。李澎研究了由能流密度—时间曲线经验表达式简化计算的水中爆炸冲击波的传播, 用简单数值积分法解拉格朗日形式的偏微分方程组, 适当选取起算参数, 对5倍装药半径外的爆炸场范围计算精度良好。苏华对于有限水域中的TNT和钝化RDX的爆炸冲击波参数进行了理论修正, 并研究了装药的几何形状, 引入了几何形状系数对冲击波的衰减进行计算。

1.2 水中爆炸气泡脉动的研究

水中爆炸的突出特点是气泡脉动问题。关于水中爆炸气泡脉动现象和能量输出的基础理论, 国外开展了广泛的理论和实验研究, 并进行了大量的数值模拟工作。研究方向主要集中在水中爆炸气泡的运动规律、界面能量输出以及气泡的形状控制技术等。美国NSWC 收集了175 次水中爆炸试验的数据, 对于气泡能和冲击波能量的关系进行了详细研究, 建立了冲击波能量和气泡能量的估算公式, 研究了水中兵器战斗部壳体对水中爆炸冲击波和气泡的影响。

通常情况下, 在水中爆炸冲击波过后, 炸药爆轰产物形成的气泡含有炸药爆炸总能量约47%的能量, 在周围水介质的作用下膨胀和压缩, 产生滞后流和脉动压力。而对于气泡脉动的运动研究主要是通过处理炸药水中爆炸产生的冲击波曲线来进行, 通过对试验测试数据分析之后得出一些半理论—半经验公式来指导工程实践。如可根据不同的应用状态, 通过大量的实测数据, 得出了不同水深、多种炸药的水中爆炸脉动气泡的经验计算公式。但这种研究方法难以完全解释气泡脉动的物理图像, 因而随着计算机技术的飞速发展, 数值仿真技术大量地应用于炸药水中爆炸产生的气泡脉动研究, 目前已经可以利用大型通用有限元程序模拟起爆、冲击波在水中传播过程、气泡的增长等, 如ANSYS /AUTODYN的高阶Euler求解器可精确地模拟气泡的膨胀、压缩、溃灭以及气泡收缩而形成的射流。

2 复合材料层合结构的抗爆性

2.1 复合材料层合结构的应用

为了降低和防止爆炸冲击波对目标的破坏,提高防爆抗冲击能力，一般采用增加单层介质厚度和开发新型材料, 蔡斌对新型复合材料在船艇工业中的应用作了相关评述，总结了国内外GFRP玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）及碳纤维、凯芙拉（Kevla）先进复合船艇材料的发展。吴始栋综述了美国等国的树脂基复合材料的开发与应用现状和取得的经济效果，重点分析了复合材料在潜艇上的应用，指出需要解决的问题和未来的展望。

同时，为了有效抵抗冲击和爆炸下的高强度高应变率载荷，越来越多的被攻击和防护目标已由原来的单层材料改为了由多层介质（通常为硬—软—硬三明治介质）组成的结构。这种复合材料层合结构目前在地面军事建筑、地下防护工程等方面应用广泛。工程实践表明，具有软夹层的硬—软—硬（H—S—H）多层介质具有较明显的抗冲击与爆炸能力。这种组合的优点是：硬层能抗击近距离的爆炸波作用，充分发挥其强度与刚度效应；软层一般由多孔泡沫材料组成，波阻抗低，强度与刚度低，变形大，在吸收爆炸波能量的同时，能起到削波和改变波形以及增加波的脉宽的作用。

复合材料层合结构在工事防护方面的应用已比较成熟，但对其在舰船抗冲击中的应用还有待于进一步研究。因此，可以考虑将复合材料层合结构引入到舰船壳体构成复合壳体，开展其损伤特性研究，对于提高舰船抗冲击性能有着重要的意义。

2.2 应力波在复合壳体中的传播

装药爆炸后形成的水中冲击波经过一定距离的衰减到达复合壳体表面时，其压力已降低到一定的程度。这时再在固体介质中传播，可视为应力波。而该表面的冲击波压力可视为应力波的初始压力。复合壳体由多层介质层合而成，研究应力波在介质中的传播机理，尤其是“软介质”对应力波的吸收、衰减作用，也尤为重要。

