吳 敵，吳廣明

（中國艦船研究設(shè)計中心，上海 201108）

U型折疊式夾層板抗水下非接觸爆炸性能數(shù)值計算研究

吳 敵，吳廣明

（中國艦船研究設(shè)計中心，上海 201108）

金屬折疊式夾層板在艦船結(jié)構(gòu)的應(yīng)用逐漸增多，對其抗水下非接觸爆炸沖擊性能的研究具有實際工程意義。以U型折疊式夾層板為研究對象，基于ABAQUS計算傳統(tǒng)加筋板和夾層板在典型水下非接觸爆炸工況下的響應(yīng)，對變形模式、速度加速度響應(yīng)及吸能模式進(jìn)行對比分析，最后分別改變夾層板結(jié)構(gòu)參數(shù)，研究夾層板結(jié)構(gòu)參數(shù)對抗爆性能的影響。結(jié)果表明：U型夾層板的抗爆性能優(yōu)于加筋板結(jié)構(gòu)；增加夾層板面板厚度和芯層板厚能增強其抗爆性能，但吸能效率降低；芯層-面板夾角＞60°時，抗爆性能相對優(yōu)秀；在不超過特定尺寸時，芯層單元寬度影響較小。關(guān)鍵詞：U型折疊夾層板；水下爆炸；抗爆防護(hù)性能；參數(shù)

0 引 言

水面艦船抗水下非接觸爆炸性能是艦船生命力的重要組成部分，艦船抗爆防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計研究具有重要的軍事意義。近年來，國內(nèi)外對艦船新型抗爆結(jié)構(gòu)已進(jìn)行了許多研究，其中，激光焊接輕質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)（Laser Welded Lightweight Sandwich Panel）的抗爆性能備受關(guān)注。激光焊接夾層板有重量輕、高比剛度、高比強度的特點［1］，在疲勞、振動及抗沖擊方面具有其獨特的優(yōu)勢［2］，已在航空、航天、汽車等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，在艦船結(jié)構(gòu)上的使用也逐漸增多，對其抗水下非接觸爆炸性能的研究具有重要工程價值。

激光焊接輕質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)是由上下兩塊薄鋼板與中間安置的芯層通過激光焊接而成，按照芯層的種類又可分為蜂窩型、桁架型、折疊式等類別。我國學(xué)者已對激光焊接夾層板進(jìn)行了許多研究。程遠(yuǎn)勝、劉均，等理論計算了方形蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的自由振動特性以及在沖擊載荷下的塑性動力響應(yīng)［3，4］；對抨擊載荷下金字塔點陣夾層板結(jié)構(gòu)的塑性動力響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬［5，6］。張延昌、王自力，等對U型和V型夾層板的壓皺力學(xué)性能進(jìn)行了數(shù)值模擬和實驗研究［7-9］；對部分折疊式夾層板的抗水下爆炸性能進(jìn)行了數(shù)值模擬［10-12］，并設(shè)計了基于夾層板的船體底部和舷側(cè)結(jié)構(gòu)，數(shù)值計算了該結(jié)構(gòu)在水下爆炸下的響應(yīng)特征［13］。研究表明，激光焊接夾層板具有優(yōu)良的抗沖擊性能，芯層作為主要吸能構(gòu)件，其壓皺緩沖能對夾層板上面板起到很好的防護(hù)作用。按照芯層的形狀，折疊式激光焊接夾層板可分為Y型、U型、X型、V型、管型等類型，其中U型夾層板制造工藝簡單，應(yīng)用前景較好。

1 U型夾層板基本結(jié)構(gòu)

本研究的U型夾層板芯層為槽型結(jié)構(gòu)，由整體薄板折疊而成，可設(shè)計專用壓制裝置實現(xiàn)芯層的自動高精度制造。U型夾層板芯層與面板之間的連接方式為平行搭接，焊接時不需要特別的夾持裝置，對焊接工藝、結(jié)構(gòu)尺寸精度要求相對較低［14］。U型夾層板的基本結(jié)構(gòu)見圖1，設(shè)計參數(shù)有：上面板厚度 t1，下面板厚度 t2，芯層厚度 ti，芯層高度H，芯層-面板夾角θ，芯層單元寬B，芯層單元長度為非獨立參數(shù)：L=2（B+Hcot θ）。本文作為參照的加筋板結(jié)構(gòu)為強縱桁間的船體板架見圖2，長寬均為1500mm，面板厚10mm，長度方向均布4根80mm×8mm骨材。按照等質(zhì)量的原則，確定了U型夾層板的基本尺寸，其長寬均為1500m，芯層單元尺寸見表1。

