抗冲瓦的优化设计研究

高云剑，章振华，谌 勇，华宏星

（1.海军装备部 上海局，上海200081；2.上海交通大学 机械系统与振动国家重点实验室，上海200240）

抗冲瓦的优化设计研究

高云剑1，章振华2，谌 勇2，华宏星2

（1.海军装备部 上海局，上海200081；2.上海交通大学 机械系统与振动国家重点实验室，上海200240）

敷设于舰船湿表面上的抗冲瓦可以有效提高舰船的抗水下爆炸冲击性能。本文从抗冲瓦的结构拓扑参数方面来研究其抗冲击特性，讨论了不同强度冲击载荷下抗冲瓦的优化设计区域，提出了拓扑结构、应力平台与结构密度三参数优化设计方法，最终给出了一种较为优化的结构形式。

振动与波；抗冲瓦；优化设计；远场水下爆炸；冲击防护特性

为了分析一维抗冲瓦结构的冲击防护效果，建立了如图1所示敷设抗冲瓦并考虑弹性基础的船壳结构一维水下爆炸冲击仿真模型，并通过这一模型来对抗冲瓦的冲击防护性能进行研究。仿真模型中，抗冲瓦的厚度为50 mm，船壳的厚度为6 mm，船壳宽度为126 mm。药包距流固耦合面的距离为540 mm。

图1 考虑弹性基础抗冲瓦水下爆炸仿真模型

对于抗冲瓦这类多孔薄壁结构，决定其冲击防护性能的主要因素包括两个方面：

(1)应力平台的高低；

(2)相对密度。

图2所示为抗冲瓦的理论应力应变曲线，其中，应力平台A为2 MPa；应力平台B为1 MPa；应力平台C为0.6 MPa；应力平台D为0.32 MPa；应力平台E为0.2 MPa；应力平台F为0.096 MPa。相对密度取四个值，分别为：372 kg/m3，467 kg/m3，800 kg/m3，1 152 kg/m3。将不同的应力平台与相对密度组合，可形成24种抗冲瓦。

图2 抗冲瓦的理论应力应变曲线

首先对不同类型抗冲瓦在不同冲击强度作用下的响应速度进行了对比。表1所示分别为冲击因子0.059、0.185与0.586时，敷设抗冲瓦的船壳处的速度响应峰值。作为对比，当抗冲瓦为实心氯丁橡胶，冲击因子为0.059、0.185与0.586时，船壳的最大速度值分别为1.622 m/s、9.415 m/s与51.489 m/s。因此，只有当敷设抗冲瓦后船壳的最大速度响应低于此阀值时，抗冲瓦的抗冲击效果才好于实心氯丁橡胶结构。

根据表1中的数据，可以得出图3所示的不同冲击因子下的抗冲瓦最优设计区域。当冲击因子0.059时，抗冲瓦最优设计区域为应力平台从0.096到0.32 MPa、密度从372到1 152 kg/m3的区域，为了图示的清晰，没有将其在图中画出。可以得出结论：在较低强度冲击载荷下，要取得好的抗冲击效果，抗冲瓦必须足够地软；在中高强度冲击载荷下，要取得好的抗冲击效果，抗冲瓦的相对密度需要提高，应力平台也应适当增加。

图3 抗冲瓦的最优设计区域

2 抗冲瓦结构的三参数优化设计

通过对敷设抗冲瓦的船壳水下爆炸仿真分析，得出抗冲瓦应力平台与结构密度的最优设计区域。本节将根据抗冲瓦的这两个参数，再考虑不同的抗冲瓦拓扑形式，来设计具体的抗冲瓦结构，从而实现抗冲瓦的三参数优化设计。本文研究的抗冲瓦拓扑结构包括：蜂窝式抗冲瓦、四边形抗冲瓦、蜂窝加圆管式抗冲瓦、三角形抗冲瓦、隧道式抗冲瓦、反蜂窝式抗冲瓦、圆孔抗冲瓦与手性瓦。其中，前面四种抗冲瓦的开孔方式为垂向开孔；后面四种抗冲瓦的开孔方式为横向开孔，前五种瓦的具体结构如图4所示。图中抗冲瓦的结构密度均为1 152 kg/m3。

表1 不同冲击因子下船壳的最大速度值/m/s

对蜂窝式抗冲瓦、四边形抗冲瓦、蜂窝加圆管式抗冲瓦与三角形抗冲瓦分别建立6个具有不同密度的有限元模型。对隧道式抗冲瓦建立12个有限元模型。其中，结构密度为467 kg/m3的隧道瓦有4种，结构密度为656 kg/m3、800 kg/m3、972 kg/m3、1 152 kg/m3的隧道瓦分别有两种。反蜂窝式抗冲瓦、圆孔抗冲瓦与手性瓦分别建立两个有限元模型。对上述42个抗冲瓦模型进行仿真分析，得出如图5所示抗冲瓦实体结构应力平台与结构密度这两个参数的对应关系。同一密度下具有较高应力平台的5个隧道瓦，将其编号为隧道式抗冲瓦1；同一密度下具有较低应力平台的隧道瓦编号为隧道式抗冲瓦4，具有中等应力平台的瓦分别编号为隧道式抗冲瓦2、隧道式抗冲瓦3。

对于某一结构形式的抗冲瓦，通过改变其壁厚，抗冲瓦的结构密度也发生改变，其应力平台也随之变化。图5所示为隧道式抗冲瓦4的变化形式，随着壁厚的增加，抗冲瓦的结构密度也增加，其应力平台也随之增大。

