夾芯強(qiáng)度對新型液艙防護(hù)效能的影響

李 營，張 磊 ，杜志鵬，趙鵬鐸，周心桃 ，方岱寧

（1.北京理工大學(xué) 先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院，北京100081；2.海軍研究院，北京 100161;3.中國艦船設(shè)計(jì)研究中心，武漢430064）

0 引 言

航空母艦等大型水面艦艇是控制區(qū)域制空權(quán)、制海權(quán)的有效手段，歷來受到各軍事大國的高度重視。大型水面艦艇一般采用多層防護(hù)結(jié)構(gòu)防護(hù)接觸爆炸對艦船內(nèi)部造成的結(jié)構(gòu)毀傷，一般的多層防護(hù)結(jié)構(gòu)由膨脹空艙、吸收液艙和過濾空艙等部分組成。其中膨脹空艙主要用來膨脹接觸爆炸產(chǎn)生的氣體，減緩液艙外板受到的沖擊載荷；吸收液艙主要用來吸收接觸爆炸產(chǎn)生的破片和二次破片[1]；過濾空艙主要用來保護(hù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。其中能量吸收最多的是吸收液艙。結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 水面艦艇舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of broadside protection structure

二戰(zhàn)以后西方軍事強(qiáng)國針對航母防護(hù)結(jié)構(gòu)開展了系列研究，但由于軍事保密等原因，這方面的資料極少。Varas等[2-3]開展了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真研究，分析了液體中水錘效應(yīng)和超空泡的形成過程。海軍工程大學(xué)朱錫等[4-5]針對防護(hù)液艙機(jī)理和載荷特性開展了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真研究，研究表明高速彈體在液體中會(huì)發(fā)生墩粗，液體中的載荷特性復(fù)雜，包含初始沖擊波、反射沖擊波、空化壓力等復(fù)雜載荷。吳衛(wèi)國、徐雙喜等[7]針對液艙防高速爆炸破片的物理過程進(jìn)行了理論分析，結(jié)果表明液艙背水靶板的抗侵徹特性明顯不同于普通背空靶板。張阿曼等[8]通過SPH方法分析了防護(hù)液艙中沖擊波載荷特性，并研究了入射角度的影響。李營等[9-12]對爆炸破片在水中的速度衰減規(guī)律進(jìn)行了分析，并提出液艙前后板在高速彈體侵徹作用下會(huì)發(fā)生大塑性變形，且主要響應(yīng)機(jī)理為膜應(yīng)力。

本文在液艙中設(shè)置方格夾層板，并建立了有限元仿真模型，開展了高速球形彈體侵徹作用下液體艙室的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程分析，對比了有無方格板時(shí)液體中沖擊波、能量變化過程及液艙前后板的變形。研究結(jié)論為航母舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)抗沖擊設(shè)計(jì)及優(yōu)化液艙布置提供了參考。

1 有限元模型及設(shè)置

1.1 液艙結(jié)構(gòu)模型和參數(shù)

液艙結(jié)構(gòu)模型高度為400 mm，前后板的距離為400 mm，結(jié)構(gòu)材料均為Q235鋼。數(shù)值仿真中，液艙前后板外側(cè)各設(shè)置厚度100 mm的空氣層。模型A不設(shè)置隔層，前后靶板的厚度均為4 mm；模型B中間設(shè)置方格夾層板（Square sandwich plates，簡稱為SSP），方格板芯層板厚度分別設(shè)置為0.5 mm、1 mm和1.5 mm，間距為80 mm，前后壁厚度均為2 mm，前后壁間距為50 mm。在B結(jié)構(gòu)中，空氣隔層將液體分成了前后兩個(gè)艙室，分別稱為前液艙和后液艙。模型示意圖如圖2所示。彈體采用直徑為40mm的球形彈體。設(shè)置有空氣夾層的液艙，將液體分為前液艙和后液艙。為方便敘述，按照彈體侵徹先后順序的不同，含液結(jié)構(gòu)部分稱為前板和后板，空氣夾層板的結(jié)構(gòu)部分稱為SSP結(jié)構(gòu)前板、芯層和SSP結(jié)構(gòu)后板。計(jì)算時(shí)，在模型A結(jié)構(gòu)前后板距離頂端100 mm處，設(shè)置壓力測點(diǎn)G1和G2，在SSP結(jié)構(gòu)中設(shè)置壓力測點(diǎn)G3和G4，測點(diǎn)位置如圖2所示。

