高云劍，章振華，諶 勇，華宏星

（1.海軍裝備部 上海局，上海200081；2.上海交通大學(xué) 機(jī)械系統(tǒng)與振動國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240）

抗沖瓦的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

高云劍1，章振華2，諶 勇2，華宏星2

（1.海軍裝備部 上海局，上海200081；2.上海交通大學(xué) 機(jī)械系統(tǒng)與振動國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240）

敷設(shè)于艦船濕表面上的抗沖瓦可以有效提高艦船的抗水下爆炸沖擊性能。本文從抗沖瓦的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋮?shù)方面來研究其抗沖擊特性，討論了不同強(qiáng)度沖擊載荷下抗沖瓦的優(yōu)化設(shè)計(jì)區(qū)域，提出了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、應(yīng)力平臺與結(jié)構(gòu)密度三參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，最終給出了一種較為優(yōu)化的結(jié)構(gòu)形式。

振動與波；抗沖瓦；優(yōu)化設(shè)計(jì)；遠(yuǎn)場水下爆炸；沖擊防護(hù)特性

為了分析一維抗沖瓦結(jié)構(gòu)的沖擊防護(hù)效果，建立了如圖1所示敷設(shè)抗沖瓦并考慮彈性基礎(chǔ)的船殼結(jié)構(gòu)一維水下爆炸沖擊仿真模型，并通過這一模型來對抗沖瓦的沖擊防護(hù)性能進(jìn)行研究。仿真模型中，抗沖瓦的厚度為50 mm，船殼的厚度為6 mm，船殼寬度為126 mm。藥包距流固耦合面的距離為540 mm。

圖1 考慮彈性基礎(chǔ)抗沖瓦水下爆炸仿真模型

對于抗沖瓦這類多孔薄壁結(jié)構(gòu)，決定其沖擊防護(hù)性能的主要因素包括兩個方面：

(1)應(yīng)力平臺的高低；

(2)相對密度。

圖2所示為抗沖瓦的理論應(yīng)力應(yīng)變曲線，其中，應(yīng)力平臺A為2 MPa；應(yīng)力平臺B為1 MPa；應(yīng)力平臺C為0.6 MPa；應(yīng)力平臺D為0.32 MPa；應(yīng)力平臺E為0.2 MPa；應(yīng)力平臺F為0.096 MPa。相對密度取四個值，分別為：372 kg/m3，467 kg/m3，800 kg/m3，1 152 kg/m3。將不同的應(yīng)力平臺與相對密度組合，可形成24種抗沖瓦。

圖2 抗沖瓦的理論應(yīng)力應(yīng)變曲線

首先對不同類型抗沖瓦在不同沖擊強(qiáng)度作用下的響應(yīng)速度進(jìn)行了對比。表1所示分別為沖擊因子0.059、0.185與0.586時，敷設(shè)抗沖瓦的船殼處的速度響應(yīng)峰值。作為對比，當(dāng)抗沖瓦為實(shí)心氯丁橡膠，沖擊因子為0.059、0.185與0.586時，船殼的最大速度值分別為1.622 m/s、9.415 m/s與51.489 m/s。因此，只有當(dāng)敷設(shè)抗沖瓦后船殼的最大速度響應(yīng)低于此閥值時，抗沖瓦的抗沖擊效果才好于實(shí)心氯丁橡膠結(jié)構(gòu)。

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，可以得出圖3所示的不同沖擊因子下的抗沖瓦最優(yōu)設(shè)計(jì)區(qū)域。當(dāng)沖擊因子0.059時，抗沖瓦最優(yōu)設(shè)計(jì)區(qū)域?yàn)閼?yīng)力平臺從0.096到0.32 MPa、密度從372到1 152 kg/m3的區(qū)域，為了圖示的清晰，沒有將其在圖中畫出。可以得出結(jié)論：在較低強(qiáng)度沖擊載荷下，要取得好的抗沖擊效果，抗沖瓦必須足夠地軟；在中高強(qiáng)度沖擊載荷下，要取得好的抗沖擊效果，抗沖瓦的相對密度需要提高，應(yīng)力平臺也應(yīng)適當(dāng)增加。

圖3 抗沖瓦的最優(yōu)設(shè)計(jì)區(qū)域

2 抗沖瓦結(jié)構(gòu)的三參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過對敷設(shè)抗沖瓦的船殼水下爆炸仿真分析，得出抗沖瓦應(yīng)力平臺與結(jié)構(gòu)密度的最優(yōu)設(shè)計(jì)區(qū)域。本節(jié)將根據(jù)抗沖瓦的這兩個參數(shù)，再考慮不同的抗沖瓦拓?fù)湫问?，來設(shè)計(jì)具體的抗沖瓦結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)抗沖瓦的三參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文研究的抗沖瓦拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括：蜂窩式抗沖瓦、四邊形抗沖瓦、蜂窩加圓管式抗沖瓦、三角形抗沖瓦、隧道式抗沖瓦、反蜂窩式抗沖瓦、圓孔抗沖瓦與手性瓦。其中，前面四種抗沖瓦的開孔方式為垂向開孔；后面四種抗沖瓦的開孔方式為橫向開孔，前五種瓦的具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖中抗沖瓦的結(jié)構(gòu)密度均為1 152 kg/m3。