图5 抗冲瓦结构的应力平台与结构密度的相互关系

变化壁厚从而改变抗冲瓦结构，这时抗冲瓦的结构密度是变化的。除了这一优化方式，也可以不变化抗冲瓦结构密度，而是改变质量在上、下面板与薄壁之间的分布方式。图6所示为隧道式抗冲瓦的4种变化形式，它们的密度都是467 kg/m3，却具有不同的应力平台。从隧道式抗冲瓦4到隧道式抗冲瓦1，上、下面板越来越薄；面芯层壁厚越来越厚，抗冲瓦的应力平台有一定提高。

综合图6与图7可以得出，通过单独变化抗冲瓦芯层壁厚，或是变化质量在上、下面板与薄壁之间的分配比例，可以对任意一种结构的抗冲瓦进行不同设计。利用这一方法，对于隧道式抗冲瓦，在图5的阴影区域中的任意一点，都可以设计出相应的隧道式抗冲瓦结构。同样，对于其它任意一种垂向开孔的抗冲瓦，在图5中都有一个长条形的设计区域。同时值得注意的是，横向开孔的三种抗冲瓦结构，在较高的冲击速度下才表现出图5所示的应力平台状态。

图6 隧道式抗冲瓦4的变化形式(不同密度)

综合图3的抗冲瓦最优设计区域与图5不同抗冲瓦结构的应力平台与结构密度数据，设计出新型隧道式抗冲瓦5，其实体结构与等效化后的应力应变曲线如图8所示，具体应力应变数据如表2所示。隧道式抗冲瓦5的密度为467 kg/m3，相比隧道式抗冲瓦4，其上、下面板更厚，芯层壁更薄，因此，应力平台也更低。

图7 隧道式抗冲瓦的变化形式(相同密度)

图8 新型隧道式抗冲瓦5

3 结语

通过对不同形式抗冲瓦结构的水下爆炸响应进行的数值分析，可以看出：

（1）拓扑结构、应力平台与结构密度是影响抗冲瓦防护性能的三个关键因素。在较低强度冲击载荷下，要取得好的抗冲击效果，抗冲瓦应力平台必须足够地低；在中高强度冲击载荷下，要取得好的抗冲击效果，抗冲瓦的结构密度需要提高，应力平台也应适当增加；

（2）研究得出了抗冲瓦在不同冲击载荷下的最优设计区域，根据抗冲瓦三参数优化设计方法设计出来的新型抗冲瓦结构，在计算分析中能达到较好的冲击防护效果。

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Optimization Design ofAnti-shock Coating

GAO Yun-jian1,ZHANG Zhen-hua2,CHENYong2,HUA Hong-xing2

（1.Shanghai Military Representative Office,Shanghai 200081,China; 2.State Key Laboratory of Mechanical System and Vibration,Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240,China）

∶In order to improve the underwater explosion impact resistant performance of ships,a hyper-elastic antishock layer is adhered to the ship’s wet surface.Structure parameters and blast-resistant characteristics of the anti-shock layer are investigated,and the optimal design region of the anti-shock layer under different impact loads is discussed.The optimal design method of three parameters,such as topology structure,stress platform and structure density,is proposed.The dynamic response of the hull structure with anti-shock layer subjected to far-field underwater explosion is studied.And then, the effect of the optimization design of the anti-shock layer is evaluated and confirmed by simulation results.

∶vibration and wave;anti-shock coating;optimization design;underwater explosion;blast-resistant characteristics

O381< class="emphasis_bold">文献标识码：ADOI编码：

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.06.020

1 抗冲瓦特性对其冲击防护性能的影响

高云剑（1973-），男，工学硕士，主要研究方向：结构动力学。

E-mail∶gaoyunjian119@126.com

1006-1355(2014)06-0090-04

2014-09-01

夹芯结构的基本形式为两层强度较高的面板和夹在其中的芯层，这种结构在航空航天工业中应用已有几十年的历史。近年来，关于夹芯结的抗爆特性成为研究热点[1]。Xue和Hutchinson[2—4]对三种不同拓扑结构夹芯层的抗冲击性能进行了比较研究。研究发现，方形蜂窝夹芯结构与褶皱板夹芯结构的抗冲击性能要比金字塔形桁架夹芯结构更好。Hutchinson等[5]研究了在给定冲击载荷下，如何得到最轻的夹芯层结构来达到抗冲击效果。文中采用了无量纲参数优化设计方法，对方形蜂窝夹芯板的面板与芯层的质量分布进行优化配置。优化后的夹芯层结构与相同材料构造的相等质量实心结构相比，能承受两到三倍的冲击载荷。

抗冲瓦是一种以超弹性橡胶为基体材料的夹芯结构。前期研究已表明[6—9]，抗冲瓦在抵抗水下爆炸载荷时，对舰船有良好的防护效果。关于抗冲瓦的作用机理已在前期工作中有比较细致的研究，但关于其拓扑或几何优化设计的研究还很少涉及。本文从抗冲瓦的拓扑结构参数方面来分析其抗冲特性并进行优化设计，着重讨论相对密度、拓扑形状等结构参数对瓦的抗冲击性能的影响规律，并以速度响应峰值作为优化目标，以拓扑结构、应力平台与结构密度作为优化参数，对抗冲瓦的优化设计方法进行研究。