采用顯示動(dòng)力學(xué)軟件AUTODYN建立液艙結(jié)構(gòu)模型，并采用多物質(zhì)歐拉與拉格朗日耦合方法開展計(jì)算分析。結(jié)構(gòu)采用拉格朗日網(wǎng)格，水和空氣采用歐拉網(wǎng)格，通過初始條件為彈體施加初速度。液艙前后板、SSP等結(jié)構(gòu)采用殼單元，網(wǎng)格尺寸均采用10 mm×10 mm。歐拉域采用10 mm×10 mm×10 mm的網(wǎng)格。

圖2 2種類型的液艙Fig.2 Two types of liquid-filled cabin

1.2 材料本構(gòu)模型及參數(shù)

液體介質(zhì)（水）使用Shock狀態(tài)方程描述材料的基本特性。方程基于Hugoniot關(guān)系建立，表示為U=C1+S1Up，U為沖擊速度，Up為粒子速度。方程中的參數(shù)如表1所示。

表1 水的shock狀態(tài)方程Tab.1 Shock EOS of water

結(jié)構(gòu)材料選用Q235，并采用考慮應(yīng)變強(qiáng)化、溫度軟化和應(yīng)變率強(qiáng)化的J-C本構(gòu)模型[16]。損傷準(zhǔn)則采用計(jì)及應(yīng)力三軸度、應(yīng)變率和溫度效應(yīng)的延性損傷準(zhǔn)則[17]。具體參數(shù)如表2所示。

表2 Q235材料參數(shù)Tab.2 Material parameters of Q235

1.3 計(jì)算工況

為了分析和對比方格板夾層對含液結(jié)構(gòu)在不同彈體速度下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)影響，開展了若干工況的數(shù)值仿真計(jì)算，如表3所示。

表3 計(jì)算工況Tab.3 Simulation cases

2 數(shù)值仿真方法驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值方法的有效性，對文獻(xiàn)[18]中開展的實(shí)驗(yàn)采用AUTODYN進(jìn)行了數(shù)值模擬。實(shí)驗(yàn)采用二級輕氣炮發(fā)射直徑12.65 mm，長為25.4 mm圓柱形平頭彈體，并采用高速攝像機(jī)記錄了高速彈體在水中形成的超空泡和彈體速度變化規(guī)律。本文選用的工況為彈體初始入水速度V0=603 m/s。

首先，“概念”要求我們采用自上而下的視角，從概念意義出發(fā)來看體現(xiàn)形式。六種及物性過程，序列、圖形和成分三個(gè)級階，實(shí)體、過程、性質(zhì)等性狀，從不同的角度對經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行識(shí)解和描述，我們認(rèn)為這些都可納入概念意義的范疇。正是基于某個(gè)概念意義，我們思考用什么樣的詞匯語法形式來體現(xiàn)。需注意的是，同一情景或經(jīng)驗(yàn)是概念之源，一致式和隱喻式體現(xiàn)的是同一基底概念，如3.3節(jié)所述，各自的意義雖相似，卻存在不容忽視的差異，因此，我們應(yīng)該把Halliday說的“相同的所指”改為“相似的所指”。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置[18]Fig.3 Experimental installation

圖4 彈體入水過程中的超空泡Fig.4 Super-cavitation when the projectile moving

圖5 實(shí)驗(yàn)和仿真對比Fig.5 Comparison of experiment and simulation

如圖3所示，數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)的空穴尺寸吻合較好。說明基于顯示動(dòng)力分析方法的AUTODYN軟件能有效模擬高速彈體入水時(shí)超空泡的動(dòng)態(tài)變化過程，為后續(xù)計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。