表1 不同沖擊因子下船殼的最大速度值/m/s

對蜂窩式抗沖瓦、四邊形抗沖瓦、蜂窩加圓管式抗沖瓦與三角形抗沖瓦分別建立6個具有不同密度的有限元模型。對隧道式抗沖瓦建立12個有限元模型。其中，結(jié)構(gòu)密度為467 kg/m3的隧道瓦有4種，結(jié)構(gòu)密度為656 kg/m3、800 kg/m3、972 kg/m3、1 152 kg/m3的隧道瓦分別有兩種。反蜂窩式抗沖瓦、圓孔抗沖瓦與手性瓦分別建立兩個有限元模型。對上述42個抗沖瓦模型進(jìn)行仿真分析，得出如圖5所示抗沖瓦實(shí)體結(jié)構(gòu)應(yīng)力平臺與結(jié)構(gòu)密度這兩個參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系。同一密度下具有較高應(yīng)力平臺的5個隧道瓦，將其編號為隧道式抗沖瓦1；同一密度下具有較低應(yīng)力平臺的隧道瓦編號為隧道式抗沖瓦4，具有中等應(yīng)力平臺的瓦分別編號為隧道式抗沖瓦2、隧道式抗沖瓦3。

對于某一結(jié)構(gòu)形式的抗沖瓦，通過改變其壁厚，抗沖瓦的結(jié)構(gòu)密度也發(fā)生改變，其應(yīng)力平臺也隨之變化。圖5所示為隧道式抗沖瓦4的變化形式，隨著壁厚的增加，抗沖瓦的結(jié)構(gòu)密度也增加，其應(yīng)力平臺也隨之增大。

圖5 抗沖瓦結(jié)構(gòu)的應(yīng)力平臺與結(jié)構(gòu)密度的相互關(guān)系

變化壁厚從而改變抗沖瓦結(jié)構(gòu)，這時抗沖瓦的結(jié)構(gòu)密度是變化的。除了這一優(yōu)化方式，也可以不變化抗沖瓦結(jié)構(gòu)密度，而是改變質(zhì)量在上、下面板與薄壁之間的分布方式。圖6所示為隧道式抗沖瓦的4種變化形式，它們的密度都是467 kg/m3，卻具有不同的應(yīng)力平臺。從隧道式抗沖瓦4到隧道式抗沖瓦1，上、下面板越來越??；面芯層壁厚越來越厚，抗沖瓦的應(yīng)力平臺有一定提高。

綜合圖6與圖7可以得出，通過單獨(dú)變化抗沖瓦芯層壁厚，或是變化質(zhì)量在上、下面板與薄壁之間的分配比例，可以對任意一種結(jié)構(gòu)的抗沖瓦進(jìn)行不同設(shè)計(jì)。利用這一方法，對于隧道式抗沖瓦，在圖5的陰影區(qū)域中的任意一點(diǎn)，都可以設(shè)計(jì)出相應(yīng)的隧道式抗沖瓦結(jié)構(gòu)。同樣，對于其它任意一種垂向開孔的抗沖瓦，在圖5中都有一個長條形的設(shè)計(jì)區(qū)域。同時值得注意的是，橫向開孔的三種抗沖瓦結(jié)構(gòu)，在較高的沖擊速度下才表現(xiàn)出圖5所示的應(yīng)力平臺狀態(tài)。

圖6 隧道式抗沖瓦4的變化形式(不同密度)

綜合圖3的抗沖瓦最優(yōu)設(shè)計(jì)區(qū)域與圖5不同抗沖瓦結(jié)構(gòu)的應(yīng)力平臺與結(jié)構(gòu)密度數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)出新型隧道式抗沖瓦5，其實(shí)體結(jié)構(gòu)與等效化后的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖8所示，具體應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)如表2所示。隧道式抗沖瓦5的密度為467 kg/m3，相比隧道式抗沖瓦4，其上、下面板更厚，芯層壁更薄，因此，應(yīng)力平臺也更低。

圖7 隧道式抗沖瓦的變化形式(相同密度)

圖8 新型隧道式抗沖瓦5

3 結(jié)語

通過對不同形式抗沖瓦結(jié)構(gòu)的水下爆炸響應(yīng)進(jìn)行的數(shù)值分析，可以看出：

（1）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、應(yīng)力平臺與結(jié)構(gòu)密度是影響抗沖瓦防護(hù)性能的三個關(guān)鍵因素。在較低強(qiáng)度沖擊載荷下，要取得好的抗沖擊效果，抗沖瓦應(yīng)力平臺必須足夠地低；在中高強(qiáng)度沖擊載荷下，要取得好的抗沖擊效果，抗沖瓦的結(jié)構(gòu)密度需要提高，應(yīng)力平臺也應(yīng)適當(dāng)增加；

（2）研究得出了抗沖瓦在不同沖擊載荷下的最優(yōu)設(shè)計(jì)區(qū)域，根據(jù)抗沖瓦三參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出來的新型抗沖瓦結(jié)構(gòu)，在計(jì)算分析中能達(dá)到較好的沖擊防護(hù)效果。

[1]L.J.Gibson,M.F.Ashby.Cellular solids∶structure and properties[M].Cambridge,New York∶Cambridge University Press,1997.1-510.

