航行體高速入水時多孔泡沫的緩沖降載特性

中圖分類號：0368 國標學科代碼：13025 文獻標志碼：A

Study on load reduction characteristics of porous foam buffer for high-speed water entry vehicle

YUAN Kai12， WU Qiheng，SUN Tiezhi3，YANG Nanal （1.CollegeofipbuildingEngineering，HarbinEngineering UniversityHarbin5ool，Hilongjiang，Cina;

2. Beijing Institute of Astronantical System Engineering， Beijing 10oo76， China;

3.CollegeofShipbuildingEngineering，Dalian UniversityofTechnologyDalian116o24，Liaoning，China）

Abstract：Applicable bufer-headcoversand variousopen-cellfoam bufferconfigurationswere designed tomeetthe bufferingandloadreductionchalenges during high-speed waterentryvehicles.InthearbitraryLagrangian-Eulermethod，the gridcan moveas thematerial flows within thespatial grid.This unique feature alows the arbitraryLagrangian-Eulermethodto harness theadvantagesofboth theLagrangianandEuler methods.Itnotonlyovercomes numericalcalculationchalenges stemming from element distortion but also facilitates accuratecomputationof large deformations and displacements insolids andfluids.This makes itparticularlywellsuitedforaddresinghigh-speed waterbufferloadreductionproblems.Basedonthe arbitraryLagrangian-Euler methodandconsidering thelarge deformationof the bufer foamandthe hood，anumerical calculation model for buferingand load reductionduring high-speed water entryof navigationalbodies was established. Through numerical simulations，an in-depth study wasconductedon the load reduction performanceofbuffer foams with diferentopen-cell paters.Theresultsindicate thatopen-cellbuferfoam exhibits significantadvantages in dispersingthe impact force and absorbing impact energy during water entry of navigational bodies，offering better buffering effects. Simultaeously，the buffr head cover experiences local progresive fragmentation upon water entry.The deformationand ruptureoftheouterwallsurfaceofthebufferheadcoverattheconnectorbetweenthe buffershelland the navigational body arecaused by the stressconcentration distribution generatedduring water impact. Whentheopen-cellfoam contacts the water surface，the frontpart enters thecollapse stage，absorbing a largeamount of energy and undergoing plastic deformation， resulting inareductionofpores.Thisstageistheprimaryenergyabsoptionphaseforthebuferfoam.Incomparisonclosedcellfoam exhibitspoorerloadreduction performance.Therefore，te adoptioofopen-cellfoamrepresentsasuperiorsolution for buffering and load reduction during high-speed water entry of navigational bodies.

Keywords：high-speed water entry; buffer and load reduction; energy absorption; porous foam

由于空氣與水的介質性質差異巨大，航行體在高速人水時會受到極大的沖擊載荷，不僅對航行體的頭部結構穩定性構成了嚴峻挑戰，還可能導致結構的損毀。因此，為了保護航行體免受沖擊載荷的破壞，研究并采取有效的降載措施至關重要。諸多學者在經過深人研究后，提出了多種降載策略。目前的降載措施主要有航行體頭部形狀控制降載[1]、引入氣體緩沖降載[2]和加裝緩沖頭帽裝置降載[3]等方式。

在主流的降載措施中，改變航行體頭部形狀是最直接且有效的方法之一。通過流線型設計，航行體在入水時的流體動力性能得以改善，從而減小自由液面對其頭部的沖擊力。Kubota等[4的實驗進一步證實，頭部形狀對航行體人水時的沖擊載荷和流場分布具有顯著影響，合理的頭部形狀設計可以有效地分散入水沖擊力，從而降低航行體入水時的載荷。石漢成等[5通過數值模擬方法，對不同頭部形狀的水雷在入水過程中的頭部加速度和速度變化進行了深入研究，發現斜錐形的頭部設計在降載方面具有更好的效果。Shi等進一步結合數值模擬與實驗，詳細分析了不同頭部形狀的航行體入水時的表現，發現在同等條件下，尖拱形頭部的航行體在入水時所受的最大沖擊載荷明顯小于鈍頭形狀的航行體，且這一載荷僅為鈍頭形狀航行體最大沖擊載荷的1/4。此外，Guo等通過試驗與理論相結合的方法，研究了不同頭部形狀（包括扁平形、橢圓形和半球形）的航行體在高速水平入水時的沖擊載荷特性，發現提高航行體的頭部形狀系數，其阻力系數會隨之減小。這意味著，通過合理的頭部形狀設計，不僅可以降低航行體在入水時的沖擊載荷，還可以改善整體的流體動力性能。