對相同的圓柱形彈體（直徑12.65 mm，長為25.4 mm），對比數(shù)值仿真與高速相機(jī)記錄下的速度和位移變化，對比情況如圖5所示。結(jié)果表明，數(shù)值仿真與試驗(yàn)值誤差較小，可以運(yùn)用數(shù)值仿真方法對高速彈體入水問題進(jìn)行分析。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 動(dòng)態(tài)過程

圖6為彈體（V0=1 000 m/s）侵徹過程中超空泡的變化。圖6（a）為彈體侵徹?zé)o夾層液艙時(shí)超空泡的變化，當(dāng)彈體在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)彈體附近的水獲得較高速度，彈體后方的水逐漸脫離彈體形成超空泡，而外界的空氣在大氣壓力作用下進(jìn)入超空泡。在0.3 ms以前，由于彈體和超空泡邊界的運(yùn)動(dòng)速度較快，空氣未能完全充滿超空泡。0.6 ms彈體侵徹液艙后板時(shí)，彈體速度已經(jīng)有較大程度降低，空氣此時(shí)充滿超空泡。圖6（b）為彈體侵徹SSP結(jié)構(gòu)時(shí)的超空泡變化，可以看出，由于夾層結(jié)構(gòu)的存在，限制了超空泡的發(fā)展，將超空泡分成2個(gè)部分。超空泡的發(fā)展會(huì)帶動(dòng)液艙內(nèi)液體宏觀運(yùn)動(dòng)，形成類似于水下接觸爆炸滯后流的載荷[19]，本文中稱為超空泡滯后流。

圖6 超空泡變化（V0=1 000 m/s）Fig.6 Variation of super-cavitation(V0=1 000 m/s)

3.2 液體中的沖擊波載荷特性

前板測點(diǎn)在0.148 ms首先受到彈體撞擊液體產(chǎn)生的沖擊波，并持續(xù)一段時(shí)間。此后沖擊波在液體中傳播到SSP結(jié)構(gòu)的前板，并在此處發(fā)生透射和反射。由于沖擊波在空氣物質(zhì)交界面發(fā)生反射后形成負(fù)壓，在水中形成稀疏波，并在水中形成空化區(qū)域，此時(shí)前板測點(diǎn)保持一段較長時(shí)間的零壓力（0.27-0.42 ms）。此后發(fā)生多次反射，與此同時(shí)超空泡膨脹形成滯后流。對比芯層板厚度為1.5 mm和0.5 mm的工況可以看出，芯層板較薄的SSP結(jié)構(gòu)會(huì)造成前板測點(diǎn)處滯后流壓力明顯降低，如圖7（a）所示。

后板測點(diǎn)在0.21 ms時(shí)受到SSP板擾動(dòng)產(chǎn)生的沖擊波載荷（芯層板較厚的擾動(dòng)較大），此后彈體進(jìn)入后液艙，形成高強(qiáng)沖擊波。0.4-1.0ms之間，測點(diǎn)受到多次反射沖擊波的影響。此后進(jìn)入超空泡滯后流作用時(shí)間。芯層板較薄的SSP結(jié)構(gòu)會(huì)造成后板測點(diǎn)處滯后流壓力略有降低，如圖7（b）所示。

圖7 沖擊波載荷特性（V0=1 500 m/s）Fig.7 Time history of shock wave(V0=1 500 m/s)

圖8 前后板的比沖量（V0=1 500 m/s）Fig.8 Specific impulse of front and rear plates(V0=1 500 m/s)

