波浪中斜向入水时倒扣蜂窝结构的冲击减缓

《INTERNATIONAL JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCES》：Re-entrant honeycomb impact mitigation during oblique water entry in waves

　　

摘要
波浪环境中的入水冲击是一个复杂的流固耦合问题，涉及瞬态流体动力载荷、结构变形和姿态变化。波浪引起的自由液面轮廓变化和本地冲击条件的改变可能显著改变进入体所受的冲击载荷和动力响应。本研究采用经验证的流固耦合框架，在规定的波浪条件下，对内置再入式蜂窝结构的圆柱体入水响应进行了研究。系统地探讨了波浪相位、陡度、冲击速度和角度以及结构参数（包括晶格几何形状、旋转方向和头形几何）的影响。结果表明，波浪相位、冲击速度和冲击角度对瞬态冲击响应有显著影响，而在所研究的范围内，波浪陡度的影响相对有限。内置晶格通过渐进压缩和屈曲诱导类平台型响应，有效降低了峰值加速度。通过将瞬态加速度响应与晶格压缩和变形演化相关联，阐明了涉及流体动力载荷、渐进结构崩溃和冲击能量吸收的耦合机制。在所研究的构型中识别出有利的刚度范围：刚度不足会导致行程受限的崩溃和二次冲击，而刚度过大则会限制结构变形并降低减载效果。旋转方向对全局载荷影响有限，但会影响姿态稳定性，而头形几何则控制基线冲击严重性和结构参与度。这些发现揭示了与波浪相关的流体动力载荷和内部晶格变形之间的耦合关系，为在真实波浪环境中运行的入水系统内部集成能量吸收结构的设计提供了新的见解。

引言
高速入水广泛应用于工程领域，使结构承受严重的瞬态冲击载荷[1,2]。典型场景包括空投鱼雷[3]、航天器再入返回舱[4,5]以及两栖飞机水上降落[[6], [7], [8]]，在这些场景中，与水的快速相互作用会在极短时间内产生极高的力[9,10]。如此强烈的冲击载荷可能导致结构损伤甚至内部精密组件的灾难性失效，对结构完整性和可靠性构成严重挑战[[11], [12], [13]]。在真实海洋环境中，表面波浪的存在进一步复杂化了入水过程，因为波浪相位和本地入水角度的变化可以显著改变初始接触条件并增加冲击响应的不确定性[[14], [15], [16], [17], [18], [19]]。因此，理解波浪条件下的入水冲击力学并开发有效的载荷缓解策略，对工程设计具有重要意义。

已有大量研究致力于理解入水过程中的流体动力和结构响应[[20], [21], [22], [23], [24], [25], [26], [27], [28]]。对入水冲击的基础理解可追溯到冯·卡门[29]的开创性工作，他将水上飞机降落建模为二维楔体冲击自由液面，并引入了附加质量的概念来估算冲击载荷。在此基础上，瓦格纳[30]提出了经典的瓦格纳模型，进一步推进了对拍击现象的理论描述。这些解析模型已被广泛拓展以考虑各种冲击几何形状和运动学条件[[31], [32], [33], [34]]。然而，由于其固有的假设——如小变形[35]、简化几何[36]和理想化自由液面条件[37]——它们的适用性仍然有限。因此，实验研究在揭示复杂冲击机制和验证理论预测方面继续发挥着重要作用。例如，Sui等人[5]使用嵌入式加速度传感器测量了斜入水过程中的瞬态冲击载荷。Zhang等人[38]通过实验表明气泡空腔的存在可以显著改变冲击响应和入水后运动。

入水实验通常复杂、昂贵且耗时，这促使近年来数值模拟的使用日益增加[[39], [40], [41], [42], [43]]。有限元建模的进展显著增强了解析入水过程中瞬态流固耦合的能力[[44], [45], [46], [47], [48], [49]]。例如，Tassin等人[50]研究了三维液固冲击现象，并开发了一种数值方法预测作用于进入体上的流体动力载荷。Shi等人[51]测量了不同头形弹体在各种入水速度和角度下的冲击加速度响应，并通过与实验数据对比验证了基于任意拉格朗日-欧拉（ALE）的数值模型。Li等人[9]结合实验和数值方法，将入水过程分为三个不同阶段：入水冲击阶段、空腔发展阶段和制动阶段。尽管取得了这些进展，入水冲击仍然以高度瞬态动力学为特征，峰值载荷集中在初始接触阶段，对结构保护提出了重大挑战。

为缓解此类冲击载荷，已提出了各种缓解策略，包括几何优化[[52], [53], [54], [55], [56]]、预冲击流场调控[[57], [58], [59]]以及使用能量吸收结构[[60], [61], [62], [63]]。其中，缓冲头帽和外部能量吸收装置引起了广泛关注。例如，Shi等人[64]为自主水下航行器设计了一种缓解装置并通过实验验证了其有效性。Fu等人[65]提出了一种结合铝泡沫和盘式空化器的多级减载结构，并使用耦合欧拉-拉格朗日（CEL）方法建立了三维数值模型，研究了各种入水角度和速度下飞行器入水的行为。Yao等人[66]开发了基于ALE的数值模型，研究了飞行器入水的冲击载荷减轻特性和相似关系，并分析了缩比入水模型试验中的相似偏差。Zhao等人[67]对装有缓冲头帽的飞行器进行了实验研究，确认了通过压缩和损伤诱导的能量吸收来缓解入水冲击载荷的有效性。载荷减轻性能随头帽长度和入水速度增加而提高，尽管以更严重的结构损伤为代价，最大减载幅度约为20%。

