復合材料層合殼體結構在艦船抗沖擊中的應用

傅磊 海軍潛艇學院研究生隊 266071

復合材料層合殼體結構在艦船抗沖擊中的應用

傅磊 海軍潛艇學院研究生隊 266071

復合材料層合結構在工事防護方面的應用已比較成熟，但對其在艦船抗沖擊中的應用還有待于進一步研究。因此，可以考慮將復合材料層合結構引入到艦船殼體構成復合殼體。本文綜述了國內外關于水下爆炸作用基礎理論，復合材料層合結構實際應用及數值模擬等方面的研究進展，對于提高艦船抗沖擊性能有著重要的意義。

水下爆炸；復合材料；層合結構；艦船抗沖擊

引言

艦艇在戰時將不可避免地遭受水下爆炸沖擊破壞，對船體及艦員都有一定程度的損傷。隨著國防科技的不斷發展，艦員抗沖擊技術研究作為一項新的課題領域，已逐步展開相關論證，而解決這一問題的基礎還是在于增強船體的抗沖擊性能。近年來，我國在艦船抗沖擊技術領域的研究迅速開展，其中復合材料層合結構防護在艦艇上的應用研究更是方興未艾。為了最大限度的減小艦員損傷，保證艦艇的生命力和戰斗力，還需要對艦船抗沖擊技術進行不斷深入研究。由于艦船抗沖擊性能在很大程度上取決于艦船殼體的防護，開展復合材料層合殼體結構在艦船抗沖擊中的應用研究很有必要。

1 水下爆炸載荷

水下爆炸載荷是艦船水下爆炸動力學研究的基礎，水下爆炸載荷的形成大體可分為三個階段：裝藥的爆轟、沖擊波的產生和傳播、氣泡的形成和脈動。

美國人Cole早在1948年就對有關水中爆炸的物理效應做了系統的闡述, 介紹了水中爆炸所依從的基本規律、水中爆炸的實驗研究方法及其破壞作用過程等。對沖擊波、氣泡的運動、二次壓力脈沖這三個水中爆炸的主要過程進行了論述, 并提出了一些經驗計算公式, 尤其是對于中遠場的水中爆炸沖波計算現今仍被人們廣泛使用。

1.1 水中爆炸沖擊波的研究

在Cole研究的基礎上, 目前對于水中爆炸沖擊波的研究主要集中于對不同類型水中炸藥的爆轟機理, 對經典理論進行不同適用范圍的修正, 并從理論上進行說明。

前蘇聯科學家Zamyshlyayev在Cole研究成果的基礎作了進一步發展，全面系統地論述了沖擊波和隨后的壓力波，并研究了沖擊波在自由面和水域底的非線性效應，采用理論和試驗相結合的辦法，重點討論了自由面和底部效應、繞射效應、空化效應、沖擊波與結構的相互作用效應。給出的水中壓力波公式包含了氣泡膨脹和收縮的過程，并用解析式表達，直觀明了，更便于應用。國外學者還通過大量的試驗研究, 得出了不同水深、多種炸藥的水中爆炸沖擊波的經驗公式, 修正了Cole的某些計算公式, 并比對了相應炸藥的水中爆炸當量，并根據不同的溫度狀態,提出了Cole的某些計算公式的適用環境范圍。

俞統昌等研究了幾種典型炸藥的水下爆炸沖擊波性能與炸藥本身爆速、爆壓的關系, 提出合理選用水中炸藥的某些準則。由于無限水介質中爆炸沖擊波的計算公式較多, 且在不同的比例距離范圍內各有區別, 周方毅等對多種水中爆炸沖擊波的計算公式進行了選用辨析, 提出了不同條件下推薦使用的公式。還有研究者利用相似理論研究了水中爆炸的宏觀規律,討論了將相似理論運用于炸藥水中爆炸研究的基本前提和使用方法, 并利用實驗進行了驗證。李澎研究了由能流密度—時間曲線經驗表達式簡化計算的水中爆炸沖擊波的傳播, 用簡單數值積分法解拉格朗日形式的偏微分方程組, 適當選取起算參數, 對5倍裝藥半徑外的爆炸場范圍計算精度良好。蘇華對于有限水域中的TNT和鈍化RDX的爆炸沖擊波參數進行了理論修正, 并研究了裝藥的幾何形狀, 引入了幾何形狀系數對沖擊波的衰減進行計算。

