隔聲去耦瓦抗沖擊性能數值研究

汪 玉 錢德進 曾令玉 姚熊亮

1海軍裝備研究院 艦船所，北京100073

2哈爾濱工程大學船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱150001

隔聲去耦瓦抗沖擊性能數值研究

汪 玉1錢德進2曾令玉2姚熊亮2

1海軍裝備研究院 艦船所，北京100073

2哈爾濱工程大學船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱150001

在水下結構表面敷設隔聲去耦材料是應用最廣泛也是非常有效的一種提高水下航行器隱身性能的方法。但由于隔聲去耦瓦含有空腔的特殊結構形式，該空腔結構形式在受到爆炸沖擊波時，腔體將產生變形并吸收能量，這必然會對水下航行器的抗沖擊性能產生影響?；谟邢拊?，通過改變敷設在結構表面的隔聲去耦瓦性能參數（包括空腔結構形式、空腔尺寸及材料厚度等），采用ABAQUS大型非線性動力學分析軟件，對隔聲去耦瓦空腔結構變形與沖擊波能量吸收之間的關系進行了研究，得到了隔聲去耦覆蓋層空腔結構變形、速度及加速度與沖擊波能量吸收之間的關系，并在此基礎上，給出兼具抗沖和隔振功能的聲學覆蓋層結構設計建議。結果表明在聲學覆蓋層滿足結構減振降噪要求情況下，建議盡量減小聲學覆蓋層的腔體形狀。

板結構；雙層圓柱殼；隔聲去耦瓦；爆炸沖擊波；抗沖擊性能

1 引言

聲學覆蓋層技術是潛艇隱身的一項關鍵技術，也是提高潛艇隱身性能最常見的一種方法，國內外學者均對其聲學特性進行了大量的研究［1－5］。某型隔聲去耦覆蓋層由多層粘彈吸聲材料層合而成，并在內部設置了空腔結構，在多種因素的共同作用下，具有明顯的減振降噪效果［6］。與此同時，由于隔聲去耦瓦含有空腔的特殊結構形式，該空腔結構形式在受到爆炸沖擊波時，腔體將產生變形并吸收能量，這必然會對水下航行器的抗沖擊性能產生影響。因此，深入探討隔聲去耦瓦對水下爆炸沖擊波的吸收作用，開展隔聲去耦瓦對水下結構沖擊環境的影響研究，充分評估敷設隔聲去耦瓦前后結構的沖擊環境，找到隔聲去耦瓦對水下結構沖擊環境的影響隨去耦瓦性能參數的變化關系，并在此基礎上通過改變空腔幾何形狀等相應的性能參數對隔聲去耦瓦進行優化，使其不僅能夠較好地降低結構的輻射噪聲、抑制結構振動，還能夠在水下爆炸沖擊波作用下，起到吸收沖擊波能量的作用，進而明顯改善水下航行器的沖擊環境，是迫切需要解決的問題。目前國內外對水下聲學材料抗沖擊性能的研究報道還較少。劉建湖［7］采用DAA法對聲學材料厚板一維模型在水中沖擊波作用下的動響應進行研究，初步給出了采用DAA法計算聲學材料沖擊特性的計算方法。

本文首先以某一板為例，研究了敷設隔聲去耦瓦的板在沖擊波載荷作用下的抗沖性能；由于加筋雙層圓柱殼結構是水下航行器的主要結構形式，所以最后對敷設隔聲去耦瓦的雙層圓柱殼的抗沖性能進行了討論，這對于水下結構的抗爆設計具有重要的參考意義。

2 計算理論

2.1 炸藥爆轟過程

在研究爆炸現象時，需從確定炸藥與其周圍介質之間的邊界物理條件出發，建立狀態方程式，描述炸藥的爆轟過程。爆轟壓力P和每單位體積內能E及相對體積V的關系采用JWL（Jones－Wilkins－Lee）［8］狀態方程加以描述。即：

