艦艇新型宏觀負(fù)泊松比效應(yīng)蜂窩舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)*

楊德慶,馬 濤,張梗林

(上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200030)

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艦艇新型宏觀負(fù)泊松比效應(yīng)蜂窩舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)*

楊德慶,馬 濤,張梗林

(上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200030)

提出一種具有宏觀負(fù)泊松比效應(yīng)的新型蜂窩舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)負(fù)泊松比效應(yīng)蜂窩胞元特殊結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)中等彈速下良好抗爆抗沖擊性能。利用有限元?jiǎng)恿W(xué)分析軟件，研究魚(yú)雷或?qū)椝聦?duì)舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)的撞擊侵入和穿透過(guò)程，對(duì)比研究了不同蜂窩構(gòu)型、材料、胞元尺寸和胞壁厚度對(duì)舷側(cè)結(jié)構(gòu)抗沖擊性能的影響。結(jié)果表明，蜂窩防護(hù)結(jié)構(gòu)具有良好的抗沖擊性能，負(fù)泊松比蜂窩構(gòu)型較正泊松比蜂窩構(gòu)型抗沖擊性能更優(yōu)。

固體力學(xué)；艦船防護(hù)結(jié)構(gòu)；非線性有限元；蜂窩結(jié)構(gòu)；負(fù)泊松比；負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)；抗沖擊

為提高抗爆抗沖擊能力，現(xiàn)代艦艇在舷側(cè)設(shè)置空艙+液艙+空艙的多層組合防護(hù)結(jié)構(gòu)。人們對(duì)艦艇舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)技術(shù)進(jìn)行了大量研究，D.V.Balandin等[1]、朱錫等[2]、杜志鵬等[3]、姚熊亮等[4]和李青等[5]研究了最佳抗沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法與抗爆機(jī)理，張延昌等[6]將蜂窩夾層板用于艦艇舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)，增加結(jié)構(gòu)塑性吸能。目前，正著力探索防護(hù)結(jié)構(gòu)多尺度材料/結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)。艦艇防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原理是，使防護(hù)結(jié)構(gòu)具有高效吸收外來(lái)能量(穿甲動(dòng)能、爆炸沖擊能)的作用，使結(jié)構(gòu)具有適當(dāng)剛度來(lái)緩沖外載荷造成的變形并具有一定強(qiáng)度，起到主結(jié)構(gòu)作用，強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)承載性與特殊功能性的綜合。工程上兼具上述效能的結(jié)構(gòu)當(dāng)屬多孔固體材料，如泡沫和蜂窩材料等。多孔固體材料同時(shí)作為主結(jié)構(gòu)承載材料和吸能材料使用，必須通過(guò)特殊的細(xì)觀與宏觀力學(xué)設(shè)計(jì)。特殊多尺度力學(xué)設(shè)計(jì)的多孔材料結(jié)構(gòu)，可表現(xiàn)出宏觀負(fù)泊松比和零導(dǎo)熱率等特性[7-9]。常規(guī)蜂窩結(jié)構(gòu)由于蜂窩壁厚過(guò)薄，難以承受面內(nèi)大載荷并保持結(jié)構(gòu)彈性狀態(tài)，較少作為主結(jié)構(gòu)材料使用[10-11]。將多孔固體材料微觀結(jié)構(gòu)構(gòu)型放大形成大尺度宏觀結(jié)構(gòu)構(gòu)型、解決抗爆抗沖擊問(wèn)題的研究，目前正逐步開(kāi)展。本文中，提出一種具有宏觀蜂窩構(gòu)型防護(hù)層的新型艦艇舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)。采用宏觀蜂窩主要是解決微觀蜂窩無(wú)法承受大載荷，蜂窩壁極易屈曲失效的難題。新型蜂窩舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)提高抗爆抗沖擊性能的機(jī)理為：蜂窩構(gòu)型變化導(dǎo)致的負(fù)泊松比效應(yīng)，使這類結(jié)構(gòu)具有不同于普通材料結(jié)構(gòu)的抗缺口壓阻效應(yīng)、抗斷裂性能及大幅提高的回彈韌性等[7]。在穿甲過(guò)程中，穿甲破口周圍材料由于負(fù)泊松比效應(yīng)，會(huì)向破口聚集，將破口填充，封閉或減小彈孔，提高抗爆強(qiáng)度。本文中，將具有正、負(fù)泊松比宏觀特性的六角形蜂窩結(jié)構(gòu)應(yīng)用于艦船舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)新型防護(hù)結(jié)構(gòu)，模擬魚(yú)雷或?qū)椩谒聦?duì)舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)的侵入和穿透過(guò)程，探討不同蜂窩結(jié)構(gòu)形式的舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)抗爆抗沖擊性能，研究其抗爆抗沖擊設(shè)計(jì)方法。