圖8（a）為前板測點(diǎn)的比沖量。在0.27-0.42 ms之間經(jīng)歷一個(gè)平臺(tái)期，此后在反射沖擊波作用下分別上升，不同芯層厚度對應(yīng)的比沖量曲線逐漸拉開差距，在0.8 ms以后持續(xù)增大，并在1.6 ms后逐漸穩(wěn)定。芯層板厚度為0.5 mm的SSP結(jié)構(gòu)比芯層板厚度為1.5 mm的SSP結(jié)構(gòu)衰減前板比沖量的效果更明顯，降低了12.6%。

圖8（b）為后板測點(diǎn)的比沖量。在0.34-0.37 ms之間迅速增加，此后不同芯層板厚度對應(yīng)的曲線逐漸拉開差距，并主要在超空泡滯后流作用時(shí)間段內(nèi)差異更加明顯。最終，芯層板厚度為0.5 mm的SSP結(jié)構(gòu)比芯層板厚度為1.5 mm的SSP結(jié)構(gòu)衰減后板比沖量的效果更明顯，降低了11.0%。

分析圖8（a）、（b）可以看出，適當(dāng)降低SSP結(jié)構(gòu)芯層板厚度可以對前后板的比沖量均有不同程度的降低，且主要原因?yàn)闇罅麟A段的載荷差異。

3.3 芯層塑性變形

在彈體侵徹液艙時(shí)，會(huì)對SSP結(jié)構(gòu)造成較為明顯的塑性變形。結(jié)構(gòu)變形模式類似于近距離水下爆炸，如圖9所示。芯層板厚度為0.5 mm時(shí)，芯層的變形明顯大于芯層板為1.5 mm時(shí)，說明芯層板厚度的變化影響SSP結(jié)構(gòu)的變形大小。

圖9 不同厚度芯層的變形（V0=1 500 m/s）Fig.9 Core deformation(V0=1 50 0m/s)

圖10 SSP前后板的變形（V0=1 500 m/s）Fig.10 Deformation of SSP front and rear plates

圖10為SSP結(jié)構(gòu)前后板的變形（V0=1 500 m/s）。可以看出，當(dāng)芯層厚度較大時(shí)（1.5 mm），前后板變形受芯層板影響較大，設(shè)置芯層板的區(qū)域塑性變形明顯較小。各板格中心變形大于板格其他部分，且中心板格變形大于邊緣板格。而當(dāng)芯層厚度較小時(shí)（0.5 mm），前后板的塑性變形更趨于整體性，且SSP前后板的變形均明顯大于芯層板較厚的工況。

說明芯層板厚度能有效引導(dǎo)SSP結(jié)構(gòu)的變形模式，且芯層板厚度越小，變形越趨于整體性，且塑性變形明顯增大。

3.4 靶板變形

如圖11（a）所示，當(dāng)彈體速度為1 000 m/s時(shí)，無SSP結(jié)構(gòu)的液艙前板的最大變形為25.5 mm，芯層厚度為1.5 mm和0.5 mm時(shí)，分別衰減為19.3 mm和16.0 mm，降低率為24.3%和37.3%。而后板的變形明顯大于前板，無SSP結(jié)構(gòu)時(shí)，最大變形為34.7 mm，芯層厚度為1.5 mm和0.5 mm時(shí)，分別衰減為27.3 mm和26.6 mm，降低率為21.3%和23.3%。

圖11 前后板的塑性變形Fig.11 Plastic deformation of front and rear plates

如圖11（b）所示，當(dāng)彈體初速度為1 500 m/s時(shí)，無SSP結(jié)構(gòu)的液艙前板的最大塑性變形為41.6 mm，芯層板厚度為1.5 mm時(shí)最大塑性變形衰減為27.2 mm，降低率為34.6%，芯層板厚度為0.5 mm時(shí)最大塑性變形衰減為21.8 mm，降低率為47.6%。無SSP結(jié)構(gòu)的液艙后板的最大塑性變形為50.1 mm，芯層板厚為1.5 mm和0.5 mm時(shí)，則分別降低到36.1 mm和35.7 mm，降低率分別為27.9%和28.7%。雖然芯層板較厚時(shí)，液艙厚度最大變形較大，但從整體上看，較薄的芯層板依然略微降低了后板的整體塑性變形。