盡管航行體頭部形狀控制降載方法無需增加額外的設備和材料，有利于簡化航行體的結構，但是多用于低速入水問題，對于高速入水問題，僅僅依靠頭部形狀優化難以達到理想的降載效果。除了改變頭部形狀外，其他降載措施也被廣泛研究，如引入氣體緩沖降載，即航行體入水前，在其頭部或周圍通入氣體，形成一個氣體緩沖層，利用氣體的流動特性分散和吸收航行體入水時產生的巨大沖擊力，這種方法能夠有效地減小航行體人水的沖擊力，降低對航行體結構的損傷。潘龍等率先提出了通過主動通氣技術實現降載的方法，并進一步驗證了該方法在減小航行體入水沖擊載荷方面的有效性，同時揭示了氣體緩沖降載方法背后的緩沖機制及原理。Sun等采用在航行體頭部引人氣體的方法，成功創建了一層人工氣墊，并驗證了該人工氣墊在緩沖降載方面的作用。王峻等[1深人探討了不同的噴射氣體量對航行體人水過程中的載荷、噴氣產生的空泡大小以及航行體入水彈道穩定性的影響，發現通過調整噴氣量的大小，能夠有效降低航行體頭部在入水時遭受的最大砰擊壓力，并且指出，噴氣量的增加會實現更好的降載效果。趙海瑞等[1]研究了頭部噴氣裝置對航行器高速入水沖擊載荷的影響，發現當航行體裝備圓盤空化器和側向噴氣裝置時，噴出的氣體能夠促進航行體入水超空泡的形成，進而在一定程度上減小航行體高速入水時與水面的接觸面積，從而達到有效降低航行體高速入水時受到的巨大砰擊載荷的目的。

引入氣體緩沖降載方法可以通過調整噴氣量大小靈活控制降載效果，但需要配備相應的噴氣控制系統，增加了航行體的復雜性，并且該方法針對更高速人水問題存在不足。除了改變頭部形狀和引入氣體緩沖外，加裝緩沖裝置也被廣泛研究，加裝緩沖頭帽裝置降載方法是在航行體的頭部安裝專門設計的緩沖頭帽，這些緩沖裝置能夠在航行體高速入水時起到減振緩沖的作用，在航行體入水時，緩沖頭帽先接觸水面，通過其快速潰滅來吸收大量的能量，從而降低航行體高速入水過程中對航行體頭部的沖擊。宣建明等[12深入探討了緩沖頭帽入水流場及其罩殼破碎機制，驗證了使用泡塑等緩沖材料制成的頭帽在降低入水沖擊載荷方面的有效性，結果表明，采用泡塑緩沖件的緩沖頭帽在降低魚雷入水沖擊載荷方面發揮了積極作用。Horton等[13]則提出了一種利用吸能材料作為緩沖介質的方法，以保護航行體免受高速入水沖擊的損害。在眾多吸能材料中，泡沫材料[14因其低密度和優秀的能量吸收能力成為吸能降載材料的首選，特別是泡沫鋁以其顯著的吸能效果備受關注。曾斐等[15]對泡沫鋁的降載特性進行了綜合評估，為緩沖頭帽的材料選擇和設計提供了科學依據，結果表明，泡沫鋁作為一種優秀的緩沖材料，能夠有效地減緩高速人水過程中對航行體的砰擊，提高結構的穩定性。在數值模擬方面，Shi等[]通過任意拉格朗日-歐拉（arbitraryLagrangian-Euler，ALE）方法，對攜帶泡沫鋁緩沖結構的自主水下航行器進行了數值模擬，發現緩沖頭帽能夠在彈體垂直人水時顯著降低入水砰擊壓力峰值，降幅達到 42.2% 。孫龍泉等[17]通過耦合歐拉-拉格朗日（coupled Eulerian-Lagrangian，CEL）方法，對攜帶泡沫鋁緩沖塊的高速人水航行體的降載性能進行了數值模擬，發現提高航行體入水速度可以降低航行體入水加速度峰值的降載率，并且降載率也隨著所用泡沫鋁密度的提高而表現出先高后低的趨勢。