1 新型宏觀負(fù)泊松比效應(yīng)蜂窩舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)

新型負(fù)泊松比效應(yīng)蜂窩舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1～2所示，也是空艙+液艙+空艙組合形式，但在舷側(cè)板背面加裝了負(fù)泊松比效應(yīng)蜂窩層。舷側(cè)艙段結(jié)構(gòu)長(zhǎng)6 m，高4 m。艙段防護(hù)結(jié)構(gòu)由4層鋼板構(gòu)成，里面三層鋼板厚均為20 mm，常規(guī)防護(hù)結(jié)構(gòu)的最外層(第一層)鋼板厚48 mm，各層防護(hù)板間距為0.3 m。對(duì)于新型結(jié)構(gòu)第一層鋼板與第二層鋼板間填充蜂窩防護(hù)結(jié)構(gòu)，第一層鋼板厚20 mm，蜂窩胞元初始壁厚5 mm，舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)總重量為21 330 kg。正泊松比蜂窩胞元采用等邊六角形，立邊長(zhǎng)度等于斜邊長(zhǎng)度(H=L)，內(nèi)凹角為15°；負(fù)泊松比蜂窩胞元形狀為：立邊長(zhǎng)度兩倍于斜邊長(zhǎng)度(H=2L)，內(nèi)凹角為15°，如圖3所示。后文中蜂窩胞元大小均定義為胞元斜邊長(zhǎng)度。反艦導(dǎo)彈為截錐形圓柱彈體，其中截頂直徑為70 mm，彈體直徑250 mm，彈體長(zhǎng)度1.5 m，半錐角為20°。彈體質(zhì)量為514.7 kg，彈體初始速度分別為80、200和300 m/s。彈體對(duì)舷側(cè)結(jié)構(gòu)作垂直沖擊作用，高度方向距舷側(cè)艙段結(jié)構(gòu)底部為2.45 m，水平方向位于舷側(cè)艙段結(jié)構(gòu)中部，撞擊部位船體無(wú)加強(qiáng)筋。

假設(shè)蜂窩結(jié)構(gòu)材料用鋼量等于常規(guī)防護(hù)結(jié)構(gòu)舷側(cè)外板厚度減少的用鋼量。常規(guī)舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)舷側(cè)外板質(zhì)量，等于負(fù)泊松比效應(yīng)蜂窩舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)舷側(cè)外板質(zhì)量，加上蜂窩層材料質(zhì)量。

圖1 負(fù)泊松比蜂窩結(jié)構(gòu)舷側(cè)防護(hù)幾何模型及有限元模型Fig.1 Geometry and FEM model of defensive structure with re-entrant honeycomb

圖2 正、負(fù)泊松比效應(yīng)蜂窩夾芯舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)(局部)示意圖Fig.2 Defensive structure with honeycomb and re-entrant honeycomb (local)

圖3 正、負(fù)泊松比蜂窩胞元尺寸示意圖Fig.3 Size of honeycomb cell and re-entrant honeycomb cell

2 狀態(tài)方程及材料特性描述

采用有限元?jiǎng)恿W(xué)分析軟件LS-DYNA，模擬蜂窩夾芯舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)在受亞音速反艦導(dǎo)彈的撞擊和侵入作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程[12]。數(shù)值模擬中，考慮水與結(jié)構(gòu)間的流固耦合問(wèn)題。水采用空材料模型，狀態(tài)方程采用Grüneisen方程，即：

(1)

式中：密度ρ=1 000 kg/m3，聲速c=1 484 m/s，材料常數(shù)S1=1.979，S2=0，S3=0，γ0=0.11，α=3.0，單位體積內(nèi)能E=3.072×105Pa，相對(duì)體積V=1.0。船體舷側(cè)外板材料為45鋼，蜂窩材料分別選用45鋼、921鋼和鈦合金TC4。計(jì)算中采用Johnson-Cook本構(gòu)模型，該模型是一種與應(yīng)變率和絕熱(忽略熱傳導(dǎo))溫度相關(guān)的塑性模型，適用于很多大應(yīng)變率的材料，包括絕大多數(shù)金屬材料。其中流動(dòng)應(yīng)力表示如下：

(2)

(3)

T*為相應(yīng)溫度：

(4)

破壞應(yīng)變定義為：

(5)

σ*為壓力與有效壓力之比：

(6)

D1～D5為斷裂常量，當(dāng)破壞參數(shù)D達(dá)到1時(shí)即認(rèn)為發(fā)生斷裂：

(7)

除上述的失效準(zhǔn)則，該材料模型還為殼單元提供了一種基于最大穩(wěn)定時(shí)間步長(zhǎng)(Δtmax)的單元?jiǎng)h除準(zhǔn)則。45鋼、921鋼和鈦合金TC4材料的參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)Table 1 Material parameters of 45 steel, TC4 and 921 steel