式中：ω、A、B、R1、R2是輸入參數，適用于各種凝態炸藥。

為了研究沖擊波在流體中的傳播，必須從力學基本定律出發建立理想流體的運動微分方程。略去熱傳導和粘性的影響，并認為流速或內能對時間連續。

對于給定的爆炸，任意一點上的壓力僅與炸藥當量有關，峰值壓力Pm可按指數規律近似給出：

式中：W為炸藥當量；R為距爆心距離；k、α是常系數，通常取k＝533，α＝1.13。

2.2 沖擊波波陣面壓力隨時間變化

沖擊波超壓隨時間的變化規律Δp（t）可簡單地用指數函數描述［9，10］：

而pm值由公式（2）求得；沖擊波波形隨時間的變化曲線如圖1所示。

圖1 沖擊波p（t）曲線

2.3 應力波在結構中傳播

應力波是一種稀疏波，其在連續介質中的傳播速度為：

其中，E是介質材料的彈性模量；ρ是介質材料密度；μ為泊松比。對于船用903鋼E＝2e11 Pa，ρ＝7 800 kg／m3，于是c＝5 064 m／s。由此可見，應力波在介質中的傳播速度非常高。應力波在介質中傳播時，如果遇到空隙、不同的介質或邊界，它就會產生折射和反射，從而產生波與波的聚焦作用，可能產生高應力區，誘發材料的破損。為了使計算中不漏掉這樣的危險點，必須保證每一個時間步長內應力波不會越過2個單元。一般認為時間步長Δt滿足：

其中，L為最小網格單元尺寸；c為材料中的聲速，k是小于1的系數。

3 敷設隔聲去耦瓦的板結構抗沖擊性能研究

3.1 計算模型

隔聲去耦瓦結構如圖2～圖3所示，隔聲層材料厚度為B1，吸聲層、阻尼層材料厚度為B2，兩空腔結構上下徑及高度尺寸分別為 d1、d2、d3、d4。圖4給出了板結構的幾何模型以及邊界條件。

由于聲學覆蓋層結構是由橡膠材料組成的，而橡膠材料在彈性范圍內具有高度的非線性，且在大變形時 （通常超過100%）仍保持為彈性，因此，聲學覆蓋層結構材料的本構關系不能由簡單的線彈塑性模型來描述，對于橡膠材料，其本構關系應由超彈性（hyperelasticity）模型來描述。在水下爆炸等產生高應變率現象的數值試驗中，描述鋼材動態特性［11］的材料模型有兩種，本文中鋼板采用Plastic－Kinematic模型，且均采用體單元進行網格劃分。

圖2 隔聲去耦瓦結構示意圖

圖3 隔聲層結構幾何圖

圖4 結構幾何模型

3.2 模型載荷及考核點

圖5給出了爆心與結構剖面相對位置，圖中示出了：自由表面S0（0壓力邊界）、與流場相連的結構濕表面Ssw、與結構表面相連的流體表面Sfw以及流體邊界Sinf（無反射邊界）。爆炸載荷源點S， S點位于隔聲去耦瓦正下方30 m處，設定沖擊波傳播過程中最先到達結構表面的點為A點。ABAQUS分析水下爆炸時提供兩種方法：散射波公式和總波公式。對于散射波公式，流體是線性的，忽略了流體的氣穴現象。所謂的氣穴現象就是指沖擊波到達自由面后，使水面快速上升，并在一定的水域內產生很多空泡層，最上層的空泡層最厚，向下逐漸變薄。隨著靜水壓力的增加，超過一定的深度后，便不再產生空泡；對于總波公式，可以考慮流體的氣穴現象，流場靜壓也可以包括在內，如果想得到流場中總的壓力則可以采用總波公式。本文采用的是散射波公式，忽略了流體的氣穴現象和流體靜壓的影響，沒有考慮氣泡效應［12］。板結構考核點取在板正中心。

圖5 模型結構與爆心關系示意圖

3.3 工況描述

由于隔聲去耦瓦材料的物理特性是確定的，故在對敷設隔聲去耦瓦的板結構抗沖特性進行研究時，通過改變隔聲去耦瓦結構空腔形狀、空腔尺寸及隔聲去耦層厚度等參數對其進行研究；隔聲去耦瓦結構尺寸參數及各工況詳見表1，模型具體的計算工況見表2。（其中B，H，d的含義見圖2）。

