耐压抗冲覆盖层在水下爆炸载荷作用下的冲击防护特性

殷彩玉 ，金泽宇 ，谌勇 ，华宏星

1上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室，上海200240

2上海交通大学振动冲击、噪声研究所，上海200240

0 引 言

潜艇是关系国家安全的重要威慑与反击力量，也是敌方防范和打击的重点目标，因此提高潜艇抗水下爆炸冲击的能力具有非常重要的意义。远场水下爆炸将主要破坏潜艇的内部设备，水下爆炸冲击波传递到双层壳体潜艇内部设备的主要传播路径为：爆炸源→水→轻外壳→舷间水→耐压壳→设备基座→设备。因此，可以从2个方面着手提升潜艇及舰载设备的抗冲击能力：一是通过改进或加强潜艇壳体结构、在设备上加装性能更好的隔振器来提升潜艇壳体的强度及舰载设备的抗冲击性能，但在潜艇空间和排水量有限的条件下，通过隔振器来进一步提高舰载设备的抗冲击性能已难以再取得较大的突破；二是降低冲击载荷，即通过某种手段（例如在耐压壳体上敷设一层耐压抗冲覆盖层）来降低传递到潜艇壳体上的冲击载荷，从而降低壳体形变及由壳体传递到内部设备上的载荷。

之所以选择在潜艇耐压壳而不是在轻外壳上敷设抗冲覆盖层，有以下2个原因：一是轻外壳较轻薄，即使敷设抗冲覆盖层，也会由于轻外壳易变形而导致抗冲覆盖层的变形有限，最终冲击波还是很容易传递到潜艇内部的耐压壳体上；二是耐压壳体较厚且不容易变形，在冲击载荷作用下敷设在耐压壳体上的抗冲覆盖层的形变较大，可以有效地吸收冲击波能量，从而降低传递到耐压壳体上的冲击载荷。

目前，舰艇抗冲覆盖层的研究工作主要局限于水面舰船，国内学者已开展了大量的理论、仿真及试验研究，提出在船体湿表面上敷设超弹性多孔橡胶覆盖层可以缓冲和吸收水下爆炸的冲击能量。谌勇等［1］针对粘贴于船模上的橡胶夹芯覆盖层在水下爆炸时的防护作用开展了试验研究，结果表明，橡胶夹芯覆盖层可以有效降低结构在冲击波作用下的响应峰值，该覆盖层相当于一个低通滤波器，对高频信号的衰减明显，但对低频信号的影响不大。章振华等［2-3］采用试验方法研究了橡胶多孔单胞结构在低速冲击作用下的动态响应，运用Abaqus有限元软件分析了橡胶多孔覆盖层连续体模型对舰船的冲击防护效果，并与试验结果进行了对比分析，结果表明，橡胶多孔覆盖层可以降低船体的动态响应，其防护效果较好。肖锋等［4-7］采用Abaqus有限元软件研究了超弹性橡胶分层圆孔蜂窝覆盖层和六边形橡胶蜂窝并联欧拉杆结构的动态压缩行为，还分析了分层圆孔结构和橡胶蜂窝结构在水下爆炸载荷作用下的冲击防护性能。刘建湖等［8］论述了国内外舰艇抗爆抗冲击技术的现状与发展趋势，分析了制约我国该项技术发展的瓶颈问题，提出了增强舰艇抗爆抗冲击能力的建议。

上述分析的橡胶多孔抗冲覆盖层是针对水面舰船而设计的，然而潜艇在水下作业时需承受较高的静水压力，如果将该类空腔较大的覆盖层直接应用于潜艇，其覆盖层空腔在一定的静水压力下必然会被压缩且发生较大的变形。由于覆盖层发挥抗冲击性能的一个重要机理是基于空腔的变形吸能，故当空腔压缩变形后将严重影响覆盖层的抗冲击性能。因此，上述的多孔橡胶抗冲覆盖层并不适用于潜艇。本文拟针对潜艇抗冲击环境的特殊性，提出其适用的耐压抗冲覆盖层，分析其耐静压特性及抗冲击特性，用以为潜艇的抗冲击研究提供技术支撑。

