張?jiān)狼啵嫸?，蔡衛(wèi)軍，李建辰

西安精密機(jī)械研究所，陜西西安710077

0 引 言

艦船與水砰擊、空投魚(yú)雷以及飛機(jī)水上迫降時(shí)，均會(huì)經(jīng)歷一個(gè)復(fù)雜的入水沖擊過(guò)程（圖1）。此過(guò)程涉及瞬時(shí)沖擊和多介質(zhì)、多種力耦合的作用，具有強(qiáng)非線性，故研究難度較大。在入水沖擊過(guò)程中，結(jié)構(gòu)和流體是相互耦合的，結(jié)構(gòu)入水沖擊作用會(huì)造成水的飛濺并向周邊流動(dòng)。同樣，水又會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)施加反作用力，尤其是在初始瞬時(shí)沖擊階段，結(jié)構(gòu)通常會(huì)受到較大的入水砰擊力［1］。該入水砰擊載荷足以對(duì)結(jié)構(gòu)造成損害，或者使結(jié)構(gòu)內(nèi)部的敏感器件失效，甚至危及人員安全。因此，開(kāi)展入水沖擊問(wèn)題的研究對(duì)于大型艦船、水下兵器和水上飛機(jī)等入水結(jié)構(gòu)的承載能力設(shè)計(jì)及防護(hù)設(shè)計(jì)有著重要意義。

人們研究入水問(wèn)題已有一百多年的歷史，早期主要開(kāi)展的是理論和試驗(yàn)研究，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值仿真已成為重要的研究手段，但仍需要試驗(yàn)方法進(jìn)行驗(yàn)證和機(jī)理現(xiàn)象的分析。Von Karman 和 Wanger［2-3］最早對(duì)入水問(wèn)題進(jìn)行了研究，所得理論解與實(shí)際情況更接近。兩人的研究工作奠定了理論研究的基礎(chǔ)。

20世紀(jì)50年代，在美國(guó)水中兵器項(xiàng)目和載人航天計(jì)劃的基礎(chǔ)上，研究人員對(duì)不同結(jié)構(gòu)的入水沖擊響應(yīng)問(wèn)題進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，較深入地分析了不同結(jié)構(gòu)入水時(shí)的沖擊響應(yīng)規(guī)律［4-5］。之后，為分析入水機(jī)理，研究人員主要針對(duì)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)進(jìn)行了入水沖擊試驗(yàn)研究，如框形體、錐形體和球形體等。在上述研究之外，Zhao和Faltisen［6］為了準(zhǔn)確分析二維結(jié)構(gòu)入水沖擊的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，在楔形體濺水區(qū)域引入“射流單元”獲得了較為理想的結(jié)果；Carcaterra等［7-9］分別針對(duì)不同楔形體進(jìn)行了入水沖擊試驗(yàn)，以研究質(zhì)量、角度和速度等因素對(duì)入水沖擊壓力的影響。在剛性結(jié)構(gòu)入水問(wèn)題逐步完善的基礎(chǔ)上，研究人員又開(kāi)始將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了彈性體入水問(wèn)題中，例如，Stenius和 Panciroli等［10-11］對(duì)楔形彈性結(jié)構(gòu)的入水沖擊過(guò)程進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析了彈性體在入水沖擊過(guò)程中的流固耦合現(xiàn)象，并研究了彈性體的動(dòng)響應(yīng)問(wèn)題；齊鐸等［12］采用CFD方法對(duì)不同入水速度和角度下的AUV受力過(guò)程進(jìn)行了仿真計(jì)算。王丑丑和吳宗成［13］采用Fluent軟件針對(duì)飛機(jī)水上迫降進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)尾部吸力會(huì)對(duì)飛機(jī)的俯仰姿態(tài)造成重要影響。駱寒冰等［14］針對(duì)有/無(wú)轉(zhuǎn)角的加筋板楔形體進(jìn)行研究，分析了加速度和壓力響應(yīng)?？墁摰龋?5］采用Wagner模型將平板理論改為橢圓擬合，分析了不同斜升角楔形體的入水砰擊力和壓力響應(yīng)。

鑒于目前的研究現(xiàn)狀，其研究對(duì)象多為頂部開(kāi)口或?qū)嵭慕Y(jié)構(gòu)，而實(shí)際上，艦船和水中兵器等都是密閉結(jié)構(gòu)，但涉及內(nèi)部空腔對(duì)結(jié)構(gòu)入水沖擊響應(yīng)影響的研究較少，故對(duì)于結(jié)構(gòu)密閉的影響需要進(jìn)一步深入研究。