本文中，擬探究航行體在高速入水過程中的緩沖降載策略，針對航行體高速入水緩沖降載問題開展數值模擬，分析多孔泡沫結構在減小航行體人水沖擊方面的效能。首先，基于ALE方法建立高速入水數值計算模型并加以驗證；然后，通過引入多孔泡沫緩沖結構，進而開展一系列航行體高速入水多孔泡沫緩沖降載數值計算，分析多孔緩沖泡沫結構對航行體高速人水過程中的入水流場、動力學特性及入水砰擊載荷的影響;最后，通過與傳統非多孔緩沖泡沫方案進行對比分析，進一步揭示多孔泡沫結構在降低航行體高速入水時的砰擊壓力方面的優勢，以期為航行體高速入水緩沖降載結構研究提供參考。

1計算方法

1.1 控制方程

任意拉格朗日-歐拉方法很好地結合了拉格朗日方法與歐拉方法的優勢，能夠對復雜物理過程進行有效模擬。具體控制方程如下。

質量守恒方程：

動量守恒方程：

能量守恒方程：

式中： ρ 為水的密度， ν 為水的流速， w 為流體質點與參考點的相對速度，下標 i，j 表示不同方向， b 為流體體積力， E 為能量， x 為坐標[18]。應力張量 σ_ij 用于描述流體或固體內部各點處的應力狀態，其表達式為：

式中： p 為壓力， δ_ij 為克羅內克函數， μ 為黏度。

1.2 罰函數

在進行幾何模型構建和網格細分的過程中，一個關鍵步驟是允許固體結構與流體結構的網格在空間中相交或重疊。為了實現2種不同介質之間的有效耦合，并確保力學參數能夠正常傳遞，通常采用罰函數耦合[19]約束方法模擬固體與流體界面的動力學行為。罰函數法主要用于處理流體與固體相互作用時界面上的不連續性問題，運用罰函數的方法[20]可以通過在界面上施加額外的界面力來補償這種不連續。

罰函數約束方式的核心理念在于，一旦檢測到固體與流體界面上存在表面穿透或相對位移，就需要引入罰函數來調整界面力的大小，確保力的平衡。這種界面力的分布取決于穿透現象的嚴重程度，即界面力的強度與表面穿透的程度成正比[21]，從而允許根據實際情況調整力的大小。通過追蹤和調節固體與流體之間的界面力，能夠提高數值模擬的可靠性。

界面力方程[22]可以表示為：

F=kd=pKAd/V

式中： F 為外力， k 為剛度系數， d 為相對位移， K 為剛度模量， A 為接觸面積， V 為體積。

2數值方法驗證與計算模型設置

2.1 數值方法驗證

為驗證所采用的數值模擬方法的準確性和可靠性，分別對航行體高速入水過程和航行體高速入水緩沖降載過程的數值模擬與試驗結果進行對比驗證。

2.1.1航行體高速入水過程驗證

采用與已有試驗對比的方法來、驗證本文中所采用計算方法在模擬航行體高速人水問題上的有效性。基于李堯[23]開展的鈍頭航行體高速入水試驗研究，建立與試驗相同的數值計算模型，如圖1所示，鈍頭直徑 D=120mm ○

鈍頭航行體以 89.67m/s 速度入水空泡演化過程的對比如圖2所示，可以看出，不同時刻的數值模擬與試驗形態基本相同，說明建立的數值模型可以有效模擬高速入水過程的流場演化。

圖1試驗數值計算模型

Fig.1Numerical calculation model of the experiments

圖2航行體以 89.67m/s 速度入水空泡演化過程的對比

Fig.2Comparison of the cavitation evolution process of the vehicle entering water at 89.67m/s

