楊德慶,馬 濤,張梗林

(上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院，上海 200030)

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艦艇新型宏觀負泊松比效應蜂窩舷側(cè)防護結(jié)構(gòu)*

楊德慶,馬 濤,張梗林

(上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院，上海 200030)

提出一種具有宏觀負泊松比效應的新型蜂窩舷側(cè)防護結(jié)構(gòu)，通過對負泊松比效應蜂窩胞元特殊結(jié)構(gòu)構(gòu)型設計，實現(xiàn)中等彈速下良好抗爆抗沖擊性能。利用有限元動力學分析軟件，研究魚雷或?qū)椝聦ο蟼?cè)防護結(jié)構(gòu)的撞擊侵入和穿透過程，對比研究了不同蜂窩構(gòu)型、材料、胞元尺寸和胞壁厚度對舷側(cè)結(jié)構(gòu)抗沖擊性能的影響。結(jié)果表明，蜂窩防護結(jié)構(gòu)具有良好的抗沖擊性能，負泊松比蜂窩構(gòu)型較正泊松比蜂窩構(gòu)型抗沖擊性能更優(yōu)。

固體力學；艦船防護結(jié)構(gòu)；非線性有限元；蜂窩結(jié)構(gòu)；負泊松比；負泊松比結(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)設置空艙+液艙+空艙的多層組合防護結(jié)構(gòu)。人們對艦艇舷側(cè)防護結(jié)構(gòu)技術(shù)進行了大量研究，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結(jié)構(gòu)設計方法與抗爆機理，張延昌等[6]將蜂窩夾層板用于艦艇舷側(cè)防護結(jié)構(gòu)，增加結(jié)構(gòu)塑性吸能。目前，正著力探索防護結(jié)構(gòu)多尺度材料/結(jié)構(gòu)一體化設計。艦艇防護結(jié)構(gòu)設計的原理是，使防護結(jié)構(gòu)具有高效吸收外來能量(穿甲動能、爆炸沖擊能)的作用，使結(jié)構(gòu)具有適當剛度來緩沖外載荷造成的變形并具有一定強度，起到主結(jié)構(gòu)作用，強調(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)當屬多孔固體材料，如泡沫和蜂窩材料等。多孔固體材料同時作為主結(jié)構(gòu)承載材料和吸能材料使用，必須通過特殊的細觀與宏觀力學設計。特殊多尺度力學設計的多孔材料結(jié)構(gòu)，可表現(xiàn)出宏觀負泊松比和零導熱率等特性[7-9]。常規(guī)蜂窩結(jié)構(gòu)由于蜂窩壁厚過薄，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、解決抗爆抗沖擊問題的研究，目前正逐步開展。本文中，提出一種具有宏觀蜂窩構(gòu)型防護層的新型艦艇舷側(cè)防護結(jié)構(gòu)。采用宏觀蜂窩主要是解決微觀蜂窩無法承受大載荷，蜂窩壁極易屈曲失效的難題。新型蜂窩舷側(cè)防護結(jié)構(gòu)提高抗爆抗沖擊性能的機理為：蜂窩構(gòu)型變化導致的負泊松比效應，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、抗斷裂性能及大幅提高的回彈韌性等[7]。在穿甲過程中，穿甲破口周圍材料由于負泊松比效應，會向破口聚集，將破口填充，封閉或減小彈孔，提高抗爆強度。本文中，將具有正、負泊松比宏觀特性的六角形蜂窩結(jié)構(gòu)應用于艦船舷側(cè)防護結(jié)構(gòu)，設計新型防護結(jié)構(gòu)，模擬魚雷或?qū)椩谒聦ο蟼?cè)防護結(jié)構(gòu)的侵入和穿透過程，探討不同蜂窩結(jié)構(gòu)形式的舷側(cè)防護結(jié)構(gòu)抗爆抗沖擊性能，研究其抗爆抗沖擊設計方法。

1 新型宏觀負泊松比效應蜂窩舷側(cè)防護結(jié)構(gòu)

新型負泊松比效應蜂窩舷側(cè)防護結(jié)構(gòu)設計如圖1～2所示，也是空艙+液艙+空艙組合形式，但在舷側(cè)板背面加裝了負泊松比效應蜂窩層。舷側(cè)艙段結(jié)構(gòu)長6 m，高4 m。艙段防護結(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)防護結(jié)構(gòu)的最外層(第一層)鋼板厚48 mm，各層防護板間距為0.3 m。對于新型結(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，立邊長度等于斜邊長度(H=L)，內(nèi)凹角為15°；負泊松比蜂窩胞元形狀為：立邊長度兩倍于斜邊長度(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度。反艦導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，撞擊部位船體無加強筋。