本文將以帶有密閉空腔的楔形和弧形體為研究對(duì)象，進(jìn)行自由下落的入水沖擊試驗(yàn)，以測(cè)量入水沖擊時(shí)的加速度和壓力變化，并與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，以得到密閉空腔對(duì)結(jié)構(gòu)入水沖擊加速度的影響。此外，擬采用數(shù)值仿真方法來(lái)分析結(jié)構(gòu)入水的沖擊壓力分布及變化趨勢(shì)。

1 試驗(yàn)裝置

本文的入水沖擊試驗(yàn)裝置是自行設(shè)計(jì)的，主要由水箱、滑架、滑軌和鋼架組成。試件包括實(shí)心木材的楔形體、空腔鋁材的楔形體和弧形體、空腔abs塑料楔形體（彈性體）。上述研究對(duì)象的長(zhǎng)度為0.5 m，寬0.19 m，厚0.003 m。試件與滑架組裝在一起，內(nèi)部會(huì)形成一個(gè)密閉空腔。入水沖擊加速度計(jì)為ICP型，量程為1 000 m/s2，安裝在滑架斜對(duì)角方向。入水沖擊壓力采用PVDF壓電傳感器進(jìn)行測(cè)量，其中5個(gè)粘貼在結(jié)構(gòu)表面一側(cè)，從底部到頂部分別標(biāo)識(shí)為1～5號(hào)［16］，如圖2所示。試件質(zhì)量為4 kg，入水沖擊速度為1.5 m/s。具體試驗(yàn)裝置圖參見(jiàn)文獻(xiàn)［17］。

2 空腔結(jié)構(gòu)的入水沖擊加速度響應(yīng)

在對(duì)實(shí)心木材的楔形體與空腔鋁材的楔形體進(jìn)行入水沖擊試驗(yàn)的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)它們存在密閉空腔效應(yīng)，即楔形體結(jié)構(gòu)內(nèi)部的空腔對(duì)入水沖擊加速度有較大影響。而且，還發(fā)現(xiàn)空腔可以使得楔形體加速度的最大值增加1倍，且在楔形體入水沖擊水面時(shí)會(huì)發(fā)出明顯的“砰”的聲響。同時(shí)，在對(duì)楔形體空腔內(nèi)部添加不吸水的泡沫塑料試驗(yàn)中，也他驗(yàn)證了空腔對(duì)楔形體入水沖擊加速度的影響。

為進(jìn)一步研究密閉空腔對(duì)其他結(jié)構(gòu)入水沖擊加速度的影響，在保證相同入水試驗(yàn)條件的情況下，對(duì)剛性弧形體和彈性楔形體進(jìn)行了入水沖擊試驗(yàn)研究。如圖3所示，帶空腔的弧形體（h-空腔）與空腔填充后的弧形體（h-填充）的加速度最大值存在較大差異。帶空腔弧形體的加速度最大值已超過(guò)1 000 m/s2，而空腔填充后弧形體的加速度最大值為409 m/s2，密閉空腔造成加速度最大值增大了1.5倍，增大幅度超過(guò)楔形體。弧形體入水沖擊時(shí)“砰”的聲響更明顯，密閉空腔對(duì)弧形體入水沖擊加速度的影響也更明顯。

如圖4所示，abs空腔彈性楔形體（a-空腔）與空腔填充后的彈性結(jié)構(gòu)（a-填充）入水加速度的變化趨勢(shì)比較一致，帶空腔加速度最大值為185 m/s2，空腔填充后的最大值為170 m/s2。上述結(jié)果說(shuō)明密閉空腔對(duì)彈性楔形體加速度幾乎無(wú)影響。

通過(guò)試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)密閉空腔確實(shí)會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的入水沖擊加速度產(chǎn)生影響：

水處理綜合實(shí)驗(yàn)是上海理工大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)本科課程,是獲得學(xué)士學(xué)位的必修課。其先修課程是環(huán)境工程原理和水污染控制工程。課程每學(xué)年開(kāi)設(shè)一次,安排在第5個(gè)短學(xué)期。在2014年下半學(xué)期之前,水處理綜合實(shí)驗(yàn)基本采用演示性(“傳統(tǒng)”)實(shí)驗(yàn),即提供實(shí)驗(yàn)理論和程序的講義給學(xué)生;實(shí)驗(yàn)小組進(jìn)行實(shí)驗(yàn),每人根據(jù)每次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,單獨(dú)寫一份實(shí)驗(yàn)報(bào)告并提交。整個(gè)學(xué)期至少進(jìn)行5次實(shí)驗(yàn)。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)主要集中在水污染控制工程為基礎(chǔ)的各處理單元(例如,混凝/絮凝、沉淀、吸附、氧化、生物處理)。通常第一次課安排的是實(shí)驗(yàn)室安全討論課,而且在學(xué)期內(nèi)有專業(yè)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí),安排兩次污水處理廠的現(xiàn)場(chǎng)考察。

