水下爆炸作用下舰船结构波激耦合机理研究

在水下爆炸冲击波与舰船结构的耦合分析领域应用最广泛的是70年代出现的双渐近法（DAA）。然而，DAA法在早期高频流固耦合阶段的假设使其无法解释实测壁压的多峰现象，这是因为DAA法没有考虑结构应力波及其对入射冲击波的反作用。本项目试图应用波动理论，包括应力波和水中冲击波，来深入分析舰船双层底结构中的应力波在冲击波作用前期的传播规律，压缩应力波在内底反射为拉伸波的波形特性，以及反射拉伸波对冲击波多次卸载的耦合作用机理。评估DAA法忽略早期流固耦合中的波动效应对后期结构动力学响应计算精度的影响。根据应力波在双层底中的传播规律，探索基于霍普金森飞片的结构防护新思路，不同于以往主要以吸能为手段提高防护能力的方式，而尝试在舰船外板或双层底内侧敷设飞片，使其在冲击过程中携带陷入其中的应力波动量自动脱离外板，从而使冲击能量直接向舰船内部转移，减少外板的损伤，提高舰船抗打击能力。

当下用于舰船结构在遭受水下爆炸冲击波作用时的流固耦合分析主要是70年代出现的双渐进法（DAA）。但是DAA在早期高频流固耦合阶段的假设使其无法用来解释实测壁压的多峰现象，主要是因为DAA法没有考虑结构应力波及其对入射冲击波的反作用。为解决此问题，本项目试图应用波动理论，包括应力波和水中的冲击波，来深入分析舰船双层底结构中的应力波在冲击波作用前期的传播规律，压缩应力波在内底反射的波形特性，以及反射拉伸波对冲击波多次卸载的耦合作用机理。为达到上述目的，首先对应力波在舰船双层底中传播规律和计算方法进行研究。在研究该问题时，需要对复杂的三维舰船双层底结构进行简化。将舰船双层底简化为由多个垂向分布的 “工”字型、“T”型变截面杆和平板，根据同种材料变截面结构中的弹性应力波的传播规律中关于波振面前后广义波阻抗之比来确定“工”字型、“T”型变截面杆的临界尺寸。通过计算证明界面比为7:1时就足够精确捕捉应力波的透射、反射，所以“工”字型、“T”型变截面杆的“带板”宽度均取“腹板”厚度的7倍，剩余部分则按平板来处理。对于应力波在舰船双层底中的传播规律的数值计算方法，项目组选用了特征线法和有限差分法相结合的计算方法，并且提出了针对舰船双层底结构特定的差分格式。通过计算与实例对比正式该种计算方法的有效性。其次，针对舰船船体外板中反射拉伸波对冲击波多次卸载的耦合作用机理，本项目组采用波动理论来建立相应的波动耦合控制方程。当水下爆炸冲击波达到船体外板背水面时，透射到外板中的冲击波将会以结构中的应力波的形式在船体结构中传播。当应力波达到外板的背空面会发生卸载反射，卸载波回传至外板的背水面将与结构表面的冲击波相互作用，即发生波波耦合。基于波动理论，根据流固耦合界面各自介质中的运动连续方程、力连续方程，可以建立起水中冲击波与结构中应力波之间的耦合控制方程。通过对耦合控制方程的解，则能够得出结构中应力波和水中冲击波相互作用机理来解释实测壁压的多峰现象。通过与某实测数据对比，验证了此计算方法和所得出的耦合机理的正确性。最后，基于霍普金森飞片原理提出一种不同于以往的舰船防护结构设计思路的新型防护元件。在舰船外板或双层底内侧敷设飞片，使其在冲击过程中携带陷入其中的应力波动量自动脱离外板，从而使冲击能量直接向舰船内部转移，减少外板的损伤，提高舰船抗打击能力。