圖1　U型夾層板結(jié)構(gòu)

圖2　加筋板結(jié)構(gòu)

表1　U型夾層板芯層單元尺寸

2 U型夾層板數(shù)值計算

2.1計算工況與沖擊波載荷

典型工況為水下非接觸爆炸，炸藥為70.56kg TNT球形藥包，位于面板正下方7m處，沖擊因子為1.2。僅考慮水下爆炸沖擊波階段的壓力載荷，使用Cole經(jīng)驗公式描述水下爆炸沖擊波壓力場：

式中：W——炸藥當(dāng)量；R——爆距；P——沖擊波壓力；t——沖擊波到達(dá)后經(jīng)過的時間； Pm——沖擊波幅值；θ——對數(shù)衰減時間常數(shù)；K、α、Kθ、αθ——材料常數(shù)。對于TNT炸藥，K=52.4MPa、α=1.13、Kθ=0.084ms、 αθ=-0.23。

2.2有限元模型

加筋板和夾層板有限元模型見圖3（a）、3（b），均采用S4R單元模擬。加筋板單元寬度都為20mm；夾層板面板單元寬度為20mm，槽型芯層按20mm劃分網(wǎng)格，在芯層寬度方向有2個單元，斜邊6個單元。加筋板和夾層板的四邊均設(shè)置為剛性固定邊界?？紤]到夾層板面板與芯層水平面板之間焊接工藝良好，兩板緊密貼合，故在夾層板面板與芯層水平面板間使用Tie約束。該約束不要求兩者網(wǎng)格完全一致，簡化了建模，同時使面板與芯層焊接部位在受沖擊過程中始終具有相同運動，符合實際情況。加筋板與夾層板均采用普通鋼，密度ρ= 7850kg/m3，彈性模量E=210GPa，泊松比ν=0.3，參照文獻(xiàn)［11］設(shè)置材料失效塑性形變?yōu)?.3。在爆炸沖擊問題中必須考慮材料的應(yīng)變率強化效應(yīng)，采用Cowper-Symonds模型描述材料的彈塑性力學(xué)行為，如下：

式中：σy——動態(tài)屈服極限；σs——靜態(tài)屈服極限；ε˙——應(yīng)變率；對于普通低碳鋼，D=40s-1，P=5，屈服極限σs=390MPa。

按照結(jié)構(gòu) 5倍大小，建立水域模型，在加筋板或夾層板附近局部加密，水域模型共包含 696200個AC3D8R單元，圖3（c）為包含水域的完整模型。對于水域，建立迎爆面與相應(yīng)水域耦合，其他區(qū)域均設(shè)置非反射邊界。水的體積模量K=2.3GPa ，聲速v=1500m/s。

選擇散波公式（Scattered Wave Formulation）進(jìn)行計算，于結(jié)構(gòu)濕表面和水域耦合面均施加爆炸沖擊波載荷，計算總時長為100ms。

圖3　有限元模型

2.3計算結(jié)果比較

夾層板應(yīng)用于艦船結(jié)構(gòu)時，其下面板與水接觸，上面板處于船內(nèi)，艦載機(jī)電設(shè)備可通過基座安裝于上面板，故對于夾層板結(jié)構(gòu)主要考察上面板的沖擊響應(yīng)特性。

2.3.1變形模式

加筋板和U型夾層板最終塑性變形如圖4。夾層板的迎爆面（下面板）變形主要由兩部分疊加，一部分為整體上凸變形，另一部分是沿著芯層方向的局部長條板格變形，在面板中部這種局部變形尤為突出。夾層板的芯層也出現(xiàn)整體上凸的變形特點，在垂直于芯層方向的邊界處有明顯的壓皺屈曲。夾層板上面板呈現(xiàn)出整體上凸變形的特征，局部變形很小，與加筋板面板變形模式相同。這是因為下面板和芯層的壓皺變形有效地保護(hù)了上面板，使其變形較小。加筋板和夾層板上面板中點的位移時歷曲線見圖5。加筋板和夾層板面板在受到爆炸沖擊波之后的幾毫秒之內(nèi)達(dá)到了最大位移，隨后略微減少，結(jié)構(gòu)發(fā)生衰減彈性振動。最終，上面板中點位移為：45.28mm，迎爆面中點位移為：48.97mm，而加筋板中點位移為83.36mm，約為夾層板面板中點位移的1.84倍。由以上可知，U型夾層板比加筋板有更好的抵抗爆炸變形能力。