圖3給出了鈍頭航行體以 89.67m/s 速度入水加速度曲線的對比，可以看出，數值模型計算的加速度峰值與試驗測得的結果非常接近，驗證了所建立的航行體入水數值模型足以求解該類問題，也說明了本文中采用的數值計算方法的合理性。

2.1.2航行體高速入水緩沖降載過程驗證

為了研究緩沖降載材料構型對航行體入水所受沖擊載荷的影響，采用數值計算模擬航行體高速入水緩沖降載過程，緩沖降載數值模擬的合理性和可行性至關重要。基于李堯[23]開展的鈍頭航行體高速入水試驗研究，建立了與試驗相同的數值計算模型，鈍頭航行體模型與圖1一致，緩沖模型如圖4所示，D=120mm ，連接器厚度 b=1mm 。

圖3航行體以 89.67m/s 速度入水加速度曲線對比Fig.3Comparison of the acceleration curve of thevehicleenteringwateratavelocityof 89.67m/s

圖4緩沖模型 Fig.4Buffering model

圖5給出了鈍頭航行體以 89.67m/s 速度入水空泡演化過程的對比，從圖5可以看出，在不同時刻，數值模擬與試驗形態基本相同，數值模擬得到的航行體高速入水緩沖降載過程空泡演化以及自由液面的變化與試驗結果吻合較好。

圖5航行體以 89.67m/s 速度入水的試驗與數值模擬對比 Fig.5 Comparison between the test and numerical values of the vehicle entering thewateratavelocityof 89.67m/s （2

圖6給出了鈍頭航行體以 89.67m/s 速度入水加速度曲線的對比，可以看出，數值模擬得到的加速度峰值與試驗測得的結果非常接近，表明所建立的航行體入水數值模型可以求解緩沖降載問題。

2.1.3 網格無關性驗證

為進行網格無關性驗證，以 89.67m/s 速度入水的航行體為驗證模型，將流域分別劃分為3種尺寸的網格模型，分別是粗網格、中網格和細網格，3種網格對應的流域最小網格尺寸分別為航行體頭部中心網格尺寸的1.76、1.60和1.44倍，計算結果如圖7所示。可以看出，粗網格加速度峰值明顯高于中網格和細網格加速度峰值，并且中網格加速度峰值與細網格加速度峰值誤差范圍在 5% 以內，可以認為，采用中網格尺寸進行計算能夠使結果收斂。

圖6鈍頭航行體以 89.67m/s 速度入水加速度曲線的對比Fig.6Comparison of the acceleration curve of a blunt bodyenteringwateratavelocityof 89.67m/s

圖7不同網格尺寸下軸向加速度對比曲線Fig.7 Comparison curves ofaxial accelerationwithdifferent mesh sizes

2.2計算模型設置

設計了一種結合整流罩和填充泡沫的緩沖頭帽，用于在航行體高速入水時吸收入水沖擊力。該緩沖頭帽需要具備足夠的強度以保證在入水前運動過程中的完整性，此外，還需要在撞擊水面時能夠迅速破碎，以免干擾航行體后續的運動軌跡。為了實現這一目標，選用一種特殊的復合材料來模擬緩沖罩殼，該復合材料以不飽和聚氨酯樹脂作為基體，以短切玻璃纖維作為增強材料[18]，在遭受瞬時強沖擊載荷時

容易發生脆性破壞，從而能夠滿足緩沖頭帽在入水沖擊時快速破碎的需求，復合材料的具體參數如表1所示，連接器的材料選取與罩殼一致。航行體及緩沖頭帽的數值計算模型如圖8所示，其中包括航行體本身、整流罩以及緩沖泡沫的基本構型，緩沖頭帽的設計見圖4，設計 D=324mm b=2.5mm 。本文中主要研究多孔緩沖泡沫對航行體入水降載的影響，不關注航行體本身的結構響應，因此，假設航行體為剛體，取7075鋁合金的密度為 2810kg/m³ 。緩沖泡沫采用聚氨酯泡沫，材料參數見表1，尺寸見圖4。此外，為了模擬整個航行體的高速入水過程及緩沖效果，構建了數值計算域并對其進行網格細分，如圖9所示，整個計算域為直徑 6m 、高 8m 的圓柱體。為了消除應力波的影響，計算域的前后兩側以及底部均采用無反射邊界條件。

