水下爆炸作用下金属夹层板的抗破裂性能

《International Journal of Mechanical Sciences》：Rupture Resistance of Metallic Sandwich Panels under Underwater Blast

抗水下冲击荷载破裂的金属蜂窝夹层结构研究首次将全金属方形蜂窝夹层板与等面密度加强板进行对比实验和数值模拟，发现蜂窝夹层结构通过前板响应、芯层传力、后板耗能的多级协同变形机制，实现破裂面积减少57.5%的显著提升，304不锈钢夹层板更完全阻止破裂，其核心机理在于蜂窝芯对前后板的均匀约束有效抑制裂纹扩展。

　　

高慧瑶|夏伟|何超|黄杰|叶帆|任建伟|赵振宇|卢天健

南京航空航天大学多功能轻质材料与结构重点实验室，中国南京 210016

摘要

虽然结构在水下爆炸载荷作用下的局部断裂对船舶的生存能力和运行性能构成了严重威胁，但现有研究主要集中在传统的结构上，包括加劲板和整体板。对于夹层结构在水下爆炸载荷作用下的断裂行为，仍是一个关键但理解不足的失效模式，尤其是金属夹层板，相关的实验数据非常有限。本研究首次实验性地研究了全金属方形蜂窝夹层板的抗断裂性能，并将其与具有相同面积密度的加劲板进行了直接比较。全尺寸的水下爆炸实验结合经过验证的耦合欧拉-拉格朗日（CEL）数值模拟表明，夹层板的断裂抑制能力显著增强，断裂面积减少了多达57.5%，在304不锈钢配置下甚至实现了完全断裂的防止。这一显著优势主要归因于夹层结构的层次化协同变形机制，即“前板首先响应，核心层传递载荷，后板主导能量吸收”，从而形成了差异化的能量耗散模式并实现了高效的能量分布。同时，蜂窝芯层对前后板提供了均匀且连续的约束，有效抑制了裂纹扩展，从而提高了抗断裂性能。最后，本文量化了工作条件参数、板厚以及制造缺陷对断裂性能的影响。本研究的结果为金属夹层结构在水下爆炸条件下的断裂抑制机制提供了理论依据。

引言

水下爆炸是一种极具威胁的载荷形式，尤其是在全球海上领土争端中。由于水的可压缩性远低于空气，冲击波在水中的传播速度更快，衰减也更慢[[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7]]。此外，水下爆炸载荷更为复杂，主要包括四种类型：冲击波[[8], [9], [10]]、气泡脉动[[11], [12], [13], [14], [15]]、喷射流[[16], [17], [18]]和空化[[19], [20], [21]]。这种载荷的主要影响与爆炸条件密切相关。总体而言，水下爆炸可以分为三种类型：接触爆炸、近场爆炸和中远场爆炸[[22], [23]]。

在水下接触爆炸中，冲击波和爆炸产物是主要的破坏载荷，导致船体结构发生局部断裂[[24], [25], [26], [27], [28]]。在近场爆炸中，冲击波造成局部损伤，而气泡脉动则引起船体的整体“鞭打”效应；这两种效应的结合导致结构同时受到局部和整体损伤[[29], [30], [31], [32], [33]]。在远场爆炸中，冲击波和气泡脉动压力不足以直接破坏船体，因此研究的重点转向了爆炸载荷对船内设备和人员的影响[[34]]。

无论爆炸条件如何，局部断裂都对船舶安全至关重要。首先，断裂的范围直接决定了船舱受损的程度。其次，大规模的断裂会导致大量水进入船舱，影响船舶的稳定性和浮力：抗沉性能较差的船舶可能会面临沉没的风险[[35], [36]]。第三，断裂使得由气泡破碎产生的冲击载荷进入船舱，对船舶造成二次损伤[[37], [38]]。此外，局部断裂还会降低船体梁的截面模量，从而影响其整体强度。当船底框架的变形达到其短边跨度的15%时，船舱截面的惯性矩减少了40%，极限弯曲矩减少了50%-60%，相对于完好状态而言。因此，设计具有更强抗局部断裂能力的船体防护结构具有重要意义[[45], [46], [47]]。

最近的研究系统地揭示了均匀板和加劲板结构在爆炸载荷作用下的典型损伤和失效模式。然而，大量的实验和数值结果表明，单层均匀板的抗爆炸性能高度依赖于材料的延展性和板厚。它们的抗爆炸性能主要通过被动增强塑性变形能力或增加结构厚度来实现，而变形路径和能量耗散过程缺乏有效的主动控制机制[[48], [49], [50], [51], [52]]。在高强度爆炸下，均匀板通常会迅速进入穿透阶段，导致难以控制的大规模断裂，从而造成进一步的损伤[[53], [54], [55]]。为了更好地模拟实际船舶的结构形式，研究逐渐从理想化的均匀板扩展到加劲板结构。现有研究表明，引入加劲件显著改变了结构的刚度分布和载荷传递路径，极大地影响了失效模式和断裂范围[[56], [57], [58], [59]]。然而，加劲结构在板-加劲件连接处不可避免地引入了几何和刚度不连续性，导致界面处出现显著的应变集中。裂纹通常从焊缝或板-加劲件界面开始，并沿加劲件方向快速扩展，形成了沿加劲件的主要失效路径[[60], [61], [62], [63], [64]]。

