夾芯圓柱殼在水下爆炸載荷作用下的抗沖擊特性＊

鄧 磊，王安穩，毛柳偉

（海軍工程大學理學院，湖北 武漢430033）

隨著現代海軍對艦艇抗沖擊性能的要求不斷提高，新型抗沖擊防護結構成為研究熱點。夾層結構以其高強度，高吸能的特點受到廣泛關注。汪浩等［1］提出了一種新型矩形蜂窩夾芯夾層加筋圓柱殼結構形式，分析了其在水下爆炸沖擊載荷下的動力響應特征及沖擊防護作用機理。童宗鵬等［2］分別通過實驗和數值模擬對沖擊防護層的抗爆炸特性進行了研究，結果表明：沖擊防護層結構能夠顯著改善船體模型的沖擊環境，實驗與有限元結果吻合良好。Xue Zhen－yu等［3－5］在對爆炸沖擊載荷作用下夾芯層板的性能以及變形過程和機理進行了多方面的分析，發現與等質量的實體板相比，夾層板具有更高的強度和能量吸收能力，經過優化設計后的夾層板，能夠大幅提高結構的整體抗沖擊能力。本文中，建立夾芯圓柱殼和等質量的普通圓柱殼在水下爆炸載荷作用下的有限元模型，普通圓柱殼的有限元計算結果與文獻［6］的實驗結果吻合良好。將夾芯圓柱殼和等質量的普通圓柱殼在爆炸載荷作用下的應變、速度和加速度進行了對比，證明夾芯防護層結構能吸收大部分能量，可對圓柱殼體起到較好的保護作用。

1 模 型

1.1 流固耦合模型的建立

文獻［6］中對圓柱殼進行了水下爆炸實驗，實驗在39.6m的水深環境下進行的，采用27.3kg的HBX－1炸藥。根據文獻［6］建立流固耦合模型，如圖1所示，其中：Rw為流場半徑，R為圓柱殼結構半徑。炸藥和圓柱殼處于同一水深D1＝3.66m，炸藥距圓柱殼上的點B1最近，距離為D2＝7.62m，B1點位于圓柱殼外表面的中心位置。文獻［6］中實驗測得B1點所承受的沖擊波載荷如圖2所示。

圖1 流固耦合模型Fig.1 Coupled fluid－structure model

圖2 水下爆炸載荷隨時間變化關系Fig.2 Histories of underwater explosion load

1.2 夾芯圓柱殼的幾何、材料參數

夾芯圓柱殼由圓柱殼和附著在其外表面的夾芯防護層結構組成。夾芯防護層結構由上、下面板和芯層組成，防護層下的圓柱殼的兩端有蓋板。夾芯防護層下圓柱殼的幾何尺寸，除厚度外，其他幾何參數與文獻［6］中的圓柱殼一致。夾芯圓柱殼的總質量與文獻［6］中的圓柱殼相等，結構形式如圖3所示。

圖3 夾芯圓柱殼計算模型Fig.3 Sketches of the sandwich cylindrical shells

為了將夾芯圓柱殼和等質量的普通圓柱殼作對比，夾芯圓柱殼中所選取的研究點A1、B1、C1均位于其內部圓柱殼體的外表面上，所選取研究點位置與文獻［6］中相應實驗測點的位置一致。整個夾芯圓柱殼結構沿其軸向的長度為L，B平面位于沿圓柱殼軸線1／2長度處并垂直于z軸，A、C平面與B平面平行，且距離B平面的距離為L1。夾芯圓柱殼的內、外半徑分別為R、R1。圓柱殼的殼體厚度為t，兩端蓋板厚度為t1。夾芯防護層在長度方向有m個夾芯單元，芯層薄壁間距為lc；環向有n個夾芯單元，每個單元所對應的圓心角為α；夾芯防護層由上、下表面和芯層組成，上、下面板厚度分別為tt，tb，芯層薄壁厚度為tc。整個夾芯圓柱殼結構均采用6061－T6鋁合金材料［6］，材料參數為：彈性模量E＝75.6GPa，強化模量Et＝1.24GPa，材料密度為ρ＝2 785kg／m3，泊松比ν＝0.33，屈服應力σs＝300MPa。