这些发现表明，可控的结构变形和能量吸收是缓解冲击载荷的有效机制。然而，大多数现有方法依赖于外部修改，这不可避免地会与周围流场相互作用并干扰它[21,68]。相比之下，内部架构结构提供了一种根本不同的解决方案，通过变形耗散能量，同时保持外部流体动力几何形状不变。架构材料，如再入式蜂窝和晶格超材料，在动态载荷条件下表现出了优异的能量吸收能力[[69], [70], [71]]。在这些架构材料中，再入式蜂窝尤其引人注目，因为其负泊松比变形机制促进了渐进崩溃和稳定的变形演化，从而增强了能量吸收并在动态压缩下产生相对稳定的平台响应。然而，其应用主要局限于固-固或空气-结构冲击场景，在涉及强流固耦合的入水问题中的性能仍然认识不足。

Li等人[72]的近期工作提供了初步证据，表明在静水条件下，内部嵌入的蜂窝结构可以通过渐进变形和能量吸收有效降低峰值冲击载荷。在此基础上，本研究将内部嵌入蜂窝的冲击缓解从静水条件及规定等效载荷拓展到波浪条件下的全耦合斜入水，其中与波浪相关的流体动力载荷直接与渐进晶格变形相互作用。由此产生的压缩、屈曲以及可能的行程耗尽进一步与瞬态冲击响应相关联，为将晶格刚度和可用变形行程与预期的波浪和入水条件相匹配提供了基础。表面波浪可以显著改变入水角度、本地坡度和接触速度，从而改变冲击载荷条件[73,74]。先前的研究已表明表面波浪可以显著改变入水动力学[75]。Li等人[76]利用计算流体力学研究了波浪对配备空化器的飞行器入水的影响，揭示了波高、入水角度和速度对冲击载荷的综合影响。Tian等人[77]数值研究了细长截锥弹体在各种波浪条件下的高速入水，强调了波浪相位和入水参数在控制轨迹和流场演化中的作用。Liu等人[16]研究了规则波浪场中小尺度圆柱体的入水，并表明波浪相位对垂直和斜入水条件下的冲击响应都有强烈影响。Fan等人[78]利用ALE格式分析了高速飞行器入水过程中的流固耦合，并量化了入水角度、弗劳德数和空化器几何形状对压力分布、空腔发展和流体动力载荷的影响。尽管取得了这些进展，与波浪相关的流体动力载荷与内部嵌入能量吸收结构的渐进变形之间的耦合相互作用仍然认识不足。本研究通过研究波浪条件下斜入水时内部集成的再入式负泊松比蜂窝来解决这一空白，并建立了瞬态流体动力载荷、晶格变形和冲击缓解性能之间的关系。

总体而言，相关研究证实表面波浪可以显著影响入水冲击特征[79]。然而，大多数研究工作局限于刚体或结构修改的外部布局。内部集成架构能量吸收结构在波浪条件下的行为和载荷缓解机制仍基本未被探索。由于此类内部结构通过可控变形耗散能量，同时保持外部流体动力特性不变，理解其与波浪诱导载荷的耦合相互作用至关重要。

基于这一空白，本研究在规定的波浪条件下，研究了内置再入式蜂窝结构的圆柱体的入水冲击响应。特别关注波浪诱导载荷、结构变形和流固耦合的耦合效应。目标是阐明控制冲击载荷重新分布和能量吸收的内在机制，并识别影响缓解性能的关键参数。这些发现为在真实波浪环境中运行的鲁棒入水系统内部集成能量吸收结构的设计提供了新的见解。

本文其余部分组织如下。第2节描述了波浪条件下数值建模和实验验证的理论公式、数值方法、材料本构模型、网格收敛分析和实验设置。第3节展示了不同波浪条件、冲击参数和结构构型下内置再入式蜂窝结构的冲击响应和减载特征，重点介绍了晶格变形行为、空腔演化和能量吸收机制。最后，第4节总结了主要结论。

方法
本节介绍了本研究采用的理论公式、数值方法、网格收敛分析和实验设置。首先介绍了用于描述耦合流固响应的控制方程、CEL公式和本构模型。随后描述了数值模型和计算设置，并进行了流体域和内部晶格域的网格收敛分析，以确定适当的空间分辨率。最后，

结果与讨论
本节展示了波浪条件下入水的数值和实验结果，并讨论了内置再入式蜂窝的冲击缓解机制。首先将数值模型与实验测量进行验证，然后考察晶格变形与冲击载荷缓解之间的关系。随后研究了波浪相位、波浪陡度、冲击速度和冲击角度的影响，以阐明环境和

结论
本研究在规定的波浪条件下，研究了内置再入式蜂窝结构的圆柱体的入水冲击响应。数值模型经过实验测量验证，在加速度响应和晶格变形方面均表现出良好的一致性。在基线条件下，D40T6晶格将数值峰值加速度从477.79g降低至340.80g，对应减载幅度为28.67%。结果表明，

作者贡献声明
许帅恒：撰写——原稿撰写、可视化、方法学、调查研究、形式分析、概念化。张宇阳：撰写——审阅与编辑、方法学、调查研究。阎佳乐：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取。王叶贤：形式分析。何明：验证。康晓：资源。李鸿元：撰写——审阅与编辑、项目管理、资金获取。

许帅恒|张宇阳|阎佳乐|王叶贤|何明|康晓|李鸿元

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