国外学者Mourtize对高分子复合材料的防爆性能和机理进行了理论分析和实验。国内学者王礼立对爆炸冲击波在多孔铝、硬质泡沫塑料等轻质多孔疏松材料的传播规律和冲击性能进行了理论和实验分析，研究结果表明轻质多孔材料不仅可以吸收冲击波和飞片的冲击能量，也能够减缓主体材料的破损。王海福对多孔铁和聚氨酯泡沫塑料的孔隙度与爆炸冲击波衰减程度作了理论和实验分析，结果表明随着材料的孔隙度增大，冲击波衰减程度显著下降。胡时胜等对多种多孔泡沫材料进行了高应变率实验，提出了包括应力、应变、应变率和密度等参量的本构关系，合理地分析了冲击波在泡沫材料中的传播特性，提出了多孔材料受冲击载荷作用下破坏波（压实波）的概念。 DYNA程序对整船结构在水下爆炸冲击载荷作用下的冲击环境进行了仿真。张振华等运用DYTRAN对水下爆炸冲击波作用下自由环肋圆柱壳动态响应进行了数值仿真研究。

3 复合材料层合结构水下爆炸冲击损伤数值模拟

4 结束语

爆炸动力学过程非常复杂，很难进行精确的解析分析，数值分析是有效的近似手段。对于舰船复合壳体遭受爆炸冲击后出现的变形、破裂情况，解析的方法只能在极度简化的情况下给予简单的描述，通过实验手段研究则耗资过于巨大。近年来利用数值模拟技术研究爆炸冲击载荷作用下动态响应迅速发展。数值模拟方法建立在连续介质力学守恒方程的基础上，可以完整地描述出系统的应力，应变以及破坏情况的时间历程曲线。数值模拟方法已经成为研究爆炸冲击响应的重要辅助手段。

按照所选用的坐标系分类，数值计算可以选用Lagrange坐标和Euler坐标。Lagrange坐标固结在物质上随物质一起运动和变形。由于一个网格始终对应一块物质团，因此能准确的描述不同部分材料的不同压力历程，容许对不同部分材料采用不同的本构关系，这是Lagrange坐标的优点;Lagrange坐标的缺点是当物质发生大变形时，网格也会发生大变形乃至扭曲，这样会导致计算的不稳定。特别是在处理爆炸冲击等问题时。Euler方法的节点固定在空间中，由相关节点连接而成的单元仅仅是空间的划分。Euler网格是一个固定的坐标系，分析对象的材料在网格中流动。材料的质量、动量以及能量从一个单元流向另一个单元。因此，Euler法计算的是材料在体积恒定的网格中的运动。Euler法主要用于流体流动问题的分析以及固体材料发生很大变形的情况。

水下爆炸还涉及到冲击波和结构体相互耦合作用的问题。流－固耦合问题一直是水下爆炸研究工作中的一个难点。而组合Lagrange和Euler方法的杂交技术，即ALE算法，可以很好地解决这一问题。

目前广泛应用于水下爆炸方面的有限元软件有NASTRAN、ADINA、DYNA、ASKA、ANSYS、ABQUAS、DYTRAN等,它们都考虑了结构响应的材料非线性和几何非线性。

国外学者采用USA/DYNA3D程序计算了圆柱壳在水下爆炸侧向冲击作用下的非线性动态响应。国内姚熊亮等利用

前已述及，不断深入研究舰船抗冲击是保证舰员生命安全的关键。开展复合材料层合壳体结构在水下爆炸作用下的损伤研究，在舰船抗冲击数值仿真模型化的基础上，还需要进行实船爆炸实验以验证仿真的结果，同时，试验所得的数据又可以作为进一步仿真的参数，两者结合开展，才能使复合材料层合壳体结构在舰船抗冲击中的应用更加成熟，使舰船抗冲击技术体系研究不断深入。

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