圖4　加筋板和夾層板塑性變形

2.3.2速度和加速度響應(yīng)

圖 6為典型工況下加筋板和夾層板上面板中點的速度和加速度響應(yīng)曲線。加筋板與夾層板速度變化趨勢相似，在沖擊波作用下迅速達(dá)到最大值，再減小到負(fù)的最大值，最后衰減振蕩。加筋板速度峰值為38.6m/s，明顯高于夾層板上面板峰值27.7m/s。加速度曲線在0～2ms內(nèi)發(fā)生劇烈波動，加筋板加速度峰值高于夾層板上面板加速度峰值；2ms之后，加筋板加速度曲線仍有一定波動，在低頻振蕩中夾雜著高頻毛刺。低頻部分是由于加筋板面板的低階彈性振動，而高頻部分可能是由面板與水耦合壓力的高頻變化導(dǎo)致。夾層板上面板由于受到芯層和下面板的緩沖作用，加速度曲線很快趨于平穩(wěn)。由以上分析可知，夾層板在水下爆炸沖擊下的速度和加速度響應(yīng)特性優(yōu)于加筋板結(jié)構(gòu)，對改善艦船內(nèi)沖擊環(huán)境起到積極作用。

圖 5 加筋板和夾層板中點位移曲線

圖6　速度、加速度響應(yīng)曲線

2.3.3吸能模式

爆炸沖擊作用于加筋板和夾層板后，沖擊波能量轉(zhuǎn)化為動能，阻尼等因素耗散的能量可以忽略不計，動能轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)的塑性形變能。

加筋板和夾層板吸收能量在幾毫秒內(nèi)達(dá)到最大值后略微減小，而后迅速趨于穩(wěn)定。可以看到，加筋板結(jié)構(gòu)面板吸能占比達(dá)到了68%，而總吸能少于夾層板吸能。夾層板結(jié)構(gòu)中，芯層為主要吸能構(gòu)件，吸能占比達(dá)到了54%；而上面板吸能僅占13%，這說明了夾層板的下面板和芯層對沖擊能量的吸收，有效減小了爆炸對上面板的沖擊作用，使得上面板塑性變形較小。芯層作為U型夾層板結(jié)構(gòu)主要的吸能構(gòu)件，芯層的尺寸設(shè)計對夾層板的抗爆性能的影響需作進(jìn)一步研究。

圖7　結(jié)構(gòu)各部分吸能曲線

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)影響分析

為研究U型夾層板的結(jié)構(gòu)參數(shù)對夾層板抗爆防護(hù)性能的影響規(guī)律。分別改變了面板厚度t、芯層板厚ti、芯層-面板夾角θ及芯層單元寬度B，進(jìn)行了典型工況下夾層板結(jié)構(gòu)抗爆計算。由于參數(shù)改變后結(jié)構(gòu)變形模式將改變，考慮到夾層板的對稱性，選取上下面板對稱軸及上半部分共6個均勻考核點，位置見圖8，求得它們的平均塑性位移、平均最大速度、平均最大加速度，進(jìn)行沖擊響應(yīng)評估；引入比吸能Q=E/W，即結(jié)構(gòu)總吸能與質(zhì)量的比值，作為結(jié)構(gòu)吸能效率的評估參數(shù)。

3.1面板厚度

取上下面板厚度相同，其他參數(shù)不變，計算了夾層板面板厚度為2mm、3mm、4mm和5mm時典型工況下的響應(yīng)情況，表2和圖9分別為計算結(jié)果和結(jié)構(gòu)吸能曲線。隨著面板厚度的增加，上下面板的塑性位移逐漸減小，而速度幅值變化不大，上面板加速度幅值有增大趨勢。在吸能性能方面，隨著面板厚度增加，總吸能略微減少，上下面板吸能占比也隨之減少，芯層吸能占比略增加，超過了50%，芯層仍為主要吸能構(gòu)件。面板變厚使得結(jié)構(gòu)重量增加，比吸能減小，吸能效率變低。故增加面板厚度能明顯減小夾層板塑性形變，提高夾層板抗爆防護(hù)性能，但結(jié)構(gòu)吸能效率降低。

