砰击载荷下船舶复合材料结构损伤及防护结构研究进展

高智勇，陈伟军

(海军装备部驻广州地区军事代表局，广东 广州 510620)

0 引 言

船舶航行砰击以及船体结构动态响应特征规律及其相关机理研究，长期得到船舶设计领域研究者们的密切关注。从研究问题角度来看，目前该领域的研究和发展工作主要集中在2 个方向：一是砰击载荷特征规律研究；二是船体结构响应特征规律研究。其中砰击载荷特征规律大多体现为对砰击现象的数值仿真、试验测试以及规范计算等方法类的研究，具有较强研究价值。然而，由于同时具有整体性、局部性以及结构形式和材料的多样性特点，船体结构砰击响应特征规律的研究，更具实际工程价值。随着复合材料高速船艇及船体典型部（构）件应用需求的不断增长，新型结构形式的不断涌现，以及研究手段的日益成熟，复合材料层合、夹层以及新型结构形式的砰击损伤及其失效等系列科学问题的研究已形成该领域近年来的研究热点。本文将从砰击载荷特征规律、研究方法、结构响应及防护机理等4 方面进行研究进展分析。

1 砰击载荷特征规律

1.1 砰击载荷生成与影响因素

砰击载荷的影响因素较多，主要包括砰击体入水初速、结构几何形状、结构的弹性、流固耦合效应、空气垫效应、结构的质量、波浪的表面形状以及结构的入水角度等。

在结构砰击问题研究的初期，多为针对刚性楔形体入水问题的研究，冯·卡门[1]和瓦格纳[2]提出了砰击压力预报公式，其中入水速度和结构体的斜升角是影响砰击载荷峰值的重要因素。此后，入水速度[3–6]和结构外形特征对砰击载荷的影响作用成为该领域关注的重点，结构形式也从早期的楔形体、球体等逐渐向圆柱体、圆锥体、加筋板、局部结构发展，研究工作延续性[7–10]如今也已较为完善。20 世纪末及21 世纪初，研究者们已不满足于结构刚性体的假设，对结构弹性效应的研究[11–14]，以及流固耦合问题[15–21]的探讨逐渐成为主流。

空气垫效应虽然被发现的时间较早（20 世纪60 年代后期），Chuang[9–10]最先通过高速摄影机在试验中观测到了此类现象。同样由于技术条件的限制，针对此问题的探讨在近年来才开始进行[22–25]，并且由于空气垫效应产生的条件也较为严格，对其探讨一般视结构形式而定，结构越接近平板，该现象越容易出现。此外，空气垫效应会适当降低结构的砰击压力，忽略此现象一定程度上有利于结构的安全性设计。

结构质量对结构砰击响应的影响程度如何，现阶段研究中尚未给出明确的结果，且相关资料较少。部分学者结构质量对结构砰击的影响程度研究了[26–29]，王珂[28]认为可以参考Peseux[13]提出的结构质量系数来研究结构质量对砰击压力峰值的影响，发现在结构质量增加到一定值（50~300）后，结构的入水砰击过程相当于结构等速入水。因此，可以认为，对于结构质量而言，结构动态响应中受影响最大的参数为加速度，至于结构质量对其他参数的影响，还有待进一步研究。

图1 压力随质量系数变化曲线（不同初速度的6°回转体入水情况）Fig. 1 Pressure versus mass coefficient curve (6 ° water entry condition of revolving body)

除上述主要影响因素之外，波浪表面形状[30–31]、结构的入水角度[32–33]在砰击问题中也会对结构产生一定的影响，但是相关研究的文献较少，所受到的关注度不高。此外，Ochi 等[34]学者发现，考虑波浪表面形状后，砰击载荷小于静水中产生的载荷；结构的砰击问题一般多为垂直砰击入水，也有部分学者讨论了以一定角度入水的情况，发现改变入水角度后结构砰击压力峰值会随之减小。因此，可以认为在研究结构砰击响应过程中，可以忽略波浪表面形状与结构的入水角度的影响，此时结构将偏于安全。

1.2 砰击载荷分布特征规律

砰击载荷的分布特征一般与结构形式密切相关，一般而言，载荷分布特征主要包括载荷峰值、载荷时程分布、载荷空间分布。早期研究中常基于线性假设，以Wagner 的理论公式为基础，针对预报砰击压力载荷峰值所开展的工作较多。近年来，随着试验方法不断改进以及数值仿真方法的日趋成熟，为深入研究此类问题提供了更加高效的手段。在试验过程中，各类高精度传感器可以准确地获取载荷大小、作用时间等特征，数值分析结果能够直观地了解砰击载荷的分布规律，同时对试验数据的准确性进行验证。

