一种抑制水下气泡射流载荷的柔性覆盖层及制作方法

本发明涉及船舶与海洋结构物防护，特别涉及一种抑制水下近距离爆炸冲击波、抑制气泡射流载荷的水下舰船、潜艇舱壁外柔性覆盖层设计及其制作、有限元计算方法。

背景技术：

1、爆炸物近距离水下爆炸时产生的序列载荷，尤其高速水射流载荷，是威胁水下航行器生命力的致命要素。水下航行器近距离水下爆炸载荷与水下航行器外壁边界、爆炸距离、爆炸载荷参数等因素相关，所以抗冲击覆盖需要兼顾改善水下航行器边界效应、吸能、抑制或减小气泡射流载荷的功能。通过合理设计，在水下航行器外侧包覆柔性抗冲击覆盖层将水下航行器外壁刚性边界改为柔性边界，可有效降低近距离水下爆炸产生的冲击波、抑制气泡射流载荷对水下航行器的冲击、毁伤作用。水下航行器外部通常为弧线复杂的刚性曲面结构，传统刚性抗冲击覆盖层结构设计会导致粘合效果差，引起抗冲击效果不理想甚至起反作用。常用的不可压缩流体计算方法设计柔性抗冲击覆盖层结构时，计算耗时巨大，难以捕捉爆炸产生的冲击波、气泡相位等信息。因此，柔性抗冲击覆盖层的设计需要充分考虑近距离水下爆炸的全序列载荷作用机制，采用精确、高效的计算方法，选择合适的结构及材料，结合有效的验证手段。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种抑制水下气泡射流载荷的柔性覆盖层及其制作方法。通过柔性边界有效抑制减小气泡射流载荷对水下航行器结构的毁伤作用。将可压缩流体模型和不可压缩流体模型的数值解与有限元结构模型进行耦合，有效地解决水下航行器舷侧抗近距离水下爆炸高速气泡射流冲击和设计模拟计算中有限元计算时间久的问题，为抑制、减小近距离水下爆炸气泡溃灭时产生的朝向水下航行器舱壁的高速水射流提供新的防护方案。

2、为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：

3、一种抑制水下气泡射流载荷的柔性覆盖层，包括橡胶外层、闭孔泡沫夹芯层；

4、橡胶外层与闭孔泡沫夹芯层粘贴组成柔性覆盖层。孔泡沫夹芯层另一面与水下航行器舱壁或舷侧外板粘贴；

5、所述橡胶外层起到为闭孔泡沫夹芯层支撑防护，防止闭孔泡沫夹芯层由于单泡沫壁薄而在爆炸冲击的作用下发生撕裂。

6、作为优选，闭孔泡沫夹芯层为聚乙烯闭孔泡沫夹心层或橡胶泡沫夹芯层；

7、作为优选，所述粘贴由环氧树脂粘贴。

8、作为优选，所述闭孔泡沫夹芯层表观密度为0.1kg/m3至0.14kg/m3。

9、作为优选，所述橡胶外层的弹性模量为4至8mpa。

10、本发明还公开了柔性覆盖层的设计方法，具体如下：

11、第一步：实验获取材料参数、缩比实验获取爆炸载荷信息。

12、对制备的材料进行各项参数的测量，包括聚乙烯闭孔泡沫层、橡胶外层的弹性模量、各材料体积密度、极限拉伸强度、抗弯强度。

13、基于量纲原理，推导缩比相似关系，进行缩比模型水下爆炸试验，获得水下爆炸tnt当量为a克下的冲击波、气泡序列载荷对水下航行器舱壁或舷侧材料的毁伤作用特征。通过无量纲参数理论推导，依据blake和gibson盘踞获得水下爆炸tnt当量为a克下的气泡最大理论半径ra。

14、第二步：预设各层厚度。

15、初始设定橡胶外层厚度为a mm，闭孔泡沫夹芯层厚度为b mm，水下航行器舱壁或舷侧材料厚度为c mm，胶粘层单层厚度为d mm。水下航行器舱壁或舷侧材料预设为平面层或复杂弧线层。所有材料层平铺贴合。

