舰员抗冲击地砖动力学分析

张磊，史少华，谌勇

（1.海军装备研究院，北京 100161；2.上海交通大学机械系统与振动国家重点试验室，上海 200240）

在现代海战中，鱼雷、水雷等水中兵器的水下非接触爆炸产生的冲击能量经船体结构传递到舰艇各处人员战位上，可产生超出舰员冲击损伤耐受值的冲击环境，导致舰员产生关节扭伤、骨折、内脏破裂，甚至危及生命[1]。因此，通过改善舰员战位的冲击环境来提高舰员生命力的方法日益手段重视。

抗冲击地砖是一种将橡胶弹性材料特性和泡沫铝多孔蜂窝结构材料特性相结合，敷设在舱室甲板的缓冲材料结构，属于超弹性大孔隙率蜂窝薄壁结构。目前，国内外对这类结构的工作机理缺乏深入研究[2―4]，导致抗冲击地砖的性能优化设计缺乏针对性。本文从建立抗冲击地砖的周期性薄壁结构模型着手，对其动态压缩特性和冲击特性进行仿真分析，深入揭示了其变形形式及特点。

1 抗冲击地砖建模

抗冲击地砖基本结构如图1所示。该地砖是由橡胶弹性体制成的若干橡胶蜂窝薄壁柱状结构单元构成的组合体，薄壁结构单元之间有少量间隙，保持各个薄壁结构单元变形独立，不受其它柱状体的牵连。每一个薄壁柱状体下端面开口，通过黏结剂（2）与甲板（3）黏结固定。上端面是开有小气孔（4）的平面，每一个柱状体都形成一个小气囊（5）。小气囊（5）中的空气受到压缩而在顶端小气孔（4）与橡胶覆盖层（6）的缝隙间流动，由此增加系统阻尼。

图1 抗冲击地砖结构示意图Fig.1 Anti-shock ground tile structure

抗冲地砖薄壁结构材料为邵氏硬度65的氯丁橡胶，本构关系可采用Yeoh模型描述。不失一般性，对结构单元为方形形式的橡胶蜂窝薄壁结构特性开展研究。图2给出该结构单元的单胞模型[5]，模型结构长、宽均为60 mm，高度为50 mm，薄壁厚度为3 mm。模型设定周期对称边界来模拟地砖的周期对称结构，模型上、下端面由刚性薄板固定，上表面以均布压力或集中力的形式进行加载。模型的橡胶结构采用实体单元模拟，上、下端面采用解析刚性平面，无需划分网格。模型结构的单元总数为30 250，结点总数为37 332。

图2 抗冲击地砖薄壁结构的单胞模型Fig.2 Single cell model of anti-shock ground tile

2 抗冲击地砖动力学研究

2.1 薄壁结构动态压缩行为分析

对不同加载速度情况下抗冲击地砖薄壁结构的动态压缩特性进行分析。压缩速度为1 m/s时薄壁结构的力-应变特性曲线如图3所示。可以看出，薄壁结构首先经历一个纯弹性压缩阶段。当应变达到13%时，结构开始发生屈曲，结构承载能力急剧下降。在经历一个屈曲起始阶段后，结构变形逐渐稳定，结构承载力也呈现稳定的平台期，并持续到应变60%。随着薄壁结构进一步压缩，结构进入密实化阶段，表现为应力呈现一个持续上升的阶段。

表1给出了抗冲击地砖薄壁结构从出现屈曲变形到结构密实化的过程。可以看出，结构弹性波传播到达结构下端面后发生反射，导致结构薄壁发生屈曲，且屈曲变形兼具1阶及2阶屈曲模态的特征。

2.2 薄壁结构冲击行为分析

图3 抗冲击地砖薄壁结构在速度1 m/s时的力-应变曲线Fig.3 Force-strain curve of cellular structure of anti—shock ground tile(1 m/s)

对抗冲击地砖薄壁结构上端面施加初始冲量，分析其冲击动响应。表2给出上端面初速度为25 m/s时，薄壁结构的压缩变形及回弹过程。可以看出，当薄壁结构上端面以初始速度运动后，薄壁结构被迅速压缩而发生屈曲，直至变形重叠并导致密实化。在冲击动能完全转换为薄壁结构变形能后，橡胶的弹性使薄壁结构回弹而恢复变形。

表1 抗冲击地砖橡胶蜂窝薄壁结构动态变形形式Tab.1 Deformation behavior of cellular structure of anti-shock ground tile

表2 抗冲击地砖橡胶蜂窝薄壁结构冲击变形形式Tab.2 Deformation behavior of cellular structure of anti-shock ground tile

3 结语

通过开展抗冲击地砖薄壁结构建模与动态仿真分析，揭示了抗冲击地砖的工作机理。结果表明，抗冲击地砖作为一种超弹性大孔隙率蜂窝薄壁结构，能够在一定载荷范围内提供足够的支撑刚度，使得舰员的站立、行走不会使其产生显著变形；当载荷强度达到一定值时，该结构可迅速被压溃，产生瞬态大变形而吸收冲击能量。因此，优化性能后的抗冲击地砖性能进行优化，可满足舰员的日常工作和冲击防护需要。

[1]黄建松，华宏星，等.模拟舰船冲击对人体下肢骨骼轴向压缩损伤特性研究[J].中国生物医学工程学报，2008，27（3）：410-415.

[2]汪玉，华宏星，杜志鹏，等.舰艇抗冲瓦整体冲击隔离新概念及其机理研究[J].科技导报，2009,27(3)：19-24.

[3]Tong Zong-peng,Wang Yu,Hua Hong-xing.Research on characteristic of new type shock protective layer subjected to underwater explosion[J].Journal of Ship Mechanics,2006,6:1207-1216.

[4]K.Magkinen,The transverse response of sandwich panels to an underwater shock wave[J]Journal of Fluids and Structures,1999,13,631-646.

[5]刘东岳.抗冲瓦水下抗冲击机理及试验研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2008.