綜合上述分析，改變芯層板厚度對前板的變形影響更大，適當(dāng)減小芯層厚度能有效降低液艙板的前板變形，且隨著彈體速度增大，效果更加明顯。芯層改變對后板變形也有一定的影響，但改變的程度較小。

4 機(jī)理探討

在水下爆炸氣泡膨脹時(shí)，形成輻射狀的擾動(dòng)在正壓力波通過以后，水因有向外的速度而擴(kuò)展，此時(shí)形成的載荷稱為滯后流（The after flow）。滯后流是水下近場/接觸爆炸作用下的一種重要載荷。在本研究中，由于超空泡變大引起的液體瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)稱為沖擊波，而引起的液體宏觀運(yùn)動(dòng)及液體不可壓縮帶來的載荷稱為超空泡滯后流。載荷形式可見圖8。SSP結(jié)構(gòu)芯層板厚度變化，影響滯后流載荷的主要機(jī)理如圖12所示。

圖12 芯層板厚度改變滯后流載荷示意圖Fig.12 Schematic of the after flow affected by core

圖12（a）為芯層較厚時(shí)的變形示意圖，圖12（b）為芯層較薄時(shí)液艙的變形示意圖。當(dāng)芯層較薄時(shí)，SSP結(jié)構(gòu)發(fā)生更大的塑性變形，且SSP結(jié)構(gòu)前板變形明顯大于SSP結(jié)構(gòu)后板。當(dāng)超空泡邊界壓縮液體運(yùn)動(dòng)時(shí)，薄芯層板使得SSP結(jié)構(gòu)橫向剛度降低，發(fā)生更大的塑性變形，從而導(dǎo)致液體等效地更容易被壓縮，從而大大降低了超空泡滯后流作用到前后板的載荷。由于SSP前板的變形改變程度較大，而SSP后板的改變程度較小，所以芯層板厚度對液艙前板塑性變形的影響更為明顯。

但應(yīng)當(dāng)注意的是，當(dāng)芯層板厚度過小時(shí)，SSP結(jié)構(gòu)前后板可能出現(xiàn)緊密貼合撞擊，從而限制了SSP結(jié)構(gòu)前后板的變形，無法持續(xù)改善液艙前后板的變形。這類情況，應(yīng)在設(shè)計(jì)中避免。

5 結(jié) 論

防護(hù)液艙是航母舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)中能量吸收最多的艙室，對航母防護(hù)液艙進(jìn)行結(jié)構(gòu)創(chuàng)新對于整體防護(hù)具有十分重要的意義。彈體高速撞擊作用下，防護(hù)液體艙室的前后板均會(huì)發(fā)生較大塑性變形。近期資料顯示，美軍最新“尼米茲”航母的舷側(cè)防護(hù)液艙由常規(guī)單液艙變成了雙液艙[15]，并在兩層液艙之間設(shè)置了夾層，從側(cè)面驗(yàn)證了新型液艙形式的合理性。新型夾層能顯著降低防護(hù)液艙的大塑性變形，高速彈體撞擊時(shí)可降低變形30%以上。通過開展計(jì)算分析，重點(diǎn)討論了芯層強(qiáng)度變化對防護(hù)效果的影響，主要得到以下結(jié)論：

（1）適當(dāng)降低芯層強(qiáng)度能降低前后液艙板測點(diǎn)的壓力載荷和比沖量，可明顯降低液艙前板的塑性變形；

（2）芯層強(qiáng)度改變提高防護(hù)效能的主要機(jī)理是減小了液艙中的超空泡滯后流；

（3）液艙新型防護(hù)夾層設(shè)計(jì)應(yīng)考慮具體侵徹彈體載荷，適當(dāng)降低芯層強(qiáng)度的同時(shí)應(yīng)避免防護(hù)夾層前后壁發(fā)生貼合碰撞。