表1 隔聲去耦瓦尺寸參數（cm）

3.4 結果分析

3.4.1 板結構抗沖性能隨隔聲去耦瓦尺寸變化關系

首先討論敷設隔聲去耦瓦結構隨隔聲去耦瓦尺寸的變化關系，圖6（a）～圖6（c）給出了沖擊波載荷作用下，不敷設隔聲去耦瓦和敷設不同厚度隔聲去耦瓦時結構的加速度、動能及內能變化關系。

表2 模型工況表（cm）

圖6 隔聲去耦瓦沖擊性能隨結構尺寸的變化關系

從圖6可以看出，敷設不同厚度隔聲去耦瓦時板結構的加速度、動能、內能等均不相同。由圖6（a）可以看出，當敷設一定厚度的隔聲去耦瓦結構時，板中心加速度會有所提高；但隨著隔聲去耦瓦厚度的增大，板中心加速度變化不大。由圖6（b）～圖6（c）可以看出，敷設隔聲去耦瓦后鋼板結構的動能及內能都有較大的提高，隨著隔聲去耦瓦結構厚度的增加，板架結構的最大內能在不斷增加；板架結構的最大動能隨隔聲去耦瓦結構厚度的增加有所減小，但相對于不敷設隔聲去耦瓦結構仍有較大提高。可見盡管板架吸收的能量僅占系統能量的一小部分，但僅此部分能量也較沒有敷設隔聲去耦瓦時系統吸收的能量偏大，這說明敷設隔聲去耦瓦后系統從外界吸收的能量有了很大提高。即從能量方面考慮，由于隔聲去耦瓦的存在使得結構變得更加危險。而從加速度方面考慮，則隔聲去耦瓦結構的存在使得結構考核點的最大值略有減小。

3.4.2 板結構抗沖性能隨隔聲去耦瓦腔形的變化關系

下面討論板架結構隨隔聲去耦瓦形狀的變化關系。圖7（a）～圖7（c）給出了沖擊波載荷作用下，不敷設隔聲去耦瓦和敷設不同腔形隔聲去耦瓦時鋼板結構的加速度、動能、內能變化關系。

圖7 隔聲去耦瓦沖擊性能隨腔型的變化關系

由圖7（a）可以看出，不論是否開設空腔，敷設隔聲去耦瓦材料后，板架結構的加速度均較不敷設隔聲去耦瓦時偏大，不開設空腔時板結構加速度較開設空腔時偏??；從圖中亦可看出，不敷設隔聲去耦瓦材料時，板中心加速度曲線隨時間的衰減較小，敷設隔聲去耦瓦后板中心加速度、速度、位移曲線隨時間的衰減較快，這說明隔聲去耦瓦具有良好的阻尼效果。由圖6（b）～圖6（c）可以看出，敷設隔聲去耦瓦后板結構的動能及內能都有較大的提高；當不開設空腔結構時，板結構的內能及動能較開設空腔結構時有所減小，但仍較不敷設隔聲去耦瓦時的情況偏大。

4 敷設隔聲去耦瓦的雙層殼抗沖擊性能研究

4.1 計算模型

隔聲去耦瓦結構模型及圓柱殼結構模型如圖8所示。

圖8 結構幾何模型

4.2 模型載荷及考核點

圖9（a）給出了爆心與結構剖面相對位置；圖9（b）給出了內外殼板考核點的位置。在計算水下爆炸沖擊波時，裝藥量為806 kg TNT。

圖9 爆心位置與結構考核點示意圖

4.3 結果分析

4.3.1 圓柱殼抗沖擊性能隨不同敷設部位變化規律

首先討論圓柱殼沖擊特性隨不同敷設部位的變化規律。通過對比圓柱殼內殼外表面敷設、外殼內表面敷設、外殼外表面敷設以及殼體表面不敷設隔聲去耦瓦4種情況下殼體的沖擊特性來確定合適的敷設部位。計算工況見表3，其中各工況下隔聲去耦瓦厚度均為3 cm，空腔形狀為圓臺，其高度為2 cm，上表面半徑為0.5 cm，下表面半徑為1 cm。

