蜂窝夹层结构防护潜艇水下爆炸冲击的塑性动力学机理

对舰艇进行抗冲击防护设计，提高其战时生命力意义重大。单壳体潜艇的水下快速性、机动性和隐蔽性远高于双壳体潜艇。面对不断发展的反潜技术，各国相继将目标转向发展单壳体潜艇。单壳体潜艇的一个主要弊端是其耐压艇体直接暴露在外，更易遭受水中爆炸强冲击波的毁伤。.本项目提出将蜂窝夹心结构用作单壳体潜艇耐压壳水下抗爆炸冲击的防护层，利用夹心结构的塑性大变形来耗散冲击波的能量，以降低传递到耐压壳上的冲击载荷，避免或减小对耐压壳的毁伤。通过理论建模、数值计算和精心设计的实验，研究由夹心防护层与受防护主体壳板构成的复合结构的冲击塑性动力学特性，揭示冲击波作用过程中，蜂窝夹心结构中弹塑性压缩波与塑性屈曲变形的相互作用和演化机理。对蜂窝夹心结构的能量吸收特性和冲击载荷衰减传递特性给出系统的理论阐述，对蜂窝夹心结构用于潜艇耐压壳抗冲击防护的效能做出验证和评估。为抗冲击防护蜂窝夹心结构的设计奠定理论基础和计算分析方法。

结构在受到爆炸冲击时，容易遭到破坏。提高结构抗冲击能力的一种方法是在结构外表面敷设一层蜂窝夹芯结构。本项目提出将蜂窝夹芯结构用作水下耐压壳的抗冲击防护层。. 通过理论建模、数值计算和精心设计的实验，研究了由夹心防护层与受防护主体壳板构成的复合结构的冲击塑性动力学特性，揭示冲击波作用过程中，蜂窝夹心结构中弹塑性压缩波与塑性屈曲变形的相互作用和演化机理。对蜂窝夹心结构的能量吸收特性和冲击载荷衰减传递特性给出系统的理论阐述，对蜂窝夹心结构用于耐压壳水下抗冲击防护的效能做出实验验证和理论评估。完成的研究和成果要点概述如下。.（1）首次将非等时变分的方法引入到应力波作用下结构动力屈曲的研究中,发展了双特征参数法的屈曲准则，建立了可以统一求解时变载荷和阶跃载荷作用下结构动力屈曲准则。利用双特征参数法和上述屈曲准则，建立了求解薄板弹性、塑性动力屈曲问题的完整解法。研究了弹性和塑性应力波作用下矩形薄板的动力屈曲问题。.（2）通过霍普金森压杆系统对一系列蜂窝夹心板模型进行了冲击加载实验。使用高速摄影记录了夹心板的冲击屈曲变形发展过程。使用高速动态应变仪和数据采集系统记录了冲击应力波通过夹心板的传播和衰减特性。实验结果表明，夹芯结构对冲击载荷幅值的衰减和能量的耗散能起到很好的作用。系统分析了夹芯板模型在整个撞击变形过程中各种能量之间的传递和转化特性，夹芯板模型中弹塑性压缩波的传播过程，以及塑性后屈曲大变形的发展规律。.（3）采用有限元数值模拟方法，建立了夹芯圆柱壳和等质量的普通圆柱壳在水下爆炸载荷作用下的有限元模型，并对有限元模型的正确性进行了验证。选取特殊点作为研究对象，从等效应力、应变、速度、加速度、夹芯层的变形以及能量方面，将二者的动态响应和变形机理进行了对比分析。系统研究了夹芯防护层的能量吸收特性和载荷衰减传递特性。同时，还分析了夹芯防护层的相关结构参数对其抗冲击性能的影响。.（4）开展了夹芯圆柱壳和单层圆柱壳模型的水下爆炸实验，采用高速动态应变仪和高速数据采集系统记录了模型内表面在爆炸冲击波作用下的动态应变响应。一系列实验结果表明：对于水下爆炸载荷，夹芯防护层对内部的圆柱壳体起到了有效的防护作用，改善了夹芯圆柱壳的冲击环境。夹芯圆柱壳的抗冲击性能显著优于无防护层的等质量单层圆柱壳。在相同强度的冲击波作用下，夹芯圆柱壳内表面的动态应变幅值远低于等质量的单层圆柱。