3 設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)抗沖擊性能影響

采用彈體剩余速度為指標(biāo)，對(duì)不同蜂窩構(gòu)型、蜂窩材料、胞元壁厚和蜂窩胞元層數(shù)下舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)抗沖擊性能進(jìn)行了比較研究(見(jiàn)表2～3)。表中，h為蜂窩胞元厚度，vr為彈體剩余速度，N為胞元層數(shù)。這里剩余速度是指穿透第4層防護(hù)層的剩余彈速。200 m/s初始彈速下常規(guī)、正泊松比蜂窩和負(fù)泊松比蜂窩舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)破損情況,見(jiàn)圖4。

表2 彈體剩余速度Table 2 Residual velocity of missiles

表3 不同胞元層數(shù)下彈體剩余速度對(duì)比Table 3 Residual velocity of missiles with different cell layers

圖4 3種舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)破損示意圖Fig.4 Crevasse shapes of three kinds of defensive structures

計(jì)算結(jié)果表明，負(fù)泊松比蜂窩構(gòu)型在200 m/s中等彈速時(shí)較正泊松比蜂窩構(gòu)型抗沖擊性能更優(yōu)，但接近音速時(shí)抗沖擊性能都不佳。對(duì)于負(fù)泊松比蜂窩舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)，蜂窩材料選用TC4，蜂窩舷側(cè)防護(hù)胞元層數(shù)分別布置為2、3、5層，調(diào)節(jié)蜂窩壁厚，使各層數(shù)下胞元材料用量(材料總體積)相同，彈體剩余速度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。不同胞元層數(shù)(從左至右分別取2、3、5層)負(fù)泊松比蜂窩舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)破損情況如圖5所示。

圖5 不同胞元層數(shù)下舷側(cè)結(jié)構(gòu)破損圖Fig.5 Crevasse shapes of auxetic defensive structure with different layers of honeycomb cell

計(jì)算結(jié)果表明，等材料用量下蜂窩胞元層數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)抗沖擊性能的影響不是單一的，胞元布置層數(shù)并非越密越好，存在抗沖擊最佳胞元層數(shù)。

4 結(jié) 論

針對(duì)新型宏觀負(fù)泊松比效應(yīng)蜂窩艦艇舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)，探討了蜂窩構(gòu)型、材料類型、壁厚、胞元大小及蜂窩層數(shù)對(duì)舷側(cè)結(jié)構(gòu)抗沖擊性能的影響。研究表明：

(1) 等材料用量情況下，新型宏觀負(fù)泊松比效應(yīng)蜂窩舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)抗沖擊性能優(yōu)于常規(guī)舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)；宏觀負(fù)泊松比效應(yīng)蜂窩舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)較正泊松比效應(yīng)蜂窩舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)抗沖擊性能更優(yōu)。

(2) 蜂窩胞元材料類型能夠影響整體結(jié)構(gòu)抗沖擊性能。

(3) 等材料用量條件下，蜂窩胞元大小對(duì)結(jié)構(gòu)抗沖擊性能的影響不是單一的，胞元布置并非越密越好。對(duì)于既定空間的隔艙，存在最優(yōu)的胞元大小、層數(shù)和蜂窩板厚。

本文中主要針對(duì)等邊六角形蜂窩構(gòu)型進(jìn)行了研究，有關(guān)蜂窩胞元內(nèi)角大小、非等間距胞元布置等對(duì)艦船舷側(cè)結(jié)構(gòu)抗彈體沖擊性能的影響，蜂窩尺寸參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)等有待進(jìn)行。

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(責(zé)任編輯 丁 峰)

A novel auxetic broadside defensive structure for naval ships

Yang De-qing, Ma Tao, Zhang Geng-lin

(SchoolofNavalArchitecture,OceanandCivilEngineering,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200030,China)

Broadside defensive structure is important for naval vessels to maintain vitality. A novel broadside defensive structure with macro negative Poisson’s ratio is proposed to achieve higher anti-shock and anti-blast performance by design of auxetic honeycomb configuration. The process of an anti-ship missile impinging on and penetrating broadside structure is simulated by nonlinear finite element software. Effects of different design parameters on broadside structure, like auxetic honeycomb configurations, materials, sizes and thickness of honeycomb cell, are studied and compared. Numerical results indicate that counter-impingement capacity can be improved by adoption of auxetic broadside structure, and honeycomb cell with negative Poisson’s ratio is better than that of common honeycomb cell on anti-blast performance.

solid mechanics; ship defensive structure; nonlinear finite element; honeycomb structure; negative Poisson’s ratio; auxetic structure; anti-shock

10.11883/1001-1455(2015)02-0243-06

2013-07-23；

2014-01-28

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11072149);高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目(20100073110011)

楊德慶(1968— )，男，教授，yangdq@sjtu.edu.cn。

O342;U661.44;TH132.41 國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼： 1301565

A