表3 計算工況

表4給出了雙層殼結構各計算工況的詳細對比結果。

表4 模型工況計算結果

從表4可以更直觀地看出雙層殼結構最大加速度、速度、位移、最大內能及動能在敷設隔聲去耦瓦前后的變化情況?？梢钥闯?，敷設隔聲去耦瓦后，圓柱殼結構的最大動能均有不同程度的減小，其中外殼內表面敷設隔聲去耦瓦時結構的最大動能減小最明顯，降幅達14.8%；內殼敷設隔聲去耦瓦時結構的最大內能有少量增加，但不明顯，外殼內表面敷設時最大內能有明顯的降低，降幅達20.6%，外殼外表面敷設時，殼體最大內能也有一定的降低。由此可見，敷設隔聲去耦瓦后殼體結構的總能量有所降低，且在外殼內表面敷設時，殼體能量降幅最大，使殼體結構的破壞環境有所減弱。而從加速度、速度、位移方面考慮，外殼表面敷設隔聲去耦瓦后圓柱殼結構的沖擊環境變得更加惡劣，而內殼表面敷設時，殼體的沖擊環境變化不大，甚至略有好轉。

4.3.2 圓柱殼抗沖擊性能隨去耦瓦厚度變化規律

通過上一節分析得到，內殼外表面敷設隔聲去耦瓦時，殼體的抗沖擊性能有較大改善。接下來將研究內殼外表面敷設隔聲去耦瓦時，覆蓋層厚度變化對殼體的沖擊特性的影響。具體的工況見表5，其中隔聲去耦瓦空腔尺寸及形狀與前一小節相同。

表6給出了以上各工況下，殼體結構的最大內能、最大動能、內殼以及外殼的最大加速度值。

表5 計算工況

表6 模型工況計算結果

從表6可以明顯看出，殼體最大動能以及內殼的最大加速度隨著隔聲去耦瓦厚度的增加呈下降的趨勢，且當覆蓋層厚度為4.5 cm時，內殼加速度降幅達33.1%；而殼體的最大內能隨厚度的變化不太明顯，最大增幅不過0.75%；外殼最大加速度的變化趨勢較為復雜，且當覆蓋層厚度為3.5 cm時，外殼加速度降幅最大，達17.34%。

另外，通過大量的數值計算，結構的抗沖性能隨隔聲去耦瓦厚度與殼板厚度比存在如下關系：假定隔聲去耦瓦的厚度為t1，內殼厚度為t2，敷設隔聲去耦瓦后殼體的最大動能為SA，不敷設隔聲去耦瓦時殼體最大動能為Ss，敷設隔聲去耦瓦后內外殼的最大加速度分別為An1和Aw1，不敷設隔聲去耦瓦時內外殼的最大加速度分別為An和Aw，則通過前面大量的計算分析，SA／Ss、An1／An以及Aw1／Aw與t1／t2分別存在圖10～圖12所示的關系。

圖10 SA／Ss與t1／t2之間的關系

圖11 An1／An與t1／t2之間的關系

圖12 Aw1／Aw與t1／t2之間的關系

由圖10可以看出，當t1／t2較小時，SA／Ss先隨t1／t2的增大而增長，當t1／t2達到一定程度后，SA／Ss又隨t1／t2迅速遞減，即從能量方面考慮，在殼體表面敷設隔聲去耦瓦后，殼體結構的動能隨著覆蓋層厚度的增加先增大然后減小。由圖11及圖12可以看出，從加速度方面考慮，殼體的加速度變化趨勢卻不如能量方面規則，且當t1／t2介于1.6和1.8之間時，內殼加速度達到最小值，而外殼加速度卻接近峰值，可見An1／An與t1／t2之間的關系曲線同Aw1／Aw與t1／t2之間的關系曲線呈相反的變化趨勢，即內、外殼的加速度隨覆蓋層厚度變化有相反的變化趨勢。由此可見，在水下航行器表面敷設隔聲去耦瓦時，應綜合考慮各方面的變化，否則將對水下結構的抗沖擊性能產生負面影響。