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

圖1 負泊松比蜂窩結(jié)構(gòu)舷側(cè)防護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、負泊松比效應蜂窩夾芯舷側(cè)防護結(jié)構(gòu)(局部)示意圖Fig.2 Defensive structure with honeycomb and re-entrant honeycomb (local)

圖3 正、負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

采用有限元動力學分析軟件LS-DYNA，模擬蜂窩夾芯舷側(cè)防護結(jié)構(gòu)在受亞音速反艦導彈的撞擊和侵入作用下的動態(tài)響應過程[12]。數(shù)值模擬中，考慮水與結(jié)構(gòu)間的流固耦合問題。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。計算中采用Johnson-Cook本構(gòu)模型，該模型是一種與應變率和絕熱(忽略熱傳導)溫度相關(guān)的塑性模型，適用于很多大應變率的材料，包括絕大多數(shù)金屬材料。其中流動應力表示如下：

(2)

(3)

T*為相應溫度：

(4)

破壞應變定義為：

(5)

σ*為壓力與有效壓力之比：

(6)

D1～D5為斷裂常量，當破壞參數(shù)D達到1時即認為發(fā)生斷裂：

(7)

除上述的失效準則，該材料模型還為殼單元提供了一種基于最大穩(wěn)定時間步長(Δtmax)的單元刪除準則。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 設計參數(shù)對舷側(cè)防護結(jié)構(gòu)抗沖擊性能影響

采用彈體剩余速度為指標，對不同蜂窩構(gòu)型、蜂窩材料、胞元壁厚和蜂窩胞元層數(shù)下舷側(cè)防護結(jié)構(gòu)抗沖擊性能進行了比較研究(見表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)、正泊松比蜂窩和負泊松比蜂窩舷側(cè)防護結(jié)構(gòu)破損情況,見圖4。

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

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

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

計算結(jié)果表明，負泊松比蜂窩構(gòu)型在200 m/s中等彈速時較正泊松比蜂窩構(gòu)型抗沖擊性能更優(yōu)，但接近音速時抗沖擊性能都不佳。對于負泊松比蜂窩舷側(cè)防護結(jié)構(gòu)，蜂窩材料選用TC4，蜂窩舷側(cè)防護胞元層數(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，彈體剩余速度計算結(jié)果見表3。不同胞元層數(shù)(從左至右分別取2、3、5層)負泊松比蜂窩舷側(cè)防護結(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

計算結(jié)果表明，等材料用量下蜂窩胞元層數(shù)對結(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

針對新型宏觀負泊松比效應蜂窩艦艇舷側(cè)防護結(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，新型宏觀負泊松比效應蜂窩舷側(cè)防護結(jié)構(gòu)抗沖擊性能優(yōu)于常規(guī)舷側(cè)防護結(jié)構(gòu)；宏觀負泊松比效應蜂窩舷側(cè)防護結(jié)構(gòu)較正泊松比效應蜂窩舷側(cè)防護結(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。

本文中主要針對等邊六角形蜂窩構(gòu)型進行了研究，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)化設計等有待進行。

[1] Balandin D V, Bolotnik N N, Pilkey W D. Optimal protection from impact, shock and vibration[M]. Amsterdam: Gordon and Breach Science Publishers, 1998.

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[3] 杜志鵬,李曉彬,夏利娟,等.反艦導彈攻擊艦船舷側(cè)防護結(jié)構(gòu)過程數(shù)值仿真[J].哈爾濱工程大學學報,2006,27(4):484-487. Du Zhi-peng, Li Xiao-bin, Xia Li-Juan, et al. Numerical simulation of anti-ship missile attack warship broadside process[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2006,27(6):484-487.

[4] 姚熊亮,侯明亮,李青,等.Y型舷側(cè)結(jié)構(gòu)抗沖擊性能數(shù)值仿真實驗研究[J].哈爾濱工程大學學報,2006,27(6):796-801. Yao Xiong-liang, Hou Ming-liang, Li Qing, et al. Numerical simulation research on counter-impingement capability Y-shape shipboard side structure[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2006,27(6):796-801.

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[12] 趙海鷗.LS-DYNA 動力分析指南[M].北京:兵器工業(yè)出版社,2003.

(責任編輯 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

國家自然科學基金項目(11072149);高等學校博士學科點專項科研基金項目(20100073110011)

楊德慶(1968— )，男，教授，yangdq@sjtu.edu.cn。

O342;U661.44;TH132.41 國標學科代碼： 1301565

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