表1材料參數

Table1 Material parameters

圖8航行體、整流罩及緩沖泡沫計算模型

Fig.8Calculationmodel of vehicle，fairing，and buffer foam

Fig.9Numerical calculation domainand grid division diagramofthe vehicle with buffer component

為深入探究各種緩沖泡沫構型的性能，共選取了6種不同的工況進行數值模擬分析，具體的工況如表2所示。此外，圖10展示了5種具有不同開孔構型的緩沖泡沫，每種構型的開孔直徑均設定為20mm 。

表2數值模擬工況

Table2 Simulation cases

圖9數值計算域及帶緩沖部件航行體網格劃分示意圖

圖10不同開孔構型的緩沖泡沫示意圖

Fig.10Schematic diagram of buffer foam with different open cell configurations

3結果與分析

3.1多孔泡沫緩沖條件下入水流場演化特性

采取彎孔1形式開孔的緩沖泡沫入水空泡演化與緩沖裝置破壞過程如圖11所示。從圖11可以看出，航行體入水初期，緩沖頭罩首先接觸自由液面，并在強烈的沖擊力作用下開始破壞。隨后，緩沖泡沫開始發揮作用，吸收由撞擊引起的能量，同時開始迅速破碎。隨著航行體繼續深入水中，罩殼的殘片向外擴散，雖然未能完全破碎，但對于空泡的形成和演化影響可以忽略不計。當 t=5ms 時，緩沖頭罩和緩沖泡沫發生明顯的擠壓變形，但此刻兩者尚未完全破碎。隨著航行體入水位移增加，當 t=10ms 時，緩沖頭罩發生了明顯的破碎。在這一過程中，航行體擠壓緩沖頭罩產生的初期空泡，隨著航行體的繼續運動，緩沖泡沫在航行體頭部與水面的共同作用下沿著航行體的軸向被壓縮，同時在徑向上發生膨脹。這種縱向膨脹對緩沖頭罩施加了進一步的撐進力，導致緩沖頭罩在受到擠壓的同時發生破裂，并向側面擴散。隨著緩沖泡沫的快速潰滅，航行體與水面之間的間隔逐漸縮小，直至發生直接接觸。此時，航行體的直接觸水進一步引發了人水空泡的新一輪擴張，這個新擴張階段的空泡與原有的空泡壁面相融合，形成了向航行體方向收縮的空泡壁面。

Fig.11 Evolution and failure process of the inflow flow field in case 2

工況2的入水加速度隨時間的變化曲線如圖12所示。 t=1.6ms 時，緩沖泡沫接觸自由液面，此時航行體入水加速度迅速上升并達到峰值。隨著緩沖泡沫壓實變形吸能逐步恢復穩定，這個時段的變化趨勢與無緩沖條件入水工況具有一定的相似性。

圖13給出了無緩沖工況、工況1和工況2的航行體總能量隨時間變化的曲線，通過航行體入水后的總能量變化趨勢也能體現緩沖性能的優劣，可以看出，無緩沖條件航行體入水后速度衰減最快， t=5ms 時，航行體開始接觸水面，在撞擊水面的瞬間，航行體受到極大的沖擊載荷，使得航行體的總能量在極短時間內迅速衰減。工況1是攜帶不開孔緩沖泡沫的降載方案，緩沖頭罩接觸水面后吸收了一部分能量，緩沖頭罩撞水后潰滅吸能，航行體總能量逐漸下降。工況2是攜帶開彎孔緩沖泡沫的降載方案，從曲線中可以看出，在4～7.5ms 時間范圍內，工況2比工況1的航行體總能量下降更平緩，但隨著航行體入水位移的增大，開彎孔的緩沖泡沫吸收大量能量，使得工況2的航行體總能量迅速衰減。無緩沖工況、工況1和工況2的航行體的軸向加速度隨時間變化的曲線如圖14所示，從圖14可以看出，航行體攜帶開孔泡沫入水工況的軸向加速度相比不開孔泡沫工況的軸向加速度更低，這是因為，開彎孔的結構可以將航行體的入水沖擊力分散到整個緩沖泡沫，并利用彎孔形狀的改變進一步吸收航行體的入水沖擊能量，從而提高緩沖泡沫的吸能效果和能力。

