水下爆炸会破坏潜艇壳体、设备及工作人员,使潜艇生命力和战斗力受到威胁,如何提高潜艇抗冲击特性已成为现役及新型舰艇越来越迫切的要求。本文以973专题“潜艇艇体湿表面覆盖层隔冲耗能机理”为研究背景,根据水下爆炸冲击波在潜艇中的传递特性,提出在潜艇湿表面敷设一层耐压抗冲覆盖层,用以隔离和吸收水下爆炸冲击波,从而降低传递到潜艇壳体及内部设备的载荷。在此基础上,设计潜艇用耐压抗冲覆盖层结构,并对其冲击防护机理、防护效果及设计准则开展理论、数值和实验研究。具体研究内容及结论如下:(1)针对所提出的潜艇耐压抗冲覆盖层结构(橡胶和塑性泡沫复合结构),建立其在高静水压和冲击波共同作用下的一维理论模型,形成求解该问题完整响应的一维理论计算方法。通过分析耐压抗冲覆盖层的塑性变形特性、流固耦合机制及空化机制,总结出耐压抗冲覆盖层的冲击防护效果和防护机理。研究结果表明:耐压抗冲覆盖层的冲击阻抗在冲击波作用阶段较小,可以有效隔离部分冲击波;而传入覆盖层的冲击波能量大部分通过覆盖层的塑性变形耗散掉。因此,耐压抗冲覆盖层在基于阻抗失配的隔冲机理和基于变形吸能的耗能机理共同作用下隔离和耗散冲击波能量,从而降低传递到潜艇耐压壳体的能量,最终达到降低壳体变形及由壳体传递到内部设备载荷的目的。(2)运用所建立的一维理论模型分析耐压抗冲覆盖层特性参数(包括密度、屈服强度、密实化应变)和入射冲击波参数(包括冲击波峰值、衰减系数、静水压力大小)变化与覆盖层冲击防护效能之间的内在规律,并计算冲击波能量刚好完全耗散完毕时所需覆盖层的有效厚度。研究结果表明:覆盖层屈服强度、密实化应变,冲击波峰值、衰减系数和静水压力都会影响覆盖层的冲击防护效果;覆盖层有效厚度是冲击波峰值、衰减系数以及静水压力的增函数,是覆盖层屈服强度和密实化应变的减函数。在此基础上,总结出覆盖层有效厚度以入射冲击波参数(冲击波峰值、衰减系数、静水压力)和覆盖层特性参数(屈服强度、密实化应变)为变量的工程估算公式。(3)在一维理论研究基础上,建立敷设耐压抗冲覆盖层的水下圆柱壳三维有限元模型,研究其在静水压力和水下爆炸冲击载荷共同作用下的动态响应和覆盖层的冲击防护效果。结果表明:当覆盖层厚度足够没有发生密实化时,覆盖层可以有效降低壳体的应力、变形、内能、加速度及速度响应,且覆盖层越软冲击防护效果越好;当覆盖层厚度不足发生密实化时,覆盖层的冲击防护效果会减弱,且密实化越严重冲击防护效果越差;光壳体将更多的冲击波能量反射回水中,而覆盖层对冲击波能量有集聚作用,然后通过塑性变形将集聚的能量耗散掉以降低传递到壳体的能量。此外,所推导的覆盖层有效厚度一维工程估算公式可以很好的估算三维问题中覆盖层的有效厚度。(4)为避免均匀覆盖层发生密实化后应力急剧上升问题,开展多层耐压抗冲覆盖层抗冲击研究,并与均匀覆盖层进行对比。研究从两个角度展开:一是在不增加传递到潜艇壳体力的前提下通过梯度设计降低覆盖层有效厚度;二是在等质量等厚度前提下,通过梯度设计提升耐压抗冲覆盖层的冲击防护能力。研究结果表明:对于硬芯层靠近载荷端而软芯层靠近潜艇壳体端的双层覆盖层,通过提升硬芯层屈服强度及软芯层面板质量可以降低覆盖层有效厚度,而传递到潜艇壳体的力仅由软芯层的屈服强度控制;等厚度等质量的梯度覆盖层与均匀覆盖层相比,能抵抗强度更高的冲击波,且密度梯度越大效果越明显。但是,第一种方案虽然降低量了覆盖层有效厚度却牺牲了质量;而第二种方案虽然提升了覆盖层抵抗冲击波的能力,但是传递到潜艇壳体的力会有所增加。(5)在耐压抗冲覆盖层防护机理和防护效果研究的基础上,制备橡胶与塑性聚氨酯泡沫复合的耐压抗冲覆盖层,并开展敷设耐压抗冲覆盖层圆板的原理性水下爆炸实验和敷设耐压抗冲覆盖层单壳体潜艇舱段缩比模型水下爆炸实验,验证耐压抗冲覆盖层的冲击防护机理和防护效果。原理性实验结果表明:敷设耐压抗冲覆盖层可以有效降低圆板湿表面冲量及圆板整体变形,冲量降低量为59%,圆板整体变形的平均降低量为41%。单壳体舱段缩比模型实验结果表明:敷设耐压抗冲覆盖层的潜艇缩比舱段与敷设消声瓦的结果相比可以有效降低壳体的加速度、速度及应变;当壳体冲击因子为0.3时,加速度、速度及应变峰值平均降低量为78.16%、67.79%和39.77%;当壳体冲击因子为0.35时,加速度、速度及应变峰值平均降低量为82.62%、70.98%和49.2%。此外,对单壳体潜艇舱段缩比模型开展了仿真研究,并与实验结果进行对比,验证了所建立的远场水下爆炸有限元模型的有效性。仿真结果表明敷设耐压抗冲覆盖层时传递到壳体的能量要远小于敷设消声瓦时的结果。当壳体冲击因子为0.3和0.35时,敷设耐压抗冲覆盖层时传递到壳体的能量峰值与敷设消声瓦的结果相比降低约77.6%和82.8%。