1 耐压抗冲覆盖层结构形式

耐压抗冲覆盖层在潜艇上的粘贴方式如图1所示。在水下爆炸载荷作用下，潜艇将同时受到静水压力和冲击波的作用。因此，潜艇耐压抗冲覆盖层需要满足3个条件：1）耐高静水压力；2）隔冲耗能；3）降低传递到潜艇耐压壳体的应力及能量。满足上述条件的结构的力学特性如图2所示，即覆盖层具有较高的弹性模量，可以承受静压且变形较小；应力平台阶段可以吸收冲击波能量。图2中：σ为应力，MPa；ɛ为应变。

具备此类力学特性的结构形式主要有：超弹性多孔橡胶结构；塑性泡沫结构；三明治夹层板结构等。由于三明治夹层板在后屈曲行为中的软化效应很大，故会限制其吸能效果。因此，本文将主要分析多孔橡胶结构和塑性泡沫结构。

1.1 橡胶多孔覆盖层

针对多孔橡胶覆盖层，根据其变形方式可以分为2种：共面变形结构和异面变形结构。异面变形结构主要以蜂窝结构为主，例如六边形蜂窝结构、四边形蜂窝结构和三角形蜂窝结构，如图3（a）所示。共面变形典型结构包括手性结构、蜂窝结构、圆孔结构和隧道结构等，如图3（b）所示。针对图3所示的橡胶多孔结构，取其孔隙率为43.4%，并以1/s的速率压缩后即可得到异面变形结构和共面变形结构的典型变形形式，如图4所示。不同橡胶多孔结构的应力应变曲线如图5所示。由图4和图5可知，橡胶多孔抗冲覆盖层的特点如下：

1）线弹性阶段的弹性模量较小（10 MPa左右），不会超过橡胶基体的弹性模量。

2）应力平台较低。

3）应力平台较短。

因此，如果将耐静压能力较低的水面舰艇抗冲覆盖层应用于高静水压环境下的潜艇，其抗冲覆盖层将产生比较大的变形。在冲击载荷作用下，其变形空间是有限的，故其抗冲击性能并不理想。

1.2 塑性泡沫材料

塑性泡沫材料具有密度低、强度高、刚度高、造价低、可设计性强的特点，且该类材料很容易加工成复杂的形状，已被广泛应用于抗冲击设计领域［9-11］。在宏观力学方面，泡沫材料具有典型的三阶段特性：线弹性阶段、应力平台阶段及密实化阶段。在线弹性阶段，应变一般小于0.05，且弹性模量较高；在应力平台阶段，可以发生较大的塑性变形并吸收相当大的能量，同时其传递到结构的应力较低。由此可知，塑性泡沫结构在弹性阶段的高刚度特性为其耐静压能力提供了保障。

1.3 耐压抗冲覆盖层

设计潜艇耐压抗冲击覆盖层时，应考虑耐静水压力和抗冲击这2个方面的能力。塑性泡沫材料有较高的比刚度，可以耐受静水压力且变形很小。同时，塑性泡沫材料在屈服以后有很宽的应力平台，其吸能效果较好。考虑覆盖层的实际粘贴情况，本文将提出潜艇耐压抗冲覆盖层的结构形式，即塑性泡沫与橡胶的复合覆盖层，其可能的结构形式如图6所示。

2 数值计算模型的有效性验证

本文拟采用Abaqus/Explicit有限元软件分析抗冲覆盖层在水下爆炸载荷下的冲击防护问题，首先将选用Schiffer等［12］的激波管实验对数值计算方法的有效性加以验证。实验装置如图7所示，覆盖层由铝面板和泡沫组成，其中pst为静水压力。前、后面板的速度及位移的实验结果与仿真结果对比如图8所示，其中t为时间。由图8可知，仿真结果与实验结果吻合较好，验证了仿真模型及数值计算方法的有效性。

3 计算模型

3.1 几何模型

如图9所示，计算模型包含2个部分：耐压抗冲覆盖层和水域，其中潜艇结构假设为固定边界。耐压抗冲覆盖层由隧道式多孔橡胶覆盖层和刚性聚氨酯泡沫复合而成，其具体尺寸如图7所示，模型中水域的长度为2 m。在有限元软件中，将采用4节点的平面应变单元CPE4R来模拟耐压抗冲覆盖层，采用4节点声学单元AC2D4R来模拟水，采用边界条件Tie来约束泡沫与橡胶、橡胶与水，覆盖层设周期边界。

