The Study of Influences of Porous Acoustic Cover Layer on the Impact-resistance Capability of Cylindrical Shell Structures

Abstract

潜艇的生命力和作战效能受到其隐身性能和抗水下爆炸冲击性能的影响，在潜艇水下湿表面敷设声学覆盖层是一种特殊的防护方式。除了在声学方面能提升潜艇在水下的隐身性能外，声学覆盖层对潜艇在水下爆炸环境下的抗冲击特性有一定影响。作为一种含有周期性孔腔结构的超弹性材料，覆盖层对潜艇的抗冲击特性的影响机理尚未明确，需要进一步研究。 随着计算科学的发展，数值模拟在研究水下爆炸环境下结构的抗冲击问题中发挥着越来越重要的作用，有限元方法在覆盖层的抗冲击特性研究中得到了广泛的应用。然而，与整船尺度相比，覆盖层的孔腔结构非常小，两者尺度比达到104~105。因此，覆盖层的模拟是一种特殊的多尺度问题，如果采用实体建模技术，将导致计算规模异常巨大，甚至难以建立完整的离散模型。 有鉴于此，本文基于通用商用软件ABAQUS对敷设有声学覆盖层的圆柱壳体结构在水下爆炸环境中的抗冲击特性进行了研究。首先，基于实体结构模型研究了覆盖层对局部壳体结构的抗冲击特性的影响；随后，基于多尺度均匀化方法，从数学上推导出了圆柱型孔腔结构覆盖层的均匀化本构关系，结合覆盖层结构的均匀化模型实现了对覆盖层的均匀化数值模拟，在保持一定精度的前提下大大减小了计算规模；最后，将均匀化本构关系和模型应用于大型壳体结构的数值模拟，探索了多孔声学覆盖层不同参数对壳体结构抗冲击特性的影响，研究了典型工况下敷设有声学覆盖层的壳体的整体响应。 本文主要包括以下工作： 1. 研究了不考虑内部孔腔的简单声学覆盖层对局部壳体结构的防护效果。在直接的冲击波入射作用下，通过研究局部壳体结构的位移、能量变化等，比较了不同覆盖层厚度对局部壳体结构的抗冲击特性的影响。结果表明，针对直接冲击波作用下局部壳体结构的抗冲击特性，覆盖层的厚度存在一个优化的区间（第3章）。 2. 针对覆盖层的多尺度特征，通过数值实验，验证了含圆柱型孔腔的覆盖层可以等效替代含圆台型孔腔的覆盖层；然后，通过数学推导得到了含圆柱型孔腔结构覆盖层的均匀化本构关系，对含圆柱型孔腔的覆盖层进行了模型均匀化；最后，结合均匀化本构关系和均匀化结构模型，实现了对带孔声学覆盖层的数值模拟并通过算例验证了方法的有效性，在保持一定计算精度的前提下大大减小了计算规模，验证了均匀化方法应用于带孔声学覆盖层模拟的有效性（第4章）。 3. 将均匀化方法应用于大型壳体结构的数值模拟，研究带孔声学覆盖层对大型圆柱壳体结构抗冲击特性的影响。结果表明，覆盖层的存在能够明显改善圆柱壳体结构的抗冲击特性；覆盖层的孔隙度和厚度对壳体抗冲击能力的影响比较明显，孔隙度和厚度的值存在优化的选择区间（第5章）。 4. 计算了几种不同爆源位置情况下敷设有声学覆盖层的壳体结构的响应。结果表明在特定工况下，壳体结构的变形和应力变化更明显，即趋于危险，实际情况中应该避免这些工况（第5章）