16、要求：b≤4.5c且(a+b+2d)≤5c且d≤0.5mm。

17、第三步：进行有限元数值计算，

18、1)建立柔性覆盖层的有限元模型：根据已有的各材料性能参数和水下爆炸载荷序列参数，建立柔性覆盖层的有限元模型。模型假定为轴对称，模型尺寸根据需求设定。

19、2)可压缩流体模型的数值计算：在冲击波作用阶段，采用可压缩流体代码计算流场。根据轴对称欧拉方程和龙格-库塔间断伽辽金方法，离散化方程组，求解得到流场的数值解。

20、3)不可压缩流体模型的数值计算：将爆炸气泡和结构外部的流场映射到轴对称不可压缩流体代码进行求解。使用边界元法对爆炸气泡进行建模，并采用三阶龙格-库塔法推进求解。在气泡作用阶段，仅采用边界元法求解流场。

21、4)耦合模拟计算：将可压缩流体模型和不可压缩流体模型的数值解与有限元结构模型进行耦合。通过传递速度场信息和边界条件，计算结构的响应。使用龙格-库塔间断伽辽金法和有限元法相结合的方法，进行耦合求解，获得耦合后的数值解。

22、第四步：根据有限元计算结果优化结构厚度；

23、若柔性覆盖层发生失效则根据设计要求优化柔性覆盖层各层结构厚度重新设定。

24、情况1：橡胶外层破裂，但闭孔泡沫夹芯层未失效。

25、优先增加橡胶外层厚度a，若橡胶外层厚度a≥0.5c，则增加闭孔泡沫夹芯层厚度b，重新开展第三步有限元计算过程，直到获得柔性覆盖层的临界设计厚度a0、b0。

26、情况2：橡胶覆盖及闭孔泡沫夹芯层均发生失效。

27、同时增加橡胶外层厚度a与闭孔泡沫夹芯层厚度b，重新开展第三步有限元计算过程，直到获得柔性覆盖层的临界设计厚度a0、b0。

28、情况3：橡胶覆盖及闭孔泡沫夹芯层均未发生失效。

29、优先减小橡胶外层厚度a，若橡胶外层厚度低于2mm，则减小闭孔泡沫夹芯层厚度b，再建立新尺寸有限元模型，重复该过程获得柔性覆盖层的临界设计厚度a0、b0。

30、获得的柔性覆盖层的临界设计厚度a0、b0后，依据要求：b≤4.5c且(a+b+2d)≤5c且d≤0.5mm，进行层厚增加，提高可靠性，获得实际最优柔性覆盖层的厚度：a＝a0+1mm,b＝b0+0.5mm。

31、进一步地，可压缩流体模型如下：

32、轴对称欧拉方程为：

33、

34、其中t是时间，u、f(u)、s(u)和分别是守恒变量、通量、几何源项和向量微分算子的向量，分别由下式计算：

35、u＝[ρ,ρu,ρv,e]t

36、f(u)＝[f(u),g(u)]

37、f(u)＝[ρu,ρu2+p,ρuv,(e+p)u]t

38、g(u)＝[ρv,ρuv,ρv2+p,(e+p)v]t

39、s(u)＝-(1/r)[ρu,ρu2,ρuv,(e+p)u]t

40、

41、r和z分别是径向和垂直方向，ρ是密度，u和v分别是r方向和z方向的速度，p是压力，e是单位体积的总能量。

42、总能量如下式：

43、e＝ρe+[ρ(u2+v2)]/2

44、e是单位质量的热力学能；水下爆炸产生气泡，采用jones-wilkins-lee状态方程；介质水，采用了等熵tait方程和空化流的截断模型。由于tait状态方程的等熵特性，不需要求解总能量方程。公式(1)通过删除水的能量方程来简化。然后，采用二阶龙格-库塔间断伽辽金(rkdg)方法，将通量项替换为force通量，并在局部特征方向上进行广义van leer斜率限制器，对固定矩形网格上的欧拉系统进行离散化。

45、进一步地，不可压缩流体模型如下：

46、不可压缩流体代码是基于轴对称边界元的。在水下爆炸的中后期流体响应中，假定流体是无粘性、无旋转和不可压缩的。不可压缩条件下的拉普拉斯方程：

47、

48、φ为速度势能。对动量方程进行积分，得到伯努利方程：

49、

50、其中p∞是沿z＝0处无穷远处的压力(流体满足和pl是流体压力，ρl是流体密度，g是重力引起的加速度。忽略水下爆炸气泡产生过程中的气泡表面张力，设为理想状态，则气体的瞬时压力pg为：

