水下爆炸载荷下复合材料水下航行器耐压壳的动态响应
时间：2020-05-07 09:07:50 来源：达达文档网 本文已影响 人 
牛瑞涛 乔海峰
摘 要：为研究复合材料水下航行器耐压壳体的抗冲击性能，分别对采用铝合金、CFRP（碳纤维增强塑料）、GFRP（玻璃纤维增强塑料）材料制作的耐压壳进行数值仿真建模，研究壳体在水下爆炸冲击波作用下的动态响应特性。结果表明在给定的冲击载荷下，复合材料壳体发生的变形比铝合金壳体大，并可更多地通过弹性变形方式释放吸收的冲击能量；
CFRP壳体发生的变形比GFRP壳体更小。
关键词：水下爆炸；
复合材料；
耐压壳；
数值仿真
水下爆炸冲击载荷是水下航行器设计中必须考虑的重要载荷。作为水下航行器的重要承载部件，耐压壳的冲击失效模式直接决定了水下航行器的抗冲击性能。鉴于纤维增强复合材料优异的力学性能和广泛的工程应用背景，有必要针对复合材料水下航行器耐压壳水下爆炸冲击动态响应进行研究，分析耐压壳在水下爆炸冲击波载荷下的抗冲击性能，为复合材料水下航行器的设计提供参考依据，并为复合材料水下航行器的冲击损伤评估提供技术基础。
文章分别对采用CFRP、GFRP和2024T铝合金材料制作的水下航行器耐压壳进行数值仿真建模，采用ABAQUS声-固耦合算法对比研究壳体在水下爆炸冲击载荷下的动态响应特性。
1 分析模型
进行水下航行器耐压壳建模。壳体截面最大半径120.0mm，最小半径68.3mm，总长1410.3mm，厚度7mm。炸药为18.3kg TNT，爆距7.62m，爆炸位置为壳体侧面中心位置，爆炸水深3.66m。水域半径取壳体最大半径的6倍，模拟无限水域。壳体采用S4R单元，水域采用AC3D4单元。复合材料壳体采用[0/45/-45/90/-45/45/0]的铺设方式，每层厚度为1mm。耐压壳轴线中心节点约束u1、u2、u4、u5、u6方向自由度；
水域施加球形无反射边界。
耐压壳外表面与水域湿面采用Tie约束进行声-固耦合，将水域湿面设为约束主面。根据爆炸水深和爆距，可忽略气泡脉动影响。爆炸冲击载荷在standoff point处采用入射波形式施加。
铝合金采用2024-T351材料，強度模型为Johnson-Cook模型。
2 结果与讨论
壳体外表面standoff point处典型节点的U1位移时程曲线如图1所示。给定的爆炸冲击波作用下，三种材料制作的壳体的节点在1方向均发生类似正弦波的变形。AL、CFRP和GFRP的最大负向位移分别为-9.0mm、-11.5和-14.4mm；
最大正向位移分别为3.9mm、11.9mm和15.3mm。冲击波沿1方向负向首先作用于壳体的节点B1处，导致铝合金发生了塑性变形，因此其回弹后的正向最大位移明显小于负向最大位移。CFRP和GFRP壳体则只发生弹性变形，因此正向、负向最大位移几乎相等。而且，GFRP壳体节点的峰值位移最大，CFRP壳体次之，AL壳体最小。
壳体端面中心节点的U3位移时程曲线分别如图2所示。针对AL壳体，两个端面中心节点的位移迅速增大至峰值，最后保持稳定。这是由于冲击波加载后，端面发生明显塑性变形所致。针对CFRP、GFRP壳体，两端面中心节点的位移时程曲线呈现近似阻尼简谐振动特征。这是由于端面距离standoff point较远，冲击波传播至端面位置后发生衰减，并且复合材料开始产生损伤累积，通过损伤形式释放吸收的冲击能量所致。
3 结语
（1）给定的冲击载荷下，铝合金壳体主要通过弹、塑性变形方式释放吸收的冲击能量，复合材料壳体发生的变形比铝合金壳体大，可以更多的通过弹性变形的方式释放吸收的冲击能量。
（2）给定的冲击载荷下，由于CFRP的强度和弹性模量比GFRP更高，CFRP壳体发生的变形比GFRP更小。
参考文献
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