高速入水诱导冲击载荷特征及主被动降载方法研究

The impact loading is a key factor to lead to the failure of structure during high speed water entry process. In this proposal, a coupling active-passive approach that bases on the interaction between lattice material, high temperature gas, and water will be proposed to reduce the impact loading induced by high speed water entry. A coupling model as well as the related numerical method will be developed, in which the deformation of lattice structure, the interaction between high temperature gas and water, and the compressibility of water and gas cushion will be considered. Also, based on the numerical simulation and dimensional analysis, the key dimensionless parameters that control the water impact loading will be obtained. The experimental method will also be built to validate the numerical and dimensional analysis results.

高速入水时的撞击载荷是导致结构失效的关键因素之一。本项目以轻质点阵结构-高温燃气-水之间的相互作用为重点，探索高速入水主被动耦合降载方法，并对其耦合降载机理开展研究，发展考虑轻质点阵结构缓冲变形、高温气垫与水相互作用、气液可压缩性的入水冲击载荷耦合物理模型，并建立相关的固-液-气耦合计算方法，明确高速入水冲击载荷的主控参数与相似规律，建立相应的实验与验证方法。

高速入水时的撞击载荷是导致结构失效的关键因素之一。本项目围绕高速入水的主被动降载方法，建立了高温燃气高速入水冲击诱导水自由面演化的主动降载计算方法；发展了剪切增稠流体填充轻质点阵结构、高分子涂层材料的降载缓冲材料，并获得了其力学性能；推导了航行体高速入水峰值载荷的相似律，并进行了数值验证；开展了不同尺度航行体高速入水实验，对航行体弹道稳定性、空泡演化规律进行了测量，验证了有效的高速入水降载方案。.项目执行过程中，主要在以下几个方面取得了重要的结果：.（1）高温燃气高速入水冲击诱导的水自由面非线性演化与掺混行为.基于流体动力学计算方法，模拟了高温燃气在不同速度条件下入水冲击诱导的自由面演化规律，获得了高温燃气冲击诱导的水自由面非线性运动、压力分布特征等参数。.（2）轻质缓冲材料的冲击能量吸收特性.制备了剪切增稠流体（STF）填充的轻质点阵夹层板材料、STF填充的硅橡胶材料，通过冲击加载实验，测量了材料的动态能量吸收特性，分析了冲击压缩中STF流变与结构变形的耦合效应，得到了STF含量、加载应变率等对材料动态能量吸收的影响规律。.（3）高速入水冲击的主控参数与相似规律.通过量纲分析方法，获得了典型结构高速入水冲击峰值载荷的主控参数，在一定情况下满足相似律；进一步，通过流固耦合数值模拟，计算了不同速度条件下，航行体入水冲击的动态响应特征、载荷传递规律，验证了相似律。.（4）高速入水冲击实验测量与降载方法研究.开展了小尺度航行体高速入水冲击实验，对入水冲击的弹道特性、空泡演化规律进行了精细测量。与此同时，开展了较大尺度的航行体入水冲击实验及降载方法研究，获得了不同速度条件下入水冲击的载荷特征、不同降载方案的降载效率及其降载机理。.项目执行过程中在国内外重要期刊中发表了多篇学术论文，并参加了多次学术会议促进了合作与交流工作。研究成果将深化和推动高速入水降载方法的发展，促进高速入水降载机理的认识，为未来高速入水航行体的入水冲击降载设计提供重要支撑。