双层圆柱壳的抗冲击特性研究

    1 引 言

    声隐身技术在水下目标隐身技术中仍然占据主导地位。水下目标的声隐身性能主要体现在抗敌主动声纳的探测能力及防敌被动声纳探测能力上，而降低和屏蔽自身的辐射噪声是水下目标主动隐身的有效措施[1]。 在水下结构壳体表面敷设各种声学覆盖层[2-3]是应用最广泛也是非常有效的一种提高水下航行器隐身性能的方法。 它由多层粘弹吸声材料层合而成，并在内部设置了空腔结构，在多种因素的共同作用下，具有明显的减振降噪效果。 与此同时，由于声学覆盖层含有空腔的特殊结构形式，该空腔结构形式在受到爆炸冲击波时，腔体将产生变形并吸收能量，这必然会对水下航行器的抗冲击性能产生影响。 本文针对水下航行器结构物中广泛采用的结构形式—加筋双层圆柱壳结构，从抗冲性能方面考虑，初步确定声学覆盖层在双层壳中的敷设部位，并通过改变敷设在壳体表面的声学覆盖层性能参数Fig.1 Curve of shock wave p!"t（如空腔结构形式、尺寸及材料厚度等），采用 ABAQUS 大型非线性动力学分析软件对敷设声学覆盖层的圆柱结构的变形与冲击波能量吸收之间的关系进行了研究，得到了内外壳速度、加速度及位移与冲击波能量吸收之间的关系，同时给出兼具抗冲和隔振功能的声学覆盖层结构设计及性能参数优化建议。

    2 计算理论

    2.1 炸药爆轰过程

    在研究爆炸现象时，需从确定炸药与其周围介质之间的边界物理条件出发，建立状态方程式，描述炸药的爆轰过程。 爆轰压力 P 和每单位体积内能 E 及相对体积 V 的关系采用 Jones-Wilkins-Lee（JWL）[4]状态方程加以描述。 即：

    式中：ω、A、B、R1、R2是输入参数，适用于各种凝态炸药。

    为了研究冲击波在流体中的传播，必须从力学基本定律出发建立理想流体的运动微分方程。 略去热传导和粘性的影响，并认为流速或内能对时间连续。

    爆炸水域中，任意一点上的压力与炸药当量有关，峰值压力 Pm可按指数规律近似给出：

    式中：W 为炸药当量，R 为距爆心距离，k、α 是常系数，通常取 k=533，α=1.13。

    2.2 冲击波波阵面压力随时间变化

    冲击波超压随时间的变化规律 p!t "简单地可用指数函数描述[5-6]：

p!"t =pme-αt(3)

    而 pm值由公式（2）求得；冲击波波形随时间的变化曲线如图 1 所示。

    3 计算模型