1）密閉空腔主要對(duì)結(jié)構(gòu)的入水沖擊加速度最大值產(chǎn)生影響；

2）密閉空腔對(duì)不同結(jié)構(gòu)的入水加速度影響程度不同，其中對(duì)弧形體的影響明顯大于楔形體；

3）密閉空腔對(duì)彈性結(jié)構(gòu)的入水加速度最大值幾乎無(wú)影響。

針對(duì)試驗(yàn)中得到的現(xiàn)象，分析其原因可能是由于結(jié)構(gòu)物形狀不同，入水沖擊時(shí)沖擊點(diǎn)位置差異，造成應(yīng)力波傳播的方向不同，在密閉空腔內(nèi)部引起空氣振動(dòng)，空腔產(chǎn)生不同程度的波動(dòng)和反射，使整個(gè)結(jié)構(gòu)振動(dòng)加強(qiáng)，從而使結(jié)構(gòu)頂部的加速度計(jì)接收到的振動(dòng)信號(hào)也變強(qiáng)。同時(shí)，因空腔內(nèi)部空氣的振動(dòng)，試驗(yàn)中會(huì)聽(tīng)到明顯的“砰”的聲響。

對(duì)于剛性楔形體，其入水沖擊后，尖點(diǎn)將水面分開(kāi)，在兩側(cè)出現(xiàn)2個(gè)沖擊點(diǎn)，空腔內(nèi)形成2個(gè)如圖5所示的不同傳播方向的聲波，而傳播方向與結(jié)構(gòu)頂部有一定的夾角。

對(duì)于剛性弧形體，其沖擊點(diǎn)處于結(jié)構(gòu)的正下方，其觸水時(shí)刻對(duì)水的沖擊作用明顯，受到的阻礙更大，在空腔內(nèi)造成的空氣振動(dòng)強(qiáng)度也更大，且如圖6所示，聲波在空腔內(nèi)的傳播方向正對(duì)上部的傳感器，所以在空腔內(nèi)更易造成振動(dòng)加強(qiáng)。由此可以看出，相比于楔形體的振動(dòng)信號(hào)受密閉空腔的影響，弧形體的更嚴(yán)重。

對(duì)于彈性體，其入水沖擊后的結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生形變，且隨著沖擊的持續(xù)而發(fā)生變化，其形變?cè)斐蓱?yīng)力波在空腔內(nèi)的傳播方向不斷變化，在空腔內(nèi)未形成有規(guī)律的反射，無(wú)法使空腔內(nèi)的空氣發(fā)生振動(dòng)，故對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)就不會(huì)產(chǎn)生影響。因此，密閉空腔對(duì)彈性體入水沖擊的加速度峰值沒(méi)有影響。

3 空腔效應(yīng)的數(shù)值仿真分析

為驗(yàn)證試驗(yàn)分析的準(zhǔn)確性，本文建立了三維模型，采用任意拉格朗日—?dú)W拉（Arbitrary Lagrange-Euler，ALE）方法對(duì)入水試驗(yàn)工況進(jìn)行了數(shù)值仿真。因關(guān)注的重點(diǎn)是空腔的影響，本文對(duì)仿真模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，如圖7所示的楔形體和空腔空氣仿真模型，并僅在結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊的一側(cè)施加試驗(yàn)測(cè)得的入水加速度信號(hào)。仿真中，空氣采用NULL材料模型和Gruneisen狀態(tài)方程來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)材料屬性的模擬。圖8所示為計(jì)算結(jié)果，由圖可明顯看到內(nèi)部空氣網(wǎng)格的變動(dòng)和楔形體中應(yīng)力的變化過(guò)程，其中加速度峰值達(dá)到了309 m/s2（圖9），與帶有空腔的試驗(yàn)值比較接近。

為進(jìn)一步驗(yàn)證空腔內(nèi)空氣對(duì)加速度的影響，去除了仿真模型中的空氣（圖10）。由仿真結(jié)果雖然能明顯看到結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力變化，但楔形體上表面同一位置處的加速度最大值較?。▓D11）。通過(guò)仿真對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)空腔內(nèi)空氣對(duì)楔形體上表面的加速度確實(shí)影響較大。

然后，采用上述同樣的方式對(duì)弧形體的空腔效應(yīng)進(jìn)行數(shù)值仿真。由仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，弧形體上表面的加速度最大值是輸入值的2.68倍，與試驗(yàn)測(cè)量值接近。通過(guò)對(duì)空腔效應(yīng)的數(shù)值仿真，驗(yàn)證了空腔內(nèi)空氣對(duì)楔形體和弧形體的加速度最大值確實(shí)有較大影響，數(shù)值仿真結(jié)果與試驗(yàn)值較為接近。