1.2.1 压力峰值规律

砰击载荷作用过程中结构表面会承受砰击压力，载荷的典型表现形式为脉冲式如图2 和图3 所示。其峰值与入水速度密切相关。众多学者对压力峰值的影响因素和预报方法开展研究。

图2 二维结构砰击压力曲线Fig. 2 Slamming pressure curve of 2D structure

图3 三维结构砰击压力曲线Fig. 3 Slamming pressure curve of 3D structure

针对二维结构而言，姜伟[5]以斜升角为45°的刚性楔形体为研究对象，通过试验方法，得到入水速度、入水高度对砰击压力峰值影响如图4 和图5 所示。可以看出，测点的砰击压力峰值与入水速度正相关，且沿垂向递减分布，纵向保持一致。

图4 垂向测点压力峰值随入水速度曲线Fig. 4 Curve of peak pressure of vertical measuring point with water entry velocity

图5 纵向测点压力峰值随入水速度曲线Fig. 5 Curve of peak pressure of longitudinal measuring point with water entry velocity

针对三维实体结构以及实船结构，众多学者同样进行了深入研究。尤恽[35]以二维首部结构为对象开展试验，对砰击载荷作用在船首表面的砰击压力分布情况进行研究。总体而言，砰击压力峰值与入水速度正相关，与斜升角负相关。在斜升角增加到一定范围时，入水压力峰值主要取决于入水速度，斜升角的影响程度减弱。在此基础上，对三维船首结构的入水砰击压力及结构响应进行研究，拟合得到砰击载荷预报公式，对不同工况下的砰击载荷进行预测分析（β为斜升角，v为速度）。

1）同一斜升角、不同入水速度时的压力峰值：

2）同一入水速度、不同斜升角时的载荷系数：

3）不同斜升角、不同入水速度时的压力峰值：

1.2.2 空间分布规律

砰击载荷的分布主要取决于结构的几何特征，比如结构斜升角，该因素会影响流固耦合作用的程度，以及引起空气垫效应等，进而可能导致载荷分布不均匀、载荷作用曲线振荡等现象。但是，典型结构的砰击载荷分布规律具有一定的相似性。针对最简单的楔形体结构，从流场的压力分布图可以看出，流场内的压力波峰值基本位于楔形体表面，并随着楔形体入水深度的增加，沿着楔形体表面向上移动[11]；此外，针对三维回转体结构，砰击载荷的分布也具有相似特征，模型测点及载荷随时间变化曲线如图6~图9 所示[14]。

图6 楔形体测点分布（h=0.4 m）Fig. 6 Distribution of wedge measuring points (h = 0.4 m)

图7 楔形体砰击压力（h=0.4 m）Fig. 7 Wedge slamming pressure (h = 0.4 m)

图8 圆锥体测点分布（h=0.4 m）Fig. 8 Distribution of cone measuring points (H = 0.4 m)

图9 圆锥体砰击压力（h=0.4 m）Fig. 9 Slamming pressure of cone (h = 0.4 m)

图10 高速船船体夹层结构损伤（横骨材发生破坏明显）Fig. 10 Damage of hull sandwich structure of high speed ship

1.2.3 时间分布规律

船舶结构在遭受砰击时，波浪与结构之间往往具有较高的相对速度，砰击载荷作用时间较短。统计大量试验数据后，并参考结构的砰击载荷时间曲线，不难总结出，砰击载荷作用时间一般为0.1 s 级，整个过程作用时间基本在1 s 内，且结构的不同位置砰击压力峰值的作用时间不同。

2 结构砰击损伤研究方法

针对结构砰击问题，本文从理论、数值、试验3 个方面进行阐述。

在理论分析方面，冯卡门[1]在20 世纪20 年代后期最早开始了砰击问题研究，提出了砰击压力的预报公式。1932 年瓦格纳[2]以任意剖面小倾角模型为计算对象，考虑了结构冲击时的液面升高现象，忽略空气垫影响，计算给出该模型砰击压力分布，有效解决结构物入水砰击过程中的受力状况计算难题，后续的理论研究工作也多为在该理论基础上的改进[39–40]。

在数值研究方面，结构砰击是固、液、气3 种介质耦合作用的复杂过程，且理论求解难度较大，随着计算机的发展，数值计算方法为解决此类问题提供了新的思路。数值方法成本较低，且能够综合考虑各类影响因素，使得计算越来越接近真实情况[41–43]，计算所得各类云图能够提供丰富的信息。数值分析方法的关键要素包括求解模型的选取、影响因素的取舍、计算效率与计算精度。