1.3 有限元模型

聲固耦合算法采用一種聲學介質來描述流體，沖擊波在聲學單元中傳播［7］。利用有限元軟件ABAQUS／Explicit，應用聲固耦合方法模擬夾芯圓柱殼和等質量的普通圓柱殼在水下爆炸載荷下的動態響應，水下爆炸產生的沖擊波以聲速傳播［8］。在進行水下爆炸模擬分析時，附連水質量的影響不可忽視［9］，綜合考慮計算結果的精確性和計算的時間因素，取流場半徑Rw為圓柱殼結構半徑R的6倍，水的密度為1 000kg／m3，水中聲速為1 463m／s。夾芯圓柱殼的有限元模型如圖4所示。

圖4 夾芯圓柱殼的有限元模型Fig.4 Finite element model of the sandwich cylindrical shells

ABAQUS軟件在處理水下爆炸沖擊載荷時，通過給定爆炸點的位置和結構上離爆炸點最近點的壓力時程曲線，軟件自動計算流場中的壓力分布［9］。普通圓柱殼的有限元模型中，壓力作用點為B1點；夾芯圓柱殼的有限元模型中，壓力作用點為x軸的正向與夾芯防護層上面板的交點。普通圓柱殼和夾芯圓柱殼的爆炸點與其壓力作用點的距離均為D2，夾芯圓柱殼壓力作用點的壓力時程曲線如圖2所示。夾芯圓柱殼結構采用S4R殼單元模擬，流場采用AC3D4聲學單元模擬，流場外邊界定義為無反射邊界條件，計算時夾芯圓柱殼的總質量和文［6］中圓柱殼的質量相等，等質量的普通圓柱殼的有限元模型與夾芯圓柱殼類似。圓柱殼的結構參數見文獻［6］，夾芯圓柱殼的結構參數如表1所示。

表1 夾芯圓柱殼結構參數Table 1 Structural parameters of sandwich cylindrical shells

2 夾芯圓柱殼在水下爆炸載荷下的變形分析

夾芯圓柱殼的有限元計算結果如圖5所示，由圖5可以看出，爆炸載荷作用下，夾芯防護層在平面A、B、C處的變形較大，破壞較為嚴重。為了便于比較和分析，選取A1、B1、C1點作為研究對象，將夾芯圓柱殼和等質量的普通圓柱殼在此3點處的應變、速度和加速度與文獻［6］中普通圓柱殼的實驗值進行對比，文獻［6］中的實驗在進行過程中有部分點的應變片失效，失效的點的數據采用文獻［6］中數值計算得到的數據代替。

圖5 夾芯圓柱殼的有限元計算結果Fig.5 Finite element simulation results of the sandwich cylindrical shells

2.1 應變分析

A1、B1、C1點處的軸向應變和環向應變計算結果為圖6～8所示。

圖6 圓柱殼A1處應變隨時間變化曲線Fig.6 Histories of strains at points A1on cylindrical shells

由圖6～8中可以看出，普通圓柱殼的有限元計算結果與實驗值基本吻合，說明了利用ABAQUS軟件進行有限元建模的正確性。在爆炸載荷作用下，夾芯圓柱殼的圓柱殼體在A1、B1、C1處基本無永久塑性變形，而等質量的普通圓柱殼在點A1、C1處有永久塑性變形。在同一點處，夾芯圓柱殼的軸向應變和環向應變都普遍小于普通圓柱殼對應點處的應變值。由于夾芯防護層的作用，使得夾芯圓柱殼的圓柱殼部分在沖擊載荷作用下的變形較小，夾芯防護層對里面的圓柱殼體起到較好的保護作用。

圖7 圓柱殼B1處應變隨時間變化曲線Fig.7 Histories of strains at points B1on cylindrical shells

圖8 圓柱殼C1處應變隨時間變化曲線Fig.8 Histories of strains at points C1on cylindrical shells

2.2 速度分析

在爆炸載荷作用下，結構獲得較大的速度，分別將夾芯圓柱殼和等質量的普通圓柱殼在A1、B1、C1點處x方向的速度作比較，結果如圖9所示。

圖9 圓柱殼表面速度隨時間變化曲線Fig.9 Histories of velocities on cylindrical shells

由圖9可以看出，爆炸載荷作用后，夾芯圓柱殼和普通圓柱殼均在短時間內獲得較大的速度，由于夾芯防護層的緩沖作用，夾芯圓柱殼的圓柱殼部分在A1、B1、C1點所獲得的最大速度的時刻要晚于普通圓柱殼，且最大速度均小于普通圓柱殼。表2所示為夾芯圓柱殼和普通圓柱殼的A1、B1、C1點在爆炸載荷作用下所圓柱殼表面獲得的速度絕對值的最大值，夾芯圓柱殼上A1、C1點的最大速度大約是普通圓柱殼的60%，在B1點的最大速度大約是普通圓柱殼的80%。

