随着沿海和临海军事巡逻、海上高速航运、海上能源开发及海上应急突发事件的需求，高性能舰船正朝着大型化、高速化和多样化的方向发展。为了满足舰船结构轻量化、航速快的要求，轻质高强、弯曲刚度大、抗冲击性能好的新型夹层结构在当代舰船领域受到了世界各国的广泛关注。欧洲8国联合开展SANDWICH项目，旨在研究舰船主要承载结构所需的特种钢-轻质夹层结构；美国海军研究中心长期资助“固体力学研究项目”，重点研究新型复合材料夹层结构在特定服役环境下的力学性能。因此，船舶与海洋工程结构安全与轻量化是当前研究热点问题。另一方面，在恶劣海况中航行的高速舰船,由于前部船底出水和上浪等原因,会在船艏底部、艉部及外飘等区域发生砰击现象，强烈砰击会导致船体结构变形破坏。因此，砰击载荷下夹层结构动态响应及其结构安全性显得尤为重要。

长期以来人们对结构的砰击载荷动力响应问题做了大量的研究工作。早期，Ochi和Motter ^[1]根据冲量理论，基于实船测量数据，提出了预测船底砰击压力的经验公式，适合于船舶设计初期，砰击压力系数采用艏部1/10设计水线以下的船体型线保角变换成一个圆而得到的系数计算得到。Stavovy和Chuang ^[2]曾对入水冲击问题作了系统的模型实验研究，包括楔形体、圆锥体撞水实验等，并结合Wagner ^[3]的二维楔形体砰击理论、Chuang的三维圆锥体砰击理论，拟合得到适用于三维船体的，刚性楔形体的砰击压力系数与斜升角之间关系的砰击压力公式。后来，针对平板、V形楔形体或者典型的船舶剖面等，开展大量的自由落体或者控制速度落体的实验。如Khalil等^[4]分析了波浪冲击作用于自由表面附近一个固定的细长水平圆柱体上的力，考虑了波浪的间歇性淹没和撞击作用。Zhao等^[5]对斜升角30°的V形楔形体以及典型的船首外飘剖面，进行了落体入水冲击实验，测量了砰击压力以及砰击力，验证了其NBE数值计算结果。Engle和Lewis^[6]在研究中选择水动力冲击预测方法与现有的二维楔形截面试验数据进行了比较，给出了不同冲击速度下的峰值压力计算结果，并与瓦格纳和庄氏的传统预测理论进行了比较。Peseux等^[7]研究了船舶在船首与自由水面碰撞过程中所经历的撞击现象，采用有限元法对三维瓦格纳问题进行了数值求解，对刚性结构和可变形结构进行了数值分析。在数值分析的基础上，进行了初步的实验研究，包括一系列不同压升角和厚度的刚性和可变形锥形试样的自由落体试验。Yu等^[8,9]研究了梁和加筋板在小角度极端水击作用下的水塑性响应。Qin等^[10]建立并验证了一种可同时计算流体和结构变形的非线性控制方程组的数值求解方法，描述了水弹性对船体变形和非定常撞击载荷的影响。

在国内，张世联等^[11]对板结构在砰击这一瞬态载荷作用下的动力响应进行参数分析；于鹏垚^[12]通过对刚性剖面入水砰击、弹性楔形板架入水砰击、砰击载荷模型试验、波浪中船舶局部砰击载荷和砰击载荷作用下局部结构响应几方面的研究，形成了一套实船局部砰击强度评估的直接计算方法；田喜民等^[13]对船体外板及骨材在瞬态砰击载荷作用下的响应特性进行了研究，通过引入动态载荷因子将瞬态载荷转化为静态载荷，研究结果表明: 当将砰击载荷简化为三角形脉冲载荷形式时，其作用时间接近于结构固有周期时结构动态回应最大，此时在工程设计时应考虑砰击载荷动态效应的影响；彭丹丹等^[14]基于水动力学软件 Fine/Marine，建立水域-空气域-结构耦合的分析模型，对楔形结构的砰击特性进行数值仿真分析，并研究不同斜升角及不同入水速度对砰击载荷的影响；曹正林等^[15]运用大型有限元程序ANSYS建立某一高速船密加筋和纵骨架式两种形式的船底板架的有限元模型,计算这两种船底结构板架在砰击载荷作用下的瞬态动力响应特征；张于维等^[16]利用 Fluent 软件研究二维楔形体结构的砰击问题，考虑外部大气压重力以及网格影响等因素，建立二维有限元模型，对不同斜升角的楔形体结构以不同的速度进行等速入水的情况进行计算，研究发现，最大砰击压力随着楔形体斜升角的增大而减小，随砰击速度的增大而增大。