圖8　面板考核點位置

3.2芯層板厚

改變芯層板厚，其他參數(shù)不變，分別計算了芯層板厚為1mm、2mm、2.56mm、3mm和4mm時夾層板在典型工況下的響應(yīng)情況，表3和圖10分別為計算結(jié)果和結(jié)構(gòu)吸能曲線。隨著芯層板厚的增加，上面板的塑性變形先增加，后減??；下面板的塑性整體變形減小，而局部變形大大增加，總變形減小。兩面板的速度峰值和加速度峰值均呈下降趨勢。在吸能方面，隨著芯層板厚的增加，芯層吸能雖然占比最大，但下面板吸能有超過芯層的趨勢。這是由于芯層板厚變大，剛度增加反而塑性形變減小，導(dǎo)致吸能降低。當(dāng)芯層厚度為1mm左右時，出現(xiàn)了下面板吸能高于芯層的反?，F(xiàn)象，觀察其變形可知，芯層太薄發(fā)生大變形直至壓潰，能量由下面板更多吸收。雖然此時上面板塑形位移很小，但是其速度和加速度響應(yīng)很大，在設(shè)計中不可取。故增加芯層板厚能明顯減小夾層板塑性形變，改善上面板沖擊環(huán)境，但結(jié)構(gòu)吸能效率降低。

表2　不同面板厚度計算結(jié)果

表3　不同芯層板厚計算結(jié)果

圖9　不同面板厚度結(jié)構(gòu)吸能曲線

圖10　不同芯層板厚結(jié)構(gòu)吸能曲線

3.3芯層-面板夾角

改變芯層-面板夾角θ，其他參數(shù)不變，分別計算了夾角為 50°、60°、70°及80°時夾層板在典型工況下的響應(yīng)情況，表4和圖11分別為計算結(jié)果和結(jié)構(gòu)吸能曲線。隨著夾角的增加，夾層板的塑性變形模式變化很小，面板位移減小，大于 60°后趨于穩(wěn)定；速度峰值減小，而加速度峰值呈上升趨勢。從吸能方面分析，總吸能和芯層吸能先下降后上升，上面板吸能占比略微上升，下面板占比略下降。當(dāng)角度超過 60°后，比吸能變化很小。綜上，芯層與面板夾角稍大于60°時，其抗爆防護(hù)性能較優(yōu)。

表4　不同芯層-面板夾角計算結(jié)果

圖11　不同芯層-面板夾角結(jié)構(gòu)吸能曲線

3.4芯層單元寬度

改變芯層單元寬度B，其他參數(shù)不變，分別計算了寬度為20mm、30mm、36mm、40mm和50mm時夾層板在典型工況下的響應(yīng)情況，表5和圖12分別為計算結(jié)果和結(jié)構(gòu)吸能曲線。隨著單元寬度的增加，上下面板的塑性位移和速度峰值變化不大。結(jié)構(gòu)總吸能隨著面板寬度的增加先減少后增加，而比吸能變化很小。當(dāng)面板寬度達(dá)到50mm時，塑性形變變大，速度和加速度最大值也明顯增加。故單元寬度小于一定特定尺度時（此處為 40mm），對夾層板抗爆性能影響較小。實際設(shè)計中芯層單元寬度可在不超過特定尺寸的條件下，按照芯層制作工藝及芯層高度確定合適的單元寬度。

表5　不同芯層單元寬度計算結(jié)果

圖12　不同芯層單元寬度結(jié)構(gòu)吸能曲線

4 結(jié) 語

使用ABAQUS計算了典型水下非接觸爆炸工況下加筋板和夾層板的動態(tài)響應(yīng)，比較了兩者變形模式、速度加速度響應(yīng)及吸能模式后，重點研究夾層板的設(shè)計參數(shù)對抗爆防護(hù)性能的影響，有如下結(jié)論：

1）在水下非接觸爆炸下，U型夾層板比傳統(tǒng)加筋板結(jié)構(gòu)具有更優(yōu)良的抗爆防護(hù)性能。夾層板吸能主要構(gòu)件為芯層，吸能占比超過了50%。下面板和芯層的壓皺形變吸收了大量沖擊能量，有效地減小了上面板的塑性形變，改善了上面板的沖擊環(huán)境；

2）面板厚度或芯層板厚的增加使得該部分結(jié)構(gòu)剛度增加而吸能占比下降。增加面板厚度和芯層板厚能提高U型夾層板的抗爆性能，改善沖擊環(huán)境，但結(jié)構(gòu)吸能效率降低；

3）芯層-面板夾角略大于 60°時，夾層板抗爆防護(hù)性能相對優(yōu)秀；不超過特定尺寸時，夾層板芯層單元寬度對抗爆性能影響較小。

［1］ T.A. Marsico. Laser welding of lightweight structural steel panels［C］//Proceedings of the Laser Materials Processing Conference， ICALEO'93， Orlando，1993.