在试验研究方面，虽然其成本较高，操作难度大，但是该方法能够直接观测试验现象，获取试验数据，并可以验证数值计算方法的有效性，因此试验在结构砰击的研究中扮演着重要的角色[44–46]。现如今，试验模型已由二维向三维转变，越来越接近真实结构；同时，借鉴工程实践中的经验公式一定程度上提高了试验的准确性；此外，试验仪器与设备也在不断发展与进步，基于前人的经验，测试方法与技巧不断总结完善。

3 复合材料结构砰击损伤特性

针对复合材料结构，结构的损伤失效是砰击响应的形式之一，结构的损伤失效问题会严重影响其安全性。然而，针对结构损伤失效的研究在近十几年才有所起步。复合材料往往以材料自损破坏和弹性形变的形式吸收载荷冲击能量，其中自损破坏形式有基体裂纹、断层等不同表现形式，损伤扩展机制更难以理论推解，一般常采用数值模拟的方法。且沈真等[47]将冲击损伤分为无损伤状态、前表面目视可见损伤状态、穿透损伤状态等类型。砰击载荷属于低速冲击载荷，由其导致的损伤通常为目视几乎不可见损伤状态[47]，一般不表现在结构表面，展现形式通常为内部脱粘、分层等，且容易在受冲击结构背面发生，带来较大安全隐患。

层合板是复合材料最常见的一种结构形式，针对层合板的损伤问题，B.Parga-Landa 等[57–58]对层合板的砰击损伤问题开展研究，认为砰击载荷以应力波的作用形式传递，在损伤模式上，发现层合板在各层材料的刚度（主要体现在杨氏模量）不匹配时容易出现损伤。

夹层结构作为新型结构形式之一，在工程实践中得到了越来越广泛的应用。Z Qin 等[60]研究发现芯层材料由于其横向剪切变形吸收了较多的应变能，表明使用夹芯材料可以有效地用于减轻砰击所造成的结构破坏。

对于船舶结构而言，加筋板是构成整体结构的基本部件之一。孙海虹[63]在复合材料高速船极限承载力方向开展了大量有益研究，并得到复合材料帽型加筋板格的极限强度分析计算公式：

式中：γ、η均为无因次参数，为截面模数。

由于复合材料受砰击后可能出现多种损伤形式，损伤形式的扩展模式与金属又存在较大差异，且影响因素较多。因此，当复合材料广泛应用于船舶结构后，其在承受低速砰击载荷时，结构是否会产生损伤，以及在船舶服役期间内，遭受反复砰击载荷作用时，结构的损伤形式以及裂纹扩展方式应该如何进行预报，并根据预报结果进行针对性的防护，是值得重点研究的问题。

4 冲击防护结构及机理研究

目前提高结构抗砰击能力的思路主要有2 种：一是针对结构形式进行优化，二是在结构表层贴敷橡胶等吸能材料作为覆盖层。结合我国各类船舶的功能要求以及结构安全性指标要求，国内部分学者在冲击防护领域开展了研究。

在结构的抗砰击性能设计问题方面，施军[64]采用内聚力理论模型对复合材料层合板分层规律开展有限元方法研究，并探讨了结构的抗砰击优化设计方法，开展实船断面模型跌落试验。研究发现：在抗砰击性能上，泡沫夹层结构最优，与静态力学分析结果一致；芳纶和玻纤的混编纤维材料对抗砰击性能有较大增益；由于结构性能不连续，横骨材附近分层大量破坏。

此外，在舰船抗爆抗冲击结构设计过程中，采取内置液舱等新型结构形式取得了良好的效果[65–66]。对于抗砰击结构的设计而言，可以借鉴内置液舱在舰船抗毁伤结构设计中的经验。然而，在砰击与反复砰击载荷的作用下，内置液舱防护效果以及防护机理的研究工作鲜见报道，值得进一步研究。

5 结 语

在船用复合材料结构工程应用的背景下，砰击载荷对结构的损伤失效问题的关注度越来越高，针对防护结构的研究逐渐成为了热点问题。那么，对于复合材料微曲率壳板而言，从结构防护的角度来看，含孔柔性层难以适应船舶特殊部位结构的功能需求，均质柔性层是否能够有效提高复合材料壳板的抗损伤特性？内置封闭液舱结构防护机理及效果如何？此外，上述2 种方式对壳板稳定性的影响规律如何，均是值得研究的问题；从结构损伤形式的评估角度来看，基于舰船在复杂海况航行的工程背景，如何对结构受多次砰击后的极限强度以及损伤容限进行预报，同样具有重要的研究价值，需进一步研究。