分層結構材料順序對水中沖擊波的影響研究

周方毅，陳 誠，詹發民，姜 濤，黃雪峰

(海軍潛艇學院，山東 青島 266042)

0 引 言

為了有效防御水中爆炸帶來的毀傷效應，現代艦船普遍采用高強度合金鋼作為殼體，并且采用雙層殼體或者復合結構[1-2]。但是，這種分層結構不同材料的排列順序對水中沖擊波具有較大的影響[3-4]。因此，在為艦船或者水下航行器等裝備設計分層結構時，在不影響整體布局的情況下，還需重點考慮材料的排列順序。

1 傳播理論模型

宋博等[5]提出了高壓下沖擊波在分層介質中的傳播理論模型。高溫下固體材料通常可看作無粘性的可壓縮流體，一般在p-u平面圖上處理水中沖擊波在不同介質中的反射透射作用。由于高壓下，固體p-u曲線可近似由二次曲線p=Au2來描述，其中A值定性地反映了材料的軟硬程度。A值越大材料越硬，反之越軟。假設沖擊波的初始狀態為a（p0，u0），則材料1 經過a的負向Hugoniot 曲線為：

其與材料2 的正向Hugoniot 曲線p=A2u2的交點即沖擊波由材料1 透射到材料2 中的狀態b，聯立兩式可得：

消除u，并考慮到p0=A1u02，可求得透射系數

由此推出傳到第n層的透射系數為：

式中：

令

若要達到最佳防護效果只需使透射系數tn取最小值，即tn′取最大值。

2 分層結構模型

為研究水中沖擊波對水下航行器的毀傷效應，建立水下航行器的結構模型，如圖1 所示。

圖1 分層結構模型示意圖Fig. 1 Layered structure model

當該水下航行器遭遇水中兵器攻擊時，假設為非接觸爆炸，水中沖擊波通過水介質傳入非耐壓殼體、軟介質、中間水層、耐壓殼體等多層結構，其中的反射透射作用非常復雜。

運用式（6）可以求出該分層結構模型中不同材料的合理排列位置。對于上述模型，考慮到實際情況，最外面1 層（即水介質層）與最里面2 層（耐壓殼體層、空氣層）的位置應該固定不變。因此，只能通過調整中間水層與“軟介質”的位置來確定一種具有最佳防護性能的結構，即“軟介質”貼于非耐壓殼體效果好還是貼于耐壓殼體效果好，貼于非耐壓殼體時是在外側好還是內側好。基于此，需研究“水介質－非耐壓殼體－軟介質－中間水層－耐壓殼體－空氣”、“水介質－非耐壓殼體－中間水層－軟介質－耐壓殼體－空氣”與“水介質－軟介質－非耐壓殼體－中間水層－耐壓殼體－空氣”等3 種結構中最為合理的排列順序。

假設各種材料的Hugoniot 曲線分別為p=A1u2（水介質）、p=A2u2（非耐壓鋼板）、p=A3u2（軟介質）、p=A4u2（耐壓鋼板）、p=A5u2（空氣），并有A4>A2>A1>A3>A5，若要達到最佳防護效果只需使透射系數tn取最小值，即tn′取最大值。比較“水介質－非耐壓殼體－軟介質－中間水層－耐壓殼體－空氣”第1 種結構、“水介質－非耐壓殼體－中間水層－軟介質－耐壓殼體－空氣”第2 種結構以及“水介質－軟介質－非耐壓殼體－中間水層－耐壓殼體－空氣”第3 種結構的t′值大小，即可得出何種結構更為合理。對于第1 種結構有：

對第2 種結構有：

對第3 種結構有：

式（7）與式（8）相減可得：

式（8）與式（9）相減可得：

可知：tn′1

然而，該模型僅考慮了分層材料排列次序的不同對沖擊波的影響，沒有考慮每層材料本身對沖擊波的衰減，因此尚有不足之處。

3 試驗驗證

為驗證分層材料排列順序及材料厚度對水中沖擊波的影響，設計1 組對比試驗。取5 mm 厚的鋼板+1 mm 厚的橡膠板組合、5 mm 厚的鋼板+3 mm 厚的橡膠板組合、5 mm 厚的鋼板+1 mm 厚的橡膠板+2 mm厚的鋼板組合3 種材料進行水下試驗，均采用75 gTNT 接觸爆破。爆破效果分別如圖2～圖4 所示，3 種復合板凹陷深度分別為4.6 cm，3.2 cm，3.5 cm。

圖2 75 gTNT 接觸爆破雙層板（5 mm 厚的鋼板+1 mm 厚的橡膠板）Fig. 2 Contact blasting with 75 g TNT（5 mm armor plate + 1 mm rubber plate）

圖3 75 gTNT 接觸爆破雙層板（5 mm 厚的鋼板+3 mm 厚的橡膠板）Fig. 3 Contact blasting with 75 g TNT（5 mm armor plate + 3 mm rubber plate）

圖4 75 gTNT 接觸爆破3 層板（5 mm 厚的鋼板+1 mm 厚的橡膠板+2 mm 厚的鋼板）Fig. 4 Contact blasting with 75 g TNT（5 mm armor plate + 1 mm rubber plate + 2 mm armor plate）

試驗中當橡膠板厚度由1 cm 增至3 cm 時，復合板凹陷深度由4.6 cm 降至了3.2 cm。可見，軟介質的厚度對沖擊波的衰減具有較大的影響。但是，當采用3 層板時，板的總厚度增加了2 mm，凹陷深度反而由3.2 cm 增加至3.5 cm。這與理論研究相吻合，即對于多層介質的組合應由介質聲阻抗大的材料依次過渡到介質聲阻抗小的材料，保證介質聲阻抗比大于1。故從防護的角度來考慮，設計分層材料結構時，在不影響整體布局情況下，應合理考慮不同材料的排列順序。

4 結 語

本文通過建立水下航行器的分層結構模型，運用高壓下沖擊波在分層介質中的傳播理論模型計算得出分層結構不同材料的合理排列順序，并進行了試驗驗證。理論研究和試驗驗證表明，分層結構不同材料的排列順序對水中沖擊波的毀傷效果具有較大的影響。本文結論對艦船或者水下航行器采用分層結構設計提升抗爆炸沖擊效果，具有一定參考價值。