［2］ P. Denney. Corrugated core LASCOR structures in shipbuilding and other applications［C］//Presentation Lightweight Sandwich Seminar， Helsinki， Finland， Oct.1998

［3］ 劉 均，程遠(yuǎn)勝. 考慮芯層離散特性的方形蜂窩夾層板自由振動分析［J］. 固體力學(xué)學(xué)報，2009， 30 （1）： 90-94.

［4］ 梁 軍，劉 均，程遠(yuǎn)勝. 沖擊載荷作用下方形蜂窩夾層板塑性動力響應(yīng)分析［J］. 船舶力學(xué)，2010， 14 （10）： 1165-1172.

［5］ 趙 飛，程遠(yuǎn)勝，劉 均，等. 入水砰擊下金字塔點陣夾層板塑性動力響應(yīng)分析［J］. 船海工程，2013， 42 （3）： 13-16.

［6］ 汪 浩，趙 飛，程遠(yuǎn)勝，等. 砰擊載荷下金字塔點陣夾層板動力響應(yīng)分析與估算［J］. 工程力學(xué)，2013， 30 （11）： 277-285.

［7］ 張延昌，張世聯(lián)，王自力，等. U型折疊式夾層板準(zhǔn)靜態(tài)壓皺行為研究［J］. 船舶力學(xué)，2013， 16 （12）： 1417-1426.

［8］ 張延昌，俞鞠梅，張世聯(lián)，等. V型折疊式夾層板橫向壓皺吸能特性研究［J］. 振動與沖擊，2014， 33 （1）： 113-118.

［9］ 王自力，胡宗文，張延昌，等. 折疊式夾層板水下爆炸試驗研究［J］. 中國造船，2014， 55 （3）： 74-83.

［10］ 張延昌，王 果，周 紅，等. 折疊式夾層板水下爆炸防護(hù)性能數(shù)值仿真分析［J］. 中國造船，2013， 54 （2）： 35-44.

［11］ 張延昌，周 紅，王 果，等. U型折疊式夾層板防護(hù)性能數(shù)值仿真分析［J］. 船舶力學(xué)，2013， 17 （10）： 1191-1201.

［12］ 王 果，張延昌. Y型激光焊接夾層板抗爆性能分析［J］. 艦船科學(xué)技術(shù)，2012， 34 （9）： 68-75.

［13］ 王自力，張延昌，顧金蘭. 基于夾層板抗水下爆炸艦船底部結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］. 艦船科學(xué)技術(shù)，2010， 32 （1）： 22-27.

［14］ 鐘廣軍，朱 雨. 整體壁板裝焊工藝研究［J］. 船舶與海洋工程，2014， （4）： 64-68.

Numerical Simulation Analysis on the Protective Performance of U-shape Folded Sandwich Panel Subjected to Underwater Non-Contact Explosion

WU Di， WU Guang-ming
（China Ship Development & Design Center， Shanghai 201108）

As more and more metal folded sandwich panel are used in ship structures， the study on the protective performance of the panel subjected to the underwater non-contact explosion becomes practically important for engineering. When U-shape folded sandwich panel is taken as the research object， both the responses of conventional stiffened panel and sandwich panel subjected to typical underwater non-contact explosion are computed with ABAQUS to analyze and compare the deformation， velocity and acceleration responses as well as energy absorption modes. Finally，the structural parameters of the sandwich panel are changed to study the influence on the panel protective performance against explosion. The result shows that U-shape sandwich panel has better anti-explosion performance than the stiffened structure. Increasing the thickness of plate layer and sandwich layer can enhance the anti-explosion performance， but it will reduce the energy absorption efficiency. When the angle between the sandwich layer and the plate layer is larger than 60°， the anti-explosion performance is relatively good. In case the specific dimension is not exceeded， there is little influence on the width of the sandwich layer unit.

U-shape folded sandwich panel； underwater explosion； protective performance； parameter

U661.43

A

2095-4069 （2016） 01-0029-07

10.14056/j.cnki.naoe.2016.01.006

2015-07-09

吳敵，男，1991年生。中國艦船研究設(shè)計中心工程力學(xué)專業(yè)碩士研究生在讀，研究方向：結(jié)構(gòu)振動與沖擊。