51、pg＝p0(v0/v)γ

52、其中p0为气泡的初始压力，v0和v为气泡的初始和瞬时体积，γ为爆炸产生tnt时取1.25的比热比。根据运动学边界条件，对于不同的边界条件下：

53、可变为：

54、

55、其中vs是边界速度，n是指向流体域外的局部单位法向量。其中r为位置向量，sb为气泡曲面，ss为固体边界曲面。

56、气泡表面和结构表面通过边界元进行网格划分。利用边界元法求解拉普拉斯方程，得到了流体边界处法向速度与速度势的关系。为及时推进求解，采用三阶龙格-库塔法求解方程(2)，得到了新时间步长的速度势和边界位置。通过在每个时间步中使用一次五点平滑技术来消除气泡边界轮廓中可能出现的高频锯齿不稳定，并使用重新离散化程序来防止气泡上的节点彼此过于接近或太远。

57、进一步地，耦合过程如下：

58、1)球对称可压缩流体代码计算流体场的一部分，并将结果映射到轴对称可压缩流体代码。通过边界位置在气泡-水界面和水-结构界面上生成边界网格。

59、2)气泡的边界元代码根据结构有限元代码提供的边界条件进行移动。在rkdg代码提供的压力边界条件下，对结构进行有限元计算。水的rkdg代码根据边界元代码和有限元代码提供的边界条件在每个时间步长上进行计算。

60、3)为了实现rkdg代码的边界条件，基于改进的幽灵流体方法的数值技术用于减小界面周围的数值振荡。首先，围绕界面构造水平集方程，捕捉移动的气泡-水界面和水-结构界面。然后，通过构造并求解修正的黎曼问题，得到界面状态。最后，将界面状态外推到虚单元，得到水的边界条件，界面压力作为结构的边界条件。

61、4)不可压缩流体代码与结构代码的耦合过程是在冲击波移出计算域、空化塌陷的主载荷消失后进行的。假设流体不可压缩，仅用边界元进行求解。边界元网格已经生成，因此冲击波相位代码与气泡脉冲相位代码的耦合过程非常简单，直接将冲击波相位代码的界面位置和速度转换为气泡脉冲相位代码。

62、本发明还公开了柔性覆盖层的制作方法，具体如下：

63、1)根据设计方法获得柔性覆盖层优化后的厚度值进行制备。

64、2)首先制备闭孔泡沫夹芯层。在聚乙烯熔融物中添加发泡剂、微量成核剂等原料，挤出机基挤出温度设置低于熔融物5℃挤压成片状，然后按照需要尺寸进行切片得到符合使用需求的闭孔泡沫夹芯层。

65、3)选择满足厚度及材料参数的橡胶，橡胶与闭孔泡沫粘结一侧做磨砂处理，然后将橡胶平铺置符合橡胶尺寸的金属模具中，磨砂表面朝上，铺刷一层冷硫化橡胶粘结剂，然后将同尺寸的闭孔泡沫夹芯层平铺覆盖并施加压力，静止3小时使两层材料充分粘结。

66、4)取出获得柔性覆盖层，在钢板表面涂抹pp胶水，将柔性覆盖层以闭孔泡沫夹芯层侧覆盖在钢板涂胶水一侧，施加压力，使各层紧密贴合，常温静止60min。获得整体含钢板背板的柔性覆盖层。

67、与现有技术相比，本发明的优点在于：

68、柔性抗冲击覆盖层可以贴合水下航行器有弧线复杂的刚性曲面舱壁，闭孔泡沫夹芯层可以吸收水下爆炸产生的冲击波能量、抑制阻隔高速气泡射流载荷的冲击，外层橡胶外层又可为闭孔泡沫夹芯层提供一定支撑防护，防止闭孔泡沫夹芯层由于单泡沫壁薄而在爆炸冲击的作用下发生撕裂，从而实现对水下航行器在近距离水下爆炸下的防护。同时，建立了龙格-库塔间断伽辽金法(rkdg)、边界元法(bem)和有限元法(fem)相结合的数值计算方法。采用可压缩流体代码、不可压缩流体代码和有限元结构代码相耦合的方法，在气泡脉冲阶段引入不可压缩流体代码，在冲击波阶段采用可压缩流体代码进行计算，有效缩短了计算时间，提高了计算精度。通过耦合的有限元仿真计算方法，分析了柔性覆盖层与水下爆炸气泡的相互作用机理，进而验证了柔性抗冲击覆盖层的有效性。