表2 圓柱殼表面速度絕對值最大值Table 2 The maximum absolute value of velocity on cylindrical shell

2.3 加速度分析

水下爆炸載荷作用下，結構獲得較大的沖擊加速度，加速度對結構的影響不可忽視。夾芯圓柱殼和等質量的普通圓柱殼在A1、B1、C1點處的加速度歷程如圖10所示。

圖10 圓柱殼表面加速度隨時間變化曲線Fig.10 Histories of accelerations on cylindrical shells

夾芯圓柱殼殼體在A1、B1、C1點所獲得的加速度遠遠小于等質量的普通圓柱殼，這是因為夾芯防護層的存在對應力波起到一定的衰減作用。爆炸載荷作用后，通過夾芯層最終傳遞到圓柱殼的載荷峰值減小很多，從而使得包裹在其中的圓柱殼體獲得較小的加速度值，夾芯防護層對內部的圓柱殼起到了很好的防護作用。夾芯圓柱殼所獲得的最大加速度不僅比普通圓柱的小，而且加速度的變化比較平緩，隨著時間的推移，很快趨于平穩。表3所示為普通圓柱殼和夾芯圓柱殼在A1、B1、C1點所獲得加速度絕對值的最大值比較，夾芯圓柱殼在A1、C1點的最大加速度約是普通圓柱殼的1／3，在B1點的最大加速度約是普通圓柱殼的40%。

表3 圓柱殼表面加速度絕對值最大值Table 3 The maximum absolute value of velocity on cylindrical shell

3 能量分析

圖11所示為夾芯圓柱殼各部分的塑性能耗散曲線，夾芯圓柱殼主要依靠自身的塑性變形吸能，整個夾芯圓柱殼的塑性能基本由夾芯防護層耗散。在爆炸載荷作用下，夾芯防護層中的芯層通過塑性變形耗散了絕大部分能量，夾芯層的上面板作為迎爆面，耗散了一部分能量，下面板耗散的塑性能基本為0。當沖擊載荷通過夾芯層傳遞到圓柱殼體時，載荷進一步衰減，已經不足以讓圓柱殼發生大的塑性變形，所以圓柱殼耗散的塑性能基本為0，僅發生了彈性變形，這與之前分析的圓柱殼結構基本不發生塑性變形一致。由此說明，夾芯防護層在整個夾芯圓柱殼的抗沖擊防護中起到了重要作用。圖12所示為夾芯圓柱殼各部分的動能曲線，圓柱殼的質量最大，獲得的初始動能最大，夾芯防護層的下面板獲得的初始動能最小，變形結束后，整個夾芯圓柱殼進行微幅的振動。

圖11 夾芯圓柱殼塑性能量耗散曲線Fig.11 Histories of plastic energies dissipation on sandwich cylindrical shells

圖12 夾芯圓柱殼動能時程曲線Fig.12 Histories of kinetic energies on sandwich cylindrical shells

4 結 論

通過有限元數值模擬方法，建立夾芯圓柱殼和等質量的普通圓柱殼在水下爆炸載荷作用下的有限元模型，將夾芯圓柱殼和等質量的普通圓柱殼在水下爆炸載荷下的動態響應和變形機理進行了對比分析。得到如下結論：

（1）夾芯防護層對爆炸沖擊波有較好的衰減作用，通過芯層的塑性變形，耗散了夾芯圓柱殼在沖擊過程中產生的大部分能量，對提高整個夾芯圓柱殼結構的能量吸收起到關鍵作用。

（2）夾芯防護層結構除了吸收大部分的能量外，還改善了上、下面板的吸能特性，極大的改善了沖擊環境，對里面的圓柱殼體起到了較好的保護作用，具有優異的抗沖擊防護特性。

（3）由于夾芯防護層的屈曲變形及能量吸收，夾芯圓柱殼較普通圓柱殼更能起到保護內層結構，降低結構整體變形的作用，將其應用于抵抗爆炸載荷的防護結構，有很好的應用前景。

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