4 壓力響應(yīng)

試驗(yàn)采用PVDF壓電傳感器測(cè)量了不同結(jié)構(gòu)表面的入水沖擊壓力，并運(yùn)用ALE方法對(duì)試驗(yàn)工況中的入水沖擊壓力進(jìn)行了數(shù)值仿真分析，結(jié)果如圖12所示。

從圖12可以看出，除5號(hào)傳感器外，其他4個(gè)傳感器的壓力曲線的變化趨勢(shì)比較一致，但最大值存在差異。在弧形體入水沖擊時(shí)，1號(hào)傳感器首先受到入水時(shí)較大的沖擊作用，其壓力值最大達(dá)74 kPa。然后，隨著沖擊能量的損耗，從2號(hào)到5號(hào)傳感器，壓力值逐漸減小。其中，5號(hào)傳感器在沖擊初始時(shí)刻就存在明顯的信號(hào)，且為負(fù)向信號(hào)，與1號(hào)傳感器的入水沖擊壓力信號(hào)同時(shí)產(chǎn)生，但此時(shí)5號(hào)傳感器并未與水接觸，所以此時(shí)的負(fù)向信號(hào)并不是5號(hào)傳感器的入水沖擊信號(hào)，而是由于入水沖擊結(jié)構(gòu)振動(dòng)產(chǎn)生的信號(hào)，0.022 s后的正向信號(hào)才是入水沖擊壓力信號(hào)。

由圖13可以看出，弧形體的數(shù)值仿真壓力曲線變化趨勢(shì)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好?；⌒误w入水時(shí)，受弧形表面的影響，水的阻礙比較大，故沖擊壓力較大，其中2號(hào)傳感器的壓力曲線光滑，峰值明顯，4號(hào)傳感器的壓力峰值明顯減小，且入水沖擊壓力曲線波動(dòng)較大。

表1為弧形體結(jié)構(gòu)表面不同位置處壓力的最大值。由表可知，數(shù)值仿真的壓力最大值與試驗(yàn)值比較接近，可見(jiàn)此數(shù)值能真實(shí)反映結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。

表1 弧形體不同位置處壓力峰值比較Table 1 Comparisons of pressure peak values at different positions of arc body

圖14所示為楔形體和弧形體的試驗(yàn)結(jié)果。由于形狀不同，楔形與弧形體的壓力分布和變化趨勢(shì)差異較大。

由圖14可知，弧形體的入水沖擊壓力最大值比楔形體數(shù)值更大，沖擊響應(yīng)時(shí)間更小。尤其是2號(hào)和3號(hào)傳感器，入水沖擊壓力數(shù)值差異明顯。在相同位置處，弧形體的入水沖擊壓力的最大值和響應(yīng)時(shí)間與楔形體相差1倍左右。

由表2可以看出，結(jié)構(gòu)表面的入水沖擊壓力最大值從1號(hào)到5號(hào)是依次減小的。楔形體和弧形體的測(cè)點(diǎn)位置間隔一致，但其入水沖擊壓力值的減小幅度并不相同。其中，楔形體在1號(hào)和2號(hào)之間時(shí)入水沖擊壓力的減小率相對(duì)較小，在2號(hào)和3號(hào)處壓力減小率增大超過(guò)1倍?；⌒误w在1號(hào)和2號(hào)、2號(hào)和3號(hào)之間時(shí)入水沖擊壓力的減小率接近，在3號(hào)和4號(hào)處壓力減小率增大了1倍多。所以弧形體表面弧度的變化對(duì)入水沖擊壓力的影響較大。

表2 楔形體和弧形體的壓力峰值與減小率比較Table 2 Comparisons of pressure peak values and reduction rate for wedge and arc body

5 結(jié) 論

本文對(duì)不同密度空腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了入水沖擊試驗(yàn)和數(shù)值仿真分析，發(fā)現(xiàn)密閉空腔對(duì)加速度存在重要的影響，并分析了入水沖擊壓力的分布及變化趨勢(shì)。通過(guò)研究得到了如下結(jié)論：

1）結(jié)構(gòu)的密閉空腔對(duì)剛性結(jié)構(gòu)物的入水沖擊加速度峰值有明顯的增大效果，對(duì)彈性結(jié)構(gòu)物幾乎無(wú)影響。其中，密閉空腔使剛性弧形體的加速度峰值增大了1.5倍，使剛性楔形體的增大了約1倍。

2）由于形狀不同，楔形體和弧形體的壓力分布及變化趨勢(shì)差異較大，弧形體的壓力最大值明顯比楔形體的大，沖擊響應(yīng)時(shí)間短。

本文研究分析結(jié)果可以為入水結(jié)構(gòu)的載荷特性提供分析依據(jù)，同時(shí)為入水結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

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