1 绪论

1.1 研究背景和意义

海军是维护国家海权、保护海上活动安全的中坚力量。在历次海战中，大型水面舰船起着举足轻重的作用。如今，随着反舰武器，尤其是反舰导弹的快速发展，大型水面舰船由于目标大，航行速度有限，极易受到敌方攻击。水面舰船抗冲击性能是舰船生命力的重要方面，如何设计优良的抗冲击结构，提高船体结构的抗冲击性能，进而提高舰船生命力，一直深受各国海军重视。作为高效率、能源节约型复合材料的典型代表，蜂窝材料具有质量小、比强度和比刚度高、稳定性好等众多优点，在舰船舷侧防护结构上的应用研究受到了越来越多的关注。与此同时，《中国制造2025》也明确提出了要大力推动海洋工程装备及高技术船舶重点领域的突破发展。新一代高技术舰船领域的发展对舷侧防护结构的性能指标提出了更高的要求，如何在现有舰船常规抗冲击防护结构形式的基础上寻求一种可行的蜂窝结构，有效降低传递到船舱内部的应力水平，并通过其耗能尽可能多地吸收冲击能量，已经成为提高舷侧防护结构设计性能的重要问题。

蜂窝结构具有轻质、比强度和比刚度高、抗震、隔热、阻燃和表面平整光滑等优良特性，它的尺度分布非常广，小到细胞壁、闭孔泡沫胞壁，大到飞机机身、冷却塔。蜂窝结构广泛应用于航空航天、汽车、机械、土木等各个领域，其中金属铝蜂窝结构作为一种低成本、高吸能效率的构件，已广泛应用于飞机、汽车、铁路列车和轮船中的碰撞动能耗散系统中。

以圆形胞元蜂窝材料为例，其结构如图1.1.1所示。X1轴垂直于蜂窝单元的横向壁面；X2轴平行于蜂窝单元的竖向壁面；X3轴垂直于蜂窝芯面，沿深度方向。当应力作用在X1-X3或X2-X3面内或平行于它们，蜂窝材料所表现出来的性能称为面内性能（共面性能）；当应力作用在X1-X2面内或平行于它，蜂窝材料所表现出来的性能称为面外性能（异面性能）。蜂窝材料用作吸能装置时，其吸能性能与受冲击载荷作用方向关系密切。当受到面内冲击载荷作用时，应力波在蜂窝材料逐层胞元内传播，固定端和冲击端动态响应有所差异，有利于降低传递到被保护结构的应力水平，但是蜂窝胞元沿着面内方向压缩的总吸能有限；当受到面外冲击载荷作用时，蜂窝胞壁沿轴向折叠压缩，具有较强的吸能能力。

图1.1.1 圆形蜂窝结构图

本书以国家自然科学基金青年项目为背景，为了提高舰船抗冲击性能，拟设计新型的蜂窝舷侧防护结构，一方面有效降低传递到船舱内部的应力水平，另一方面，通过其耗能尽可能多地吸收冲击能量。作为该功能构件设计的前期理论研究，本书主要围绕如何控制进入被保护结构应力值及提高蜂窝材料的能量吸收能力，在理论分析、试验研究和数值仿真的基础上，展开对蜂窝铝类功能构件受面内及面外冲击载荷作用下缓冲吸能特性的研究，并对受面外冲击载荷作用下的蜂窝舷侧防护结构进行了耐撞性优化设计。研究成果可为新型舷侧防护结构的设计提供理论依据和技术支持，同时可推广到其他缓冲吸能领域研究中。