舰船冲击防护理论及应用(下册)

第7章 舰船整体冲击防护技术 7.1 水下爆炸载荷下舰船整体冲击防护技术 图7.1舰船平台基本组成舰船平台包括舰船结构、基座结构、减振抗冲器、弹性连接件，是装载各种作战装备和人员、实施作战任务的载体，如图7.1所示。舰船平台在海上执行作战任务时不可避免地会遭受与舰船有一定距离的鱼雷、水雷和深水炸弹等各种水下反舰兵器的非接触爆炸攻击。这种爆炸攻击一般不会使船体结构出现局部大破口损伤而丧失不沉性，但因冲击作用遍及整船，会造成舰船平台设备和人员的大范围破坏，严重影响舰船的生命力和战斗力。由于水的密度远大于空气的密度，水下非接触爆炸具有不同于空中爆炸的物理现象：瞬时产生的高温高压气体导致水中压力在极短时间(微秒级)内上升，对舰船平台形成峰值较大、持续时间较短的冲击波作用；爆炸的气体生成物(气泡)通过膨胀和收缩，对舰船平台形成峰值相对较小但持续时间相对较长的气泡脉动作用。因此，水下非接触爆炸作用下舰船平台冲击响应的物理过程是炸药爆炸到冲击波形成瞬间传递到舰船结构与之发生耦合作用，冲击载荷部分转化为结构中的应力波，进而传递到舰船设备、人员的过程。 对于舰船和舰载设备，一方面可以在舰船和设备设计过程中，通过虚拟冲击和冲击试验结果改进设计，提高舰船自身的抗冲击能力；另一方面采用冲击隔离，并通过虚拟冲击和冲击试验检验冲击隔离系统的效果，以仿真或试验结果对冲击隔离系统提出改进措施。冲击隔离的实质是通过冲击隔离系统的变形，将能量储存起来，以减小冲击强度，再以系统的固有频率缓慢释放。在设备和基础之间安装各种减振器是抗冲击设计中*常用的方法。20世纪80年代，因舰船隐声需求，机电设备开始采用双层隔振系统，目前舰船机电设备逐渐采用由隔振器和筏架组成的浮筏隔振系统。现有的大部分减振器很难做到减振和抗冲兼顾，减振要求减振器具有较小的刚度，实现良好的振动隔离效果；而较小的刚度，在冲击作用下会产生较大的变形，甚至产生二次冲击。而且采用减振器也无法实现降低水下爆炸传递给整船的总冲击能，对于舰船轴系推进系统很难采用减振的方式实现抗冲，舰载人员也很难得到冲击防护。鉴于此，本章提出整船抗冲设计的新概念，通过在舰船湿表面敷设一层抗冲覆盖层结构，有效隔离和吸收水下爆炸冲击能量，降低水下爆炸对舰船结构、舰载设备和人员的破坏或伤害[1-18]。 综上，提高舰船抗冲击性能可以从两方面入手：一是通过在舰船湿表面敷设一层抗冲覆盖层降低舰船湿表面的冲击输入载荷，改善舰船的整体冲击环境，开展整船抗冲击设计；二是对舰船的关键设备加装减振抗冲器，对舰载人员设计冲击防护装置，提高其冲击防护能力。本章主要介绍舰船整体冲击防护技术，第8章将介绍舰载设备及人员冲击防护技术。 7.2 舰船抗冲覆盖层基本概念、基本原理及结构形式 7.2.1 舰船抗冲覆盖层基本概念及基本原理 顾名思义，“覆盖层”是一层敷设在结构上的具有特殊功能的结构或材料，舰船抗冲覆盖层就是一层敷设在舰船湿表面上具有特定几何特征及材料力学特性的特殊防护结构，如图7.2所示。它可以有效隔离并吸收水下爆炸冲击能量，改善舰船的整体冲击环境，也兼具一定的吸声及隔声性能。 图7.2 舰船湿表面敷设抗冲覆盖层示意图 水下爆炸冲击波从水中传递到船体，进而作用到舰船内部设备及舰载人员上，冲击波在传播过程中要经过舰船的湿表面。当舰船湿表面敷设抗冲覆盖层以后，会改变冲击波的传递路径，使冲击波的传递路径由“爆源→水→舰船壳体→减振抗冲器→设备及人员”变为“爆源→水→抗冲覆盖层→舰船壳体→减振抗冲器→设备及人员”。当水下爆炸冲击波传递到抗冲覆盖层以后，一方面覆盖层的特殊几何结构使其声阻抗要远低于水或钢的声阻抗，这种阻抗失配效应可以很好地隔离水下爆炸冲击波的传播(图7.2)；另一方面，覆盖层发生大变形，可以有效吸收进入抗冲覆盖层的冲击能量，进一步降低传递到舰船壳体的冲击能量(图7.2)。因此，舰船抗冲覆盖层的基本原理可以归结为基于阻抗失配的隔冲机理和基于变形吸能的耗能机理。 1.阻抗失配隔冲机理 水下爆炸引起的水中冲击波传播到十倍装药半径外就可以近似为水中的声波。水下爆炸冲击波从水中向船体内传播需要通过舰船与水的交界面。从声学原理看，声波在两种介质分界面处的反射和透射大小取决于两种介质的声阻抗。船体钢和水的声阻抗之比约为26∶1，因此对于水中冲击波，钢是较“硬”的边界。根据声学原理，水中冲击波将在界面产生更高幅值的反射冲击波。如果有一种声阻抗远远低于钢和水的介质夹在两者之间，那么可以改变声波和冲击波的透射及反射系数，降低传递到船体的冲击能量。 