上述均是针对船体板、加筋板及板架等传统结构开展研究。近期，国内外学者对夹芯结构砰击动态响应进行了大量的研究工作。Hassoon等^[17]进行了夹芯复合材料板在水动力冲击载荷作用下的动力响应试验与数值研究。对不同冲击速度下的动阻力从水动力载荷、动变形和破坏机理等方面进行了分析。Das等^[18]使用商业软件LS-DYNA中耦合的拉格朗日和欧拉公式来模拟刚体和可变形船体底板的撞击冲击，利用拉格朗日公式描述船体板的平面应变变形，并考虑几何非线性，用欧拉公式分析了水的变形，采用罚值法保证了船体表面拉延的连续性和水的穿透性。计算结果表明，所计算的刚性板水击压力分布与文献报道的压力分布吻合较好。计算得到的变形板的压力分布与利用板理论和瓦格纳的撞击理论得到的压力分布不同。Das等还描述了湿船体边缘附近的射流，并研究了水弹性压力作用下夹层复合材料板的分层问题。Ray等^[19]采用高阶剪切和法向变形理论，结合流体速度势理论，建立了梁面和梁芯的耦合水弹性有限元模型，研究了梁在横向挠度和应力作用下的瞬态响应，采用动力失效分析的方法，研究了冲击载荷作用下梁的产生和失效原因。Alaoui等^[20]通过实验和数值方法研究复合材料板的结构行为和柔性对水动力载荷和动力变形响应的影响。Alaoui等为了研究这些影响，对两种不同刚度的复合材料板进行了不同的冲击速度和研究。实验结果的一般分析表明，相对于刚度较高的板，柔性越强的板在速度增加时峰值力越大。田媛^[21]以V型波纹夹芯夹层板、I型波纹夹芯夹层板及I型夹芯杂交夹层板为研究对象，运用有限元软件ANSYS/LS-DYNA，对其在入水砰击过程中受到的砰击压力载荷与响应特性进行详细的分析研究。贺梦豪等^[22]以波纹夹芯杂交夹层板为研究对象，建立气-液-固三相数值模型，对结构在不同撞水速度下（1～10 m/s）动力响应特性进行数值计算分析。首先将其与相同质量的无填充轻质波纹夹芯夹层板在入水砰击下的非线性力学行为进行对比，分析探讨 2 种结构的能量吸收特点以及砰击压力和变形的分布规律，同时研究波纹夹芯杂交夹层板主要设计参数对其抗砰击性能的影响。分析结果表明，波纹夹芯杂交夹层板较同质量的无填充轻质波纹夹芯夹层板具有更好的抗砰击性能；在一定范围内，增加触水面板厚度及芯层厚度对提升波纹夹芯杂交夹层板的抗砰击性能有积极作用，且增加芯层厚度效果更为显著。赵飞^[23]选取了I型和V型两种典型的金属夹芯夹层楔形体板为研究对象，采用数值仿真方法，对其入水砰击载荷与响应等力学特性问题进行研究，得到一些有意义的结论：(a)等质量的 I 型夹层板、V 型夹层板、加筋板的砰击压力分布曲线均不一样，而板受到的整体砰击力基本一致。(b) I型夹层板和 V 型夹层板的上面板变形均小于加筋板的变形，入水过程中，I 型夹层板和 V 型夹层板的下面板(触水面板)上会产生局部波状变形。(c) I 型夹层板、V 型夹层板下面板的中心点处的砰击压力峰值与入水速度的平方呈近似线性关系，板的变形随入水速度的增大而增大。(d) 夹层板的结构尺寸：面板厚度、夹芯壁厚度、芯层高度对夹层板的入水砰击压力及变形响应都有不同程度的影响。汪浩等 ^[24]以轻质金字塔点阵夹层平板结构为对象，对其在不同撞水速度下(1m/s~6m/s)的流-固耦合动力学行为进行数值和理论计算分析。提出一种将砰击变形位移场分解为总体变形和局部变形，然后进行叠加的计算模型，该种工程近似计算方法获得的变形估算值与数值计算结果吻合较好。

本课题拟采用数值分析方法研究蜂窝金属夹芯结构在砰击载荷下的动态响应特性。以数值仿真计算为手段，建立蜂窝金属夹芯结构的气-液-固三相数值计算模型，研究不同入水速度下夹层结构的动态响应，得到蜂窝金属夹芯结构的砰击压力时间历程曲线以及结构塑性变形，并与同等质量的船体板结构在砰击载荷下的非线性力学行为进行对比，揭示蜂窝金属夹芯结构优良的力学特性与能量吸收性能。在此基础之上，进行系列数值仿真，研究上下面板厚度、蜂窝芯层厚度等几何参数等对蜂窝金属夹芯结构砰击动力响应的影响规律。

2. 研究的基本内容与方案

研究的基本内容：

本课题从研究蜂窝金属夹芯结构在砰击载荷的作用下的变形问题入手，利用有限元分析软件ANSYS LS DYNA研究不同入水速度下夹层结构的动态响应，得到蜂窝金属夹芯结构的砰击压力时间历程曲线以及结构塑性变形，并与同等质量的船体板结构在砰击载荷下的非线性力学行为进行对比，揭示蜂窝金属夹芯结构优良的力学特性与能量吸收性能。在此基础之上，进行系列数值仿真，研究上下面板厚度、蜂窝芯层厚度等几何参数等对蜂窝金属夹芯结构砰击动力响应的影响规律。

技术方案及措施:

（1）准备工作。查阅相关文献和学习理论知识，进行砰击载荷下船舶结构动力响应文献综述。

（2）有限元建模。设计模型几何尺寸，学习有限元建模，建立蜂窝金属夹芯结构的气-液-固三相数值计算模型。