水下爆炸载荷下沙漏型点阵结构毁伤机理与设计方法研究

Enhancing the underwater blast resistance of lightweight sandwich structures is the key to improve the vitality and maneuverability of ships. This project aims to research the failure mechanisms of hourglass lattice sandwich structures subjected to underwater blast loading, propose the structural design methods and then enhance the underwater blast resistance of the hourglass lattice sandwich structure. In order to further reveal the failure mechanism of the core of the hourglass lattice structure under underwater blast loads, at first, their failure modes and energy absorption mechanisms under dynamic compressive loading are studied experimentally and numerically. The effects of the shock wave intensity, core layer matching design and several other parameters on the dynamic compressive mechanical properties of the hourglass lattice structure are investigated. The lattice structure design method based on "guided failure" is proposed under dynamic compressive loading, which is then used to optimize the core of the hourglass lattice structure subjected to underwater blast loading. Based on this, the simulated non-explosive underwater blast fluid-solid coupling experimental method is used, combined with the numerical calculation, to study the effects of the shock wave intensity, the face to core mass ratio and several other parameters on the failure mechanism and energy absorption principle of the hourglass lattice sandwich structure under underwater blast. The structure design method based on "combining rigidness and softness" of the hourglass lattice sandwich structure subjected to underwater blast loading is then proposed. This project could provide a research basis for the application of lattice sandwich structures to the protection structure of advanced ships.

加强轻质防护结构抗爆炸冲击性能是提升舰船生存力和机动性的关键。本项目旨在研究不锈钢沙漏型点阵结构在水下爆炸冲击波载荷下的毁伤机理，并提出结构优化设计方法，提升结构抗水下爆炸冲击特性。为深入揭示沙漏型点阵结构芯子抗爆炸冲击毁伤机理，首先通过实验和数值方法研究其在动态压缩载荷下的失效模式和吸能机制，研究冲击波强度、芯层匹配设计等多个参数对沙漏型点阵结构动态压缩性能的影响，提出基于“引导失效”的沙漏型点阵结构芯层匹配设计方法，并将其应用于水下爆炸冲击载荷下沙漏点阵结构的芯子设计。在此基础上，采用非药式模拟水下爆炸流固耦合实验装置对沙漏型点阵结构进行动态加载，结合数值计算，研究其在水下爆炸冲击波载荷下，冲击波强度、面芯质量比等多个参数对沙漏型点阵结构毁伤机理和吸能机制的影响规律。提出水下爆炸冲击波载荷下沙漏型点阵结构的“刚柔并济”面芯协调设计方法。为轻质点阵结构应用于先进舰船防护结构提供研究基础。

点阵夹芯结构因其兼具轻质高承载和多功能特性，在吸能、储能、散热、降噪等方面都有优异表现，近年来成为航空、船舶等运输领域的研究热点。相比于目前研究较多的金字塔点阵结构，本项目基于强化设计方法提出“沙漏型”点阵结构，展现出更高的平压强度和剪切强度等优异力学性能，以及优异的动态冲击性能，本项目重点研究动态冲击载荷和水下爆炸冲击载荷下沙漏型点阵结构的协调设计方法。 .一方面，模拟霍普金森实验杆对沙漏型点阵夹芯结构施加动态冲击载荷，研究点阵结构的应变率、芯子层数、芯层梯度等参数对沙漏型点阵夹芯结构的力学响应、变形机制、失效模式以及吸能原理的影响，开展了点阵结构在动态冲击载荷下“引导失效”的芯层匹配设计方法。研究发现增加层数可提高结构的吸能效率，尤其是在较高结构应变率下，其吸能效率提高明显，能量吸收率可达90%；设计渐强梯度的芯层可引导结构可减小背波面第三层芯子所要承载的能量大小，从而提高结构的吸能效率。另一方面，分别设置固支边界和自由边界，并对这两种边界下的结构抗爆炸冲击性能进行研究和优化设计，研究面芯质量比、芯层匹配设计、冲击波强度和芯子层数对点阵夹芯结构抗爆炸冲击性能的影响规律。发现在自由边界下，芯子层数的增加能够有效地提升夹芯结构吸能效果，同时可以减小背波面面板的局部变形，三层结构相较于单层结构内能吸收提高了36.8%；固支边界下，面芯质量比越小的沙漏点阵夹芯结构由于芯子不易出现变形，吸能能力更强的缘故，其吸能能力在吸能阶段表现更好；此外，固支边界下，强-中-弱芯层匹配设计吸能性能最好；在自由边界和固支边界下，结构最终吸能随芯子层数的增加而增大。本项目有助于完善点阵结构抗水下爆炸冲击性能方面的研究体系，可为新型舰船轻质高强多功能防护结构的探索和发展提供研究基础。