[2]Z.Y.Xue,J.W.Hutchinson.Preliminary assessment of sandwich plates subject to blast loads[J].International Journal of Mechanic Science,2003,45∶687-705.

[3]Z.Y.Xue,J.W.Hutchinson.A comparative study of impulse-resistant metallic sandwich plates[J].International Journal of Impact Engineering,2004,30∶1283-1305.

[4]Z.Y.Xue,J.W.Hutchinson.Crush dynamics of square honeycomb sandwich cores[J].International Journal of Numerical Methods in Engineering,2006,65∶2221-2245.

[5]J.W.Hutchinson,Z.Y.Xue.Metal sandwich plates optimized for pressure impulses[J].International Journal of Mechanical Sciences,2005,47∶545-569.

[6]汪玉，張瑋，華宏星，等.泡沫芯層夾層結(jié)構(gòu)水下爆炸沖擊特性研究[J].振動與沖擊，2010，29(4)：64-68.

[7]諶勇，唐平，汪玉，等.剛塑性圓板受水下爆炸載荷時的動力響應(yīng)[J].爆炸與沖擊，2005，25(1)：90-96.

[8]章振華，諶勇，華宏星，等.抗沖瓦的結(jié)構(gòu)研究及創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].噪聲與振動控制，2012，6：100-104.

[9]肖鋒，諶勇，馬超，等.橡膠蜂窩覆蓋層水下爆炸響應(yīng)及抗沖擊性能[J].噪聲與振動控制，2013，4：44-49.

Optimization Design ofAnti-shock Coating

GAO Yun-jian1,ZHANG Zhen-hua2,CHENYong2,HUA Hong-xing2

（1.Shanghai Military Representative Office,Shanghai 200081,China; 2.State Key Laboratory of Mechanical System and Vibration,Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240,China）

∶In order to improve the underwater explosion impact resistant performance of ships,a hyper-elastic antishock layer is adhered to the ship’s wet surface.Structure parameters and blast-resistant characteristics of the anti-shock layer are investigated,and the optimal design region of the anti-shock layer under different impact loads is discussed.The optimal design method of three parameters,such as topology structure,stress platform and structure density,is proposed.The dynamic response of the hull structure with anti-shock layer subjected to far-field underwater explosion is studied.And then, the effect of the optimization design of the anti-shock layer is evaluated and confirmed by simulation results.

∶vibration and wave;anti-shock coating;optimization design;underwater explosion;blast-resistant characteristics

O381< class="emphasis_bold">文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI編碼：

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.06.020

1 抗沖瓦特性對其沖擊防護(hù)性能的影響

高云劍（1973-），男，工學(xué)碩士，主要研究方向：結(jié)構(gòu)動力學(xué)。

E-mail∶gaoyunjian119@126.com

1006-1355(2014)06-0090-04

2014-09-01

夾芯結(jié)構(gòu)的基本形式為兩層強(qiáng)度較高的面板和夾在其中的芯層，這種結(jié)構(gòu)在航空航天工業(yè)中應(yīng)用已有幾十年的歷史。近年來，關(guān)于夾芯結(jié)的抗爆特性成為研究熱點(diǎn)[1]。Xue和Hutchinson[2—4]對三種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)夾芯層的抗沖擊性能進(jìn)行了比較研究。研究發(fā)現(xiàn)，方形蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)與褶皺板夾芯結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能要比金字塔形桁架夾芯結(jié)構(gòu)更好。Hutchinson等[5]研究了在給定沖擊載荷下，如何得到最輕的夾芯層結(jié)構(gòu)來達(dá)到抗沖擊效果。文中采用了無量綱參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，對方形蜂窩夾芯板的面板與芯層的質(zhì)量分布進(jìn)行優(yōu)化配置。優(yōu)化后的夾芯層結(jié)構(gòu)與相同材料構(gòu)造的相等質(zhì)量實(shí)心結(jié)構(gòu)相比，能承受兩到三倍的沖擊載荷。

抗沖瓦是一種以超彈性橡膠為基體材料的夾芯結(jié)構(gòu)。前期研究已表明[6—9]，抗沖瓦在抵抗水下爆炸載荷時，對艦船有良好的防護(hù)效果。關(guān)于抗沖瓦的作用機(jī)理已在前期工作中有比較細(xì)致的研究，但關(guān)于其拓?fù)浠驇缀蝺?yōu)化設(shè)計(jì)的研究還很少涉及。本文從抗沖瓦的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)參數(shù)方面來分析其抗沖特性并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，著重討論相對密度、拓?fù)湫螤畹冉Y(jié)構(gòu)參數(shù)對瓦的抗沖擊性能的影響規(guī)律，并以速度響應(yīng)峰值作為優(yōu)化目標(biāo)，以拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、應(yīng)力平臺與結(jié)構(gòu)密度作為優(yōu)化參數(shù)，對抗沖瓦的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究。