1.2 水中爆炸氣泡脈動的研究

水中爆炸的突出特點是氣泡脈動問題。關于水中爆炸氣泡脈動現象和能量輸出的基礎理論, 國外開展了廣泛的理論和實驗研究, 并進行了大量的數值模擬工作。研究方向主要集中在水中爆炸氣泡的運動規律、界面能量輸出以及氣泡的形狀控制技術等。美國NSWC 收集了175 次水中爆炸試驗的數據, 對于氣泡能和沖擊波能量的關系進行了詳細研究, 建立了沖擊波能量和氣泡能量的估算公式, 研究了水中兵器戰斗部殼體對水中爆炸沖擊波和氣泡的影響。

通常情況下, 在水中爆炸沖擊波過后, 炸藥爆轟產物形成的氣泡含有炸藥爆炸總能量約47%的能量, 在周圍水介質的作用下膨脹和壓縮, 產生滯后流和脈動壓力。而對于氣泡脈動的運動研究主要是通過處理炸藥水中爆炸產生的沖擊波曲線來進行, 通過對試驗測試數據分析之后得出一些半理論—半經驗公式來指導工程實踐。如可根據不同的應用狀態, 通過大量的實測數據, 得出了不同水深、多種炸藥的水中爆炸脈動氣泡的經驗計算公式。但這種研究方法難以完全解釋氣泡脈動的物理圖像, 因而隨著計算機技術的飛速發展, 數值仿真技術大量地應用于炸藥水中爆炸產生的氣泡脈動研究, 目前已經可以利用大型通用有限元程序模擬起爆、沖擊波在水中傳播過程、氣泡的增長等, 如ANSYS /AUTODYN的高階Euler求解器可精確地模擬氣泡的膨脹、壓縮、潰滅以及氣泡收縮而形成的射流。

2 復合材料層合結構的抗爆性

2.1 復合材料層合結構的應用

為了降低和防止爆炸沖擊波對目標的破壞,提高防爆抗沖擊能力，一般采用增加單層介質厚度和開發新型材料, 蔡斌對新型復合材料在船艇工業中的應用作了相關評述，總結了國內外GFRP玻璃纖維增強塑料 （玻璃鋼）及碳纖維、凱芙拉（Kevla）先進復合船艇材料的發展。吳始棟 綜述了美國等國的樹脂基復合材料的開發與應用現狀和取得的經濟效果，重點分析了復合材料在潛艇上的應用，指出需要解決的問題和未來的展望。

同時，為了有效抵抗沖擊和爆炸下的高強度高應變率載荷，越來越多的被攻擊和防護目標已由原來的單層材料改為了由多層介質（通常為硬—軟—硬三明治介質）組成的結構。這種復合材料層合結構目前在地面軍事建筑、地下防護工程等方面應用廣泛。工程實踐表明，具有軟夾層的硬—軟—硬（H—S—H）多層介質具有較明顯的抗沖擊與爆炸能力。這種組合的優點是：硬層能抗擊近距離的爆炸波作用，充分發揮其強度與剛度效應；軟層一般由多孔泡沫材料組成，波阻抗低，強度與剛度低，變形大，在吸收爆炸波能量的同時，能起到削波和改變波形以及增加波的脈寬的作用。

復合材料層合結構在工事防護方面的應用已比較成熟，但對其在艦船抗沖擊中的應用還有待于進一步研究。因此，可以考慮將復合材料層合結構引入到艦船殼體構成復合殼體，開展其損傷特性研究，對于提高艦船抗沖擊性能有著重要的意義。

2.2 應力波在復合殼體中的傳播

裝藥爆炸后形成的水中沖擊波經過一定距離的衰減到達復合殼體表面時，其壓力已降低到一定的程度。這時再在固體介質中傳播，可視為應力波。而該表面的沖擊波壓力可視為應力波的初始壓力。復合殼體由多層介質層合而成，研究應力波在介質中的傳播機理，尤其是“軟介質”對應力波的吸收、衰減作用，也尤為重要。