3.2 材料属性

本文采用Hyperelastic材料模型来模拟橡胶，其单轴应力应变曲线如图10（a）所示（拉伸为正），泊松比取为0.485。采用Crushable foam材料模型来模拟刚性聚氨酯泡沫材料，其压缩应力应变曲线如图10（b）所示：在刚塑性模型中，其屈服强度为1.280 6 MPa，密实化应变为0.549 1；在线弹性阶段，其弹性模量和泊松比分别为30 MPa和0.3；在塑性阶段，采用各向同性硬化模型，塑性泊松比设为0，Compression Yield Stress Ratio设为1.732。

水的密度和声速分别为1000kg/m3和1500 m/s，其体积模量为2.25×109Pa。为了模拟水的空化效应，本文采用Total Wave进行计算，其中水的空化阈值设为0。

3.3 冲击环境参数

水下爆炸冲击波可以表示为指数衰减波［13］：

式中：pin为水下爆炸冲击波；p0为冲击波峰值；θ为衰减系数，在实际爆炸中与炸药当量和爆距有关。

本文主要研究耐压抗冲覆盖层在静水压力和冲击载荷共同作用下的冲击防护效果，并未涉及实艇计算，故假设以下2种不同强度的冲击波：

1）冲击波1：p0=10 MPa，θ=1 ms。

2）冲击波2：p0=15 MPa，θ=1 ms。

考虑4种静水压力，即0.5，1，1.5，2 MPa。

4 耐压抗冲覆盖层的冲击防护效果分析

4.1 耐静压特性

图11所示为覆盖层在不同静水压力作用下的变形图，其中S为覆盖层在静水压力作用下的Mises应力。由图11可知，当静水压力超过覆盖层的屈服强度后，覆盖层将出现明显变形；而当静水压力小于覆盖层的屈服强度时，覆盖层的变形几乎可以忽略。因此，可以根据实际设计中的耐静压指标，选取不同屈服强度的覆盖层。

4.2 抗冲击特性

图12所示为耐压抗冲覆盖层在2种冲击波作用下的变形情况，其中PEEQ为覆盖层的等效塑性变形。由图12可知，冲击波越大，等效塑性变形就越大。对于刚性聚氨酯泡沫，其靠近橡胶部分的变形要小于远离橡胶部分，这是因为橡胶几乎不可压缩，从而阻碍了其周围泡沫的变形。

由于湿表面各节点的压力基本相同，故将湿表面各节点的压力求和并取平均值，即可得到湿表面的平均压力pwet，如图13所示。由图13可知，在峰值为10 MPa，衰减系数为1 ms的入射指数衰减冲击波作用下，湿表面压力迅速降低，然后基本保持为应力平台，该应力平台的均值与泡沫材料的屈服强度相当；在峰值为15 MPa，衰减系数为1 ms的入射指数衰减冲击波作用下，湿表面压力在应力平台阶段迅速上升，这主要是因为冲击波强度较大，覆盖层的厚度不足以吸收全部的冲击波能量，导致覆盖层发生了密实化。此外，敷设覆盖层后，湿表面压力形态与入射指数衰减冲击波的差别很大，即由峰值高、脉宽短的指数衰减波变为峰值低、持续时间长的压力波。

图14所示为传递到潜艇壳体的平均支反力Fr。由图14可知，在峰值为10 MPa，衰减系数为1 ms的入射指数衰减冲击波作用下，当覆盖层厚度足以吸收冲击波能量时，传递到壳体的应力由覆盖层的静态屈服强度决定；在峰值为15 MPa，衰减系数为1 ms的入射指数衰减冲击波作用下，当覆盖层密实化以后，传递到壳体的应力也会急剧上升。因此，应避免覆盖层发生完全密实化。与入射指数衰减冲击波峰值相比，传递到壳体的压力峰值要远低于冲击波峰值，这说明耐压抗冲覆盖层可以有效地降低传递到结构的冲击波强度。

5 结 语

本文针对潜艇所处的特殊冲击环境，提出了适用于潜艇的耐压抗冲覆盖结构形式，即塑性泡沫与橡胶的复合耐压抗冲覆盖层，并验证了其抵抗静水压力和冲击载荷的能力，可为潜艇抗冲覆盖层的设计提供参考。但是，需要注意2个问题：一是如果覆盖层的屈服强度小于静水压力，则覆盖层在静水压力作用下将压溃，因此在设计中覆盖层的屈服强度要大于工作环境的静水压力；二是如果冲击波强度过大，覆盖层就会发生密实化，进而影响其抗冲击效果，故在实际设计中应避免覆盖层密实化现象的发生。

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