4.3.3 圓柱殼抗沖擊性能隨去耦瓦腔形變化規律

本節將針對圓柱殼內殼表面敷設相同厚度隔聲去耦瓦后殼體的抗沖性能隨腔形的變化關系進行分析。具體的計算工況見表7，其中各工況下隔聲去耦瓦厚度均為3 cm，圓臺和圓柱形空腔高均為2 cm，圓臺空腔上表面半徑為0.5 cm，下表面半徑為1 cm，圓柱空腔半徑為1 cm。

為便于分析比較，表8給出了殼體各計算工況的詳細對比結果。

表7 計算工況

表8 模型工況計算結果

從表8可以更明顯地看出殼體的抗沖性能隨隔聲去耦瓦空腔形狀的變化關系，可以看出：殼體的最大動能以及內外殼的最大加速度隨空腔體積的增大呈增加的趨勢，但變化的幅度很??；而殼體的最大內能較不敷設時幾乎無變化，最大增幅不過0.76%。

5結 論

本文研究了敷設隔聲去耦瓦板以及雙層加筋圓柱殼的抗沖性能，可以得到以下結論：

1）板結構加速度、鋼板結構的內能、動能先隨聲學覆蓋層厚度的增大而增大；當聲學覆蓋層厚度超過一定厚度后，板結構加速度、內能、動能又有所減小，但板結構的加速度隨聲學覆蓋層厚度的增大變化不大；

2）敷設同樣厚度的聲學覆蓋層時，腔形對板結構的抗沖性能有較大影響：空腔越大，板架結構的內能、動能越大；空腔越小，板架結構的內能、動能越??；不開設空腔時，板架結構的內能、動能最小。隔聲去耦瓦在滿足結構減振降噪要求情況下，建議盡量減小隔聲去耦瓦的腔體形狀；

3）綜合考慮加速度、速度、位移及能量，可以得出：在內殼外表面敷設隔聲去耦瓦時結構的抗沖擊性能較其他敷設部位好；

4）殼體表面敷設不同厚度的隔聲去耦瓦后，從能量以及加速度方面考慮，殼體的沖擊特性則遵循一定的曲線關系。內、外殼的加速度隨覆蓋層厚度變化有相反的變化趨勢，在水下航行器表面敷設隔聲去耦瓦時，應綜合考慮各方面的變化，否則將對水下結構的抗沖擊性能產生負面影響。

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Numerical Study on the Anti-shock Capability of Acoustic Insulated and Decoupled Tiles

Wang Yu1Qian De－jin2Zeng Ling-yu2Yao Xiong－liang2
1 Ship Institute，Navy Equipment Academy，Beijing 100073，China 2 College of Shipbuilding Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China

Covering of acoustic insulated and decoupled tile materials is the widely used and very efficient way to improve the hiding capability of underwater vehicles.However，these tiles have a unique structure with cavity inside which may distort and absorb energies under the impact of explosive shock waves and thus affects the anti-shock performance of underwater vehicles.Based on FEM，by changing the tile parameters（the cavity shape and dimension，the layer thickness，etc.），the relation between tile distortion and the impact energy absorption is investigated by general nonlinear dynamic software package－ABAQUS.As a result，the relation of tile layer distortion，velocity，and acceleration with respect to the energy absorption capability is established.Based on these relations，some suggestions are made to make balance between anti-shock performance and vibration isolating effect in design of the acoustic tile layers.The results show that once the noise and vibration control meet the requirements，the cavity shape of acoustic covering layer should be as minimum as possible.

plate structure；double cylindrical shell；acoustic insulated and decoupled tile；explosive shock wave；anti－shock capability

U661.4

A

1673－3185（2009）03－01－07

2008-12-29

國際科技合作基金資助項目（2007DFR80340）；船舶工業國防科技預研基金資助項目（07J 1.5.3）

汪 玉（1964－），男，研究員，博士生導師。研究方向：船舶與海洋工程結構動力學