國外學者Mourtize對高分子復合材料的防爆性能和機理進行了理論分析和實驗。國內學者王禮立對爆炸沖擊波在多孔鋁、硬質泡沫塑料等輕質多孔疏松材料的傳播規律和沖擊性能進行了理論和實驗分析，研究結果表明輕質多孔材料不僅可以吸收沖擊波和飛片的沖擊能量，也能夠減緩主體材料的破損。王海福對多孔鐵和聚氨酯泡沫塑料的孔隙度與爆炸沖擊波衰減程度作了理論和實驗分析，結果表明隨著材料的孔隙度增大，沖擊波衰減程度顯著下降。胡時勝等對多種多孔泡沫材料進行了高應變率實驗，提出了包括應力、應變、應變率和密度等參量的本構關系，合理地分析了沖擊波在泡沫材料中的傳播特性，提出了多孔材料受沖擊載荷作用下破壞波（壓實波）的概念 。 DYNA程序對整船結構在水下爆炸沖擊載荷作用下的沖擊環境進行了仿真。張振華等 運用DYTRAN對水下爆炸沖擊波作用下自由環肋圓柱殼動態響應進行了數值仿真研究。

3 復合材料層合結構水下爆炸沖擊損傷數值模擬

4 結束語

爆炸動力學過程非常復雜，很難進行精確的解析分析，數值分析是有效的近似手段。對于艦船復合殼體遭受爆炸沖擊后出現的變形、破裂情況，解析的方法只能在極度簡化的情況下給予簡單的描述，通過實驗手段研究則耗資過于巨大。近年來利用數值模擬技術研究爆炸沖擊載荷作用下動態響應迅速發展。數值模擬方法建立在連續介質力學守恒方程的基礎上，可以完整地描述出系統的應力，應變以及破壞情況的時間歷程曲線。數值模擬方法已經成為研究爆炸沖擊響應的重要輔助手段。

按照所選用的坐標系分類，數值計算可以選用Lagrange坐標和Euler坐標。Lagrange坐標固結在物質上隨物質一起運動和變形。由于一個網格始終對應一塊物質團，因此能準確的描述不同部分材料的不同壓力歷程，容許對不同部分材料采用不同的本構關系，這是Lagrange坐標的優點;Lagrange坐標的缺點是當物質發生大變形時，網格也會發生大變形乃至扭曲，這樣會導致計算的不穩定。特別是在處理爆炸沖擊等問題時。Euler方法的節點固定在空間中，由相關節點連接而成的單元僅僅是空間的劃分。Euler網格是一個固定的坐標系，分析對象的材料在網格中流動。材料的質量、動量以及能量從一個單元流向另一個單元。因此，Euler法計算的是材料在體積恒定的網格中的運動。Euler法主要用于流體流動問題的分析以及固體材料發生很大變形的情況。

水下爆炸還涉及到沖擊波和結構體相互耦合作用的問題。流－固耦合問題一直是水下爆炸研究工作中的一個難點。而組合Lagrange和Euler方法的雜交技術，即ALE算法，可以很好地解決這一問題。

目前廣泛應用于水下爆炸方面的有限元軟件有NASTRAN、ADINA、DYNA、ASKA、ANSYS、ABQUAS、DYTRAN等,它們都考慮了結構響應的材料非線性和幾何非線性。

國外學者采用USA/DYNA3D程序計算了圓柱殼在水下爆炸側向沖擊作用下的非線性動態響應。國內姚熊亮等利用

前已述及，不斷深入研究艦船抗沖擊是保證艦員生命安全的關鍵。開展復合材料層合殼體結構在水下爆炸作用下的損傷研究，在艦船抗沖擊數值仿真模型化的基礎上，還需要進行實船爆炸實驗以驗證仿真的結果，同時，試驗所得的數據又可以作為進一步仿真的參數，兩者結合開展，才能使復合材料層合殼體結構在艦船抗沖擊中的應用更加成熟，使艦船抗沖擊技術體系研究不斷深入。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2010.22.065

傅磊（1987-），男，海軍潛艇學院在讀碩士，研究方向為水下爆破裝備技術與應用。