圖11工況2的入水流場演化與破壞過程

圖12工況2入水加速度隨時間變化曲線Fig.12 Wateracceleration-timecurve for case 2

圖13無緩沖工況、工況1和工況2的航行體總能量隨時間變化曲線

圖14無緩沖工況、工況1和工況2的航行體加速度隨時間變化曲線

Fig.14Timevariationcurves ofacceleration in unbuffered case，case1 and case2

3.2不同開孔泡沫緩沖條件下入水流場演化特性

圖15為其他5種工況下航行體以 80m/s 速度人水的流場演化與動態破碎過程，圖16給出了無緩沖條件下航行體以 80m/s 速度入水的空泡形態，取航行體剛入水的時刻為 1ms ，可以看出，無緩沖條件下，航行體頭部猛烈撞擊水面，形成一個迅速向外擴張的空泡，在水流的沖擊力和慣性的作用下繼續擴大，空泡壁面呈現出明顯的向外擴張的現象。有緩沖工況下，緩沖頭罩和緩沖泡沫在撞擊水面的瞬間開始發揮作用，緩沖頭罩首先接觸到自由液面，能夠吸收和分散一部分沖擊力，隨后緩沖泡沫在撞擊過程中壓縮和潰滅，進一步吸收和減緩了剩余的沖擊力。航行體入水后形成的空泡壁面呈現出向內收縮的現象，這意味著航行體入水的沖擊力被有效地降低。同時，由于緩沖頭罩與緩沖泡沫的破碎潰滅，使得有緩沖工況航行體入水空泡直徑小于無緩沖條件下航行體入水空泡直徑，進一步證實了緩沖降載措施的有效性。不同孔型泡沫工況的破碎時間與空泡輪廓均存在差異。

圖15不同工況下入水流場演化與破壞過程

Fig.15Evolution and failure processes of inflow flow field in different case

3.3入水過程中整流罩的動態損傷與緩沖泡沫變形吸能演化

圖17為6種工況下航行體以 80m/s 的速度入水的動態破碎圖像，從圖17可以看出，緩沖頭罩尖端首先接觸水面并發生局部漸進破碎，這個破碎現象并非一次性發生，而是隨著時間的推移，以一種漸進的方式進行。連接器處的緩沖頭罩外壁面變形破裂，具體表現為該位置處出現了應力集中并且有環狀的變形，這是由于沖擊力的分布和局部破碎引起的，進一步說明了高速入水過程中沖擊力的重要性和復雜性。隨著航行體人水深度的增加，緩沖頭罩尖端的局部漸進破碎面積迅速變大，這表明，隨著入水位移的增大，沖擊力和能量吸收的需求也在增大。

工況1頭罩前端破碎，罩殼尾部相對完整，這是因為工況1攜帶的緩沖泡沫為不開孔泡沫，航行體入水后，緩沖頭罩尖端發生局部漸進式破碎，隨著航行體入水位移的增加，緩沖泡沫受到擠壓變形吸能并向徑向擴張，對緩沖罩殼前端施加一個撐進力，使得緩沖罩殼前端破碎，而罩殼尾部在相同入水位移處保持相對完整。工況 2～5 屬于不同形式的緩沖泡沫開孔方式，由于所攜帶的緩沖泡沫增加了孔洞與通道，使得航行體入水后將水流通過孔洞分散，使得緩沖泡沫擠壓變形的徑向擴張對緩沖罩殼產生的撐進力作用在緩沖罩殼的前部及后部，緩沖罩殼破碎相對完整。工況6是航行體攜帶的緩沖泡沫頭部與尾部均開彎孔的開孔形式，在航行體入水后，在頭尾均開彎孔的作用下，緩沖泡沫隨著航行體入水位移的增大而變形潰滅，此時緩沖頭罩受到緩沖泡沫撐進力的作用，破碎時間延長。