综合现有研究可以发现，传统单层结构系统在高强度爆炸下的损伤过程主要受被动材料和几何响应的控制，缺乏可控的机制来调节整体损伤的发展。因此，在近场爆炸等极端条件下，系统通常会出现大面积断裂和快速穿透失效，这无法满足船舶对高生存能力和抗损伤性能的迫切要求[[53,65]]。

在这种背景下，夹层结构凭借其高比刚度、高比强度和良好的结构设计灵活性，被视为克服传统单层板和加劲板结构在抗断裂性能方面的瓶颈的重要解决方案[[66], [67], [68], [69]]。基于这些结构优势，轻质夹层结构，特别是蜂窝芯夹层板，已广泛应用于各种极端冲击防护场景中，包括空气爆炸[[70], [71], [72], [73], [74], [75], [76]]、水下爆炸[[77], [78], [79], [80]]、内部爆炸[81]和浅埋爆炸[[82], [83]]。在水下爆炸防护中，金属蜂窝芯夹层结构显著减少了整体变形，其动态响应通常包括冲击波作用、芯层压碎和整体弯曲变形。蜂窝芯层在这些阶段中作为主要的能量吸收部件发挥了关键作用[[77]]。在抵御浅埋爆炸和高速颗粒或土壤喷射载荷时，研究进一步表明，增加蜂窝芯层的厚度并提高其压缩和剪切强度可以有效减少夹层结构的最大变形[[70], [71]]。尽管夹层结构在减少各种极端载荷条件下的整体变形方面得到了广泛研究，但其在抑制水下爆炸载荷下的断裂和控制裂纹扩展方面的有效性尚未得到系统研究，特别是在与具有相同面积密度的加劲板配置进行直接比较时。因此，本研究的目的是首次系统地研究全金属蜂窝夹层板在水下爆炸条件下的抗断裂性能，并将其与具有相同面积密度的传统加劲板进行比较。

本文的结构如下：第2节描述了试验试样的几何结构和制造工艺，包括加劲板和夹层板。第3节介绍了专门设计并制造的水下爆炸试验装置。第4节基于耦合欧拉-拉格朗日（CEL）方法进行了水下爆炸的有限元（FE）模拟。第5节展示了实验和数值结果，并分析了加劲板和夹层板在水下爆炸载荷作用下的动态响应。第6节对水下爆炸条件、夹层板厚度和预损伤深度对断裂响应的影响进行了参数分析。最后，第7节总结了整个研究。这项研究为设计抗水下爆炸的轻质抗断裂结构提供了新的见解。

试验样件的形态和制造

试验样件的形态和制造

为了研究夹层板的抗断裂性能，并将其与具有相同面积密度的加劲板进行比较，设计了两种类型的试样：加劲板和方形蜂窝芯夹层板。本节详细介绍了这两种试样的结构尺寸和制造工艺。

它们的结构配置和几何参数如图1所示。加劲板和夹层板都具有平面尺寸

水下爆炸试验

本节详细介绍了进行水下爆炸试验的实验装置和程序，以评估试验样件的抗断裂性能。

每次水下爆炸试验的距离为0.5米， detonation深度为1米，TNT当量为1千克。分别对Q235钢加劲板、Q235钢夹层板和304不锈钢夹层板进行了三次试验。

水下爆炸试验在专门设计的

有限元模拟

由于测量技术和试验条件的限制，一些试验现象和数据难以直接获得。因此，使用商业上可用的FE代码ABAQUS进行了数值模拟。本节详细介绍了建模过程，包括几何模型、边界条件、网格收敛性和材料本构模型。

结果与讨论

本节展示了加劲板和夹层板在水下爆炸试验中的实验和数值结果。从抗断裂性能和能量吸收特性方面讨论了研究结果，并比较了两种材料的性能。

参数研究

在明确了加劲板和夹层板的断裂机制和能量耗散特性后，本节进一步研究了关键参数对抗断裂性能的影响。具体来说，利用经过验证的有限元模型系统地评估了距离、板厚分布和制造引起的预损伤的影响

结论

本研究首次结合实验和数值方法，研究了全金属方形蜂窝芯夹层板在水下爆炸载荷作用下的断裂响应，并将其与具有相同面积密度的传统加劲板进行了比较。夹层试样采用插入-组装焊接工艺制造，在定制设计的矩形试验室内进行了水下爆炸试验。

CRediT作者贡献声明

高慧瑶：方法论、概念化、研究、软件、撰写 - 原始草稿。

夏伟：撰写 - 审稿和编辑、研究、数据管理。

何超：研究、软件。

黄杰：形式分析、软件。

叶帆：方法论、项目管理。

任建伟：方法论、撰写 - 审稿。

赵振宇：方法论、项目管理、监督、资源协调。

卢天健：方法论、项目管理、监督、资源协调。

数据可用性

所有用于重现计算的相关数据均包含在主要出版物文本中。

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