舰船抗冲覆盖层的阻抗失配原理是通过设计抗冲覆盖层的声阻抗使其远远小于船体钢和水的声阻抗，并将抗冲覆盖层敷设在舰船湿表面，从而改变舰船与水之间的阻抗特性，阻隔冲击波向舰船内部传播，对舰船起到缓冲的作用。 2.冲击大变形耗能原理 阻抗失配可以阻隔部分冲击波的传播，但不能完全解决冲击能量的耗散问题。船体结构具有较高的动刚度，易将冲击能量传递到舰船各部位，造成舰载设备及人员的冲击损伤。能量的耗散一般都伴随着做功、材料的屈服和破坏等。抗冲覆盖层在冲击载荷作用下容易发生大变形。通过选取不同材料并设计不同的结构，使抗冲覆盖层发生塑性变形吸收能量或通过黏性效应耗散能量，可以达到吸收冲击能量的目的。 3.弹性表面稀疏波减压机理 根据水在稀疏波作用下汽化形成由大量小气泡组成的空化区域现象，提出一种利用临水柔性界面在水下爆炸冲击波作用下产生空化效应减小冲击波冲量，利用弹性变形产生稀疏波和冲击波抵消的作用机理，将水这种冲击的传递介质变为隔离介质，提高冲击防护效果。 7.2.2 舰船抗冲覆盖层结构形式 抗冲覆盖层根据其吸能方式的区别主要分为两大类，一类是以橡胶为基体，内部设计特殊周期性空腔结构的超弹性橡胶多孔抗冲覆盖层结构，它通过黏性耗能的形式吸收冲击能量[14-18]；另一类就是以塑性变形耗能为主的三明治夹芯结构[1-8，19-30]。 1.超弹性橡胶多孔结构 超弹性橡胶多孔抗冲覆盖层的基本结构如图7.3所示，其由超弹性橡胶材料包容的一系列周期性空腔结构构成，主要包括内、外表面层和周期性空腔芯层结构。抗冲覆盖层的外表面层暴露在水中，内表面层粘贴在舰船外板形成密闭系统。内表面层由粘贴性好的复合材料与橡胶硫化而成，能够保证覆盖层与舰船外板之间的黏结强度，使覆盖层不易脱落。外表面层由高强度复合材料与橡胶硫化制成，具有较好的强度和韧性，用于保护空腔结构，在绳索拉扯和异物剐蹭下不破坏覆盖层的水密性。在水下爆炸冲击载荷作用下，橡胶壁支撑会发生屈曲失稳，变成空气弹簧，能有效抵抗水下爆炸冲击载荷。 图7.3 抗冲瓦基本结构及失稳缓冲原理 超弹性橡胶多孔抗冲覆盖层的周期性空腔结构形式可变，根据变形特征可分为两类，一类是异面变形蜂窝结构，另一类是共面变形周期多孔结构，如图7.4所示。也有学者在空腔结构的设计思想中引入了手性材料波形转换特性、负泊松比特性以及周期结构禁带滤波的概念，该周期空腔结构同时具有阻抗失配特性、负泊松比特性、波形转换特性和禁带特性，使其在优异的抗冲击性能基础上能够更好地实现对舰船机械噪声隔离和吸收，如图7.5所示。其中各个空腔柱体由超弹性高分子材料制成，其中心线与覆盖层的内外表面平行，直径较小。从柱体中线和柱面母线延伸出周向韧带，并与其他柱体相连，形成空腔，柱体周向韧带数目可变。柱体及其周向韧带构成的密闭空间具有负泊松比特性，能够在一个方向被压缩时另一个方向不膨胀。同时这种空腔也是一种周期结构。空腔内还可填充一定孔隙率的发泡材料或其他填充材料，用于调节周期结构禁带特性。 图7.4 多孔橡胶结构 图7.5 舰船抗冲隔声瓦结构示意图 2.三明治夹芯结构 除了超弹性橡胶多孔抗冲覆盖层，塑性多孔材料也是一类具有优异抗冲击性能的材料。根据结构形式，多孔材料可分为两大类：随机多孔材料和周期性多孔材料。*典型的随机多孔材料就是泡沫，其孔穴由三维空间填充的多面体构成。几乎任何固体都能泡沫化，现有技术已能制备金属、聚合物、陶瓷等三维多孔固体。根据泡沫固体的构成形式，可以将随机多孔材料分为三类：开孔泡沫、闭孔泡沫和半开半闭泡沫。其中，开孔泡沫构成泡沫的固体仅是孔穴的棱边，壁面是空的；而闭孔泡沫构成孔穴的壁面也是固体，每个孔穴都与其相邻的孔穴是隔离封闭的。 *典型的周期多孔材料是从“蜂巢”结构延伸而来的蜂窝结构。蜂窝结构的研究具有很悠久的历史，自蜂窝结构以后，又延伸出一系列的其他周期性结构。目前，研究较多的周期多孔结构主要有以下几类，即蜂窝结构、折板结构、点阵结构，如图7.6所示。 图7.6 典型的周期多孔材料 在已有各种夹芯结构的基础上，为了提高其比刚度和比强度，出现了一系列的改进措施。其中典型的改进形式包括蜂窝/折板/点阵与泡沫复合结构[31，32]、空心管代替实心杆结构[33]、分级点阵结构[34，35-39]等(图?7.7)。与同等密度未改进结构相比，改进结构的刚度和强度有明显提高。 上述三明治夹芯结构主要针对接触或较近距离的水下爆炸攻击，通过三明治结构在爆炸冲击作用下塑性变形吸能，减轻对船体结构造成的冲击损伤。但是金属复合结构加工工艺复杂，变形后不易恢复，而且会占用较多舱室空间。鉴于塑