圖176種工況下整流罩的動態損傷

Fig.17Dynamic damage of fairingunder six workingconditions

圖18給出了不同工況下泡沫的應變云圖及破壞過程，其中圖18（a）為不開孔泡沫的應變云圖及破壞過程，可以看出，泡沫不開孔工況下，只有泡沫前端潰滅，而泡沫主體結構仍然存在，泡沫發生擠壓變形。圖 18（b）～（f） 為多孔泡沫的應變云圖及破壞過程。隨著航行體入水對泡沫的擠壓，緩沖頭罩尖端局部破碎后，泡沫前端接觸到水面，此時由于沖擊載荷的作用，泡沫前端部分材料進入坍塌階段，此時多孔泡沫吸收大量的能量，泡沫材料產生塑性變形，孔隙變少，此階段為緩沖泡沫的主要能量吸收階段。

3.4 航行體運動參數分析

圖19 給出了不同工況下航行體的位移變化曲線。可以看出，不同工況下位移變化差異較小。圖20給出了無緩沖工況下航行體入水軸向加速度隨時間的變化曲線，圖21給出了不同工況下航行體入水軸向加速度隨時間的變化曲線，圖21中的緩沖區表征航行體入水時緩沖泡沫吸收和分散了航行體的入水動能，降低了航行體入水沖擊力。緩沖材料被壓實脫落的瞬間會對航行體產生較大的沖擊，并產生由航行體頭部傳向航行體尾部的應力波，此時為泡沫壓實區，出現第2個加速度峰值，在傳播的過程中應力波會隨著航行體入水以及泡沫潰滅而逐漸衰減。

圖19不同工況下航行體位移時域曲線 Fig.19Time history curves of shifting position in different working cases

圖20無緩沖工況下航行體加速度時域曲線 Fig.20 Timehistorycurveofvehicleacceleration underunbuffered condition

圖22給出了不同工況下航行體入水降載率的對比曲線，從圖中可以看出，相比于不開孔泡沫，多孔泡沫對航行體入水的降載效能更優。這是因為，多孔泡沫具有更多的孔洞和通道，當航行體入水后，水會通過孔洞進入，將沖擊能量分散到緩沖泡沫中，降低沖擊力向航行體的傳遞，起到分流的作用;其次，孔洞與通道的存在使得緩沖泡沫的體積和密度分布不均勻，有助于將航行體入水沖擊能量分散到整個泡沫結構中。

圖21不同工況下航行體加速度時域曲線Fig.21Time history curves of vehicle accelerationin different working cases

圖22不同工況下降載率對比 Fig.22 Comparison ofload reduction in different working cases

4結論

針對航行體高速入水緩沖降載問題進行研究，并設計了相應的緩沖頭罩和不同形式的開孔緩沖泡沫，對不同開孔形式緩沖泡沫的降載性能進行了評估，得到以下主要結論。

（1）無緩沖條件下，航行體人水后的總能量衰減速度最快，而在攜帶不開孔緩沖泡沫和多孔緩沖泡沫的情況下，航行體的總能量下降速度相對較慢。尤其是多孔緩沖泡沫方案，能夠更有效地分散航行體入水沖擊力并吸收能量，具有更好的緩沖效果。

（2）緩沖頭罩在入水時會發生局部漸進破碎，并且破碎現象隨著時間的推移和入水位移的增大而逐漸發展。連接器處的緩沖頭罩外壁面的變形和破裂是由于撞水時產生的應力集中分布引起的。不同開孔形式泡沫的變形受自身孔型結構影響，多孔泡沫接觸水面時，前端部分會進人坍塌階段，吸收大量能量并產生塑性變形，孔隙減少，此階段為緩沖泡沫的主要能量吸收階段。

（3）通過對比加速度曲線可知，多孔泡沫的降載效能相比于不開孔泡沫更優，其中，彎孔2形式開孔方案的降載率可達到 47.5% ，而不開孔泡沫方案的降載率僅為 32.6% ，多孔泡沫具有更多的孔洞和通道，可將沖擊能量分散到整個泡沫結構中，降低航行體對沖擊力的傳遞，起到分流的作用。同時，孔洞與通道的存在也導致緩沖泡沫的體積和密度分布不均勻，有助于將航行體入水沖擊能量分散到整個泡沫結構中。

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（責任編輯 蔡國艷）