随着对船舶舒适性和安全性要求的提高,减振降噪与抗爆抗冲击性能设计成为船舶设计中关键问题。分析减振降噪与抗爆抗冲击结构的作用机理,可知这类结构需同时具有两类性能:高效隔离或吸收外来能量的性能;承载性能,具有适当的刚度,抵抗外载荷造成的变形,具有一定强度起到主结构作用。即,强调结构承载性与特殊功能性的综合。传统的船用减振降噪及抗爆抗冲击材料和结构大多由常规材料与结构构成,其减振和抗冲击性能难有大的突破,必须考虑新的设计理念,采用新的结构形式或材料。本文以舰船新概念基座减振降噪设计、新型舷侧防护结构设计和缓冲型船艏设计为切入点,探索船舶负泊松比超材料结构设计方法及减振抗冲击机理。涵盖:宏观负泊松比效应内六角蜂窝基座隔振系统减振抗冲击机理、优化设计理论及试验验证技术研究;宏观负泊松比效应内六角蜂窝舷侧夹芯防护结构空中、水下弹体侵彻及水下抗爆性能研究;针对真实船船碰撞事故,船船碰撞事故评估流程的建立,宏观负泊松比效应超材料船艏耐撞性能数值分析及吸能机理研究。论文主要内容如下:(1)文献综述国内外船用隔振系统、夹芯舷侧防护结构、缓冲型船艏与负泊松比超材料结构减振抗冲击的研究现状、研究方法和发展趋势,介绍本文研究背景及研究内容。(2)开展负泊松比效应超材料胞元力学性能理论研究。推导了内六角、星型和箭头型超材料胞元泊松比及相对密度的解析表达式,探讨了胞元几何参数对其力学性能影响规律,并通过内六角蜂窝胞元频响试验验证了理论研究成果。(3)开展新型船用抗冲击与低频隔振性能兼顾的超材料基座设计理论和方法研究。设计具有宏观负泊松比效应和正泊松比效应的超材料基座,探讨蜂窝芯总质量不变情况下,蜂窝层数及胞元壁厚对基座隔振性能和抗冲击性能的影响规律,得到蜂窝胞元壁厚对基座强度、固有频率、振级落差和抗冲击性能影响曲线。研究表明,蜂窝芯质量相等时负泊松比蜂窝隔振系统隔振效果优于正泊松比蜂窝隔振系统,且负泊松比蜂窝基座抗冲击性能更稳定。对负泊松比效应复合基座的减振抗冲击性能进行了动力学优化设计,得到减振及抗冲击性能兼顾的组合超材料基座,这是目前常规基座难以达到的。负泊松比效应超材料蜂窝基座的静力、模态和频响试验结果验证了上述研究结论。(4)研究空中及水下弹体对宏观负泊松比效应超材料夹芯防护结构撞击、侵入和穿透机理。对比传统防护结构(单层钢板和双层钢板)发现,等材料用量情况下,弹体侵彻后负泊松比效应内六角蜂窝夹芯防护结构面板和背板均未出现大面积塑性变形,结构剩余强度更高,结构抗冲击性能明显优于传统防护结构。通过减小胞元层数和增大蜂窝胞元壁厚和胞元泊松比,可大幅改善负泊松比效应内六角蜂窝夹芯防护结构抗穿甲能力。(5)研究新型负泊松比效应内六角蜂窝夹芯防护结构水下近场非接触爆炸载荷作用下抗爆机理及设计方法。探讨等质量和等胞元壁厚蜂窝夹芯防护结构负泊松比效应强弱对防护结构水下抗爆性能的影响,研究表明:等材料用量的情况下,新型负泊松比效应内六角蜂窝夹芯防护结构水下近场非接触爆炸防护效果明显优于传统防护结构。即使蜂窝夹芯防护结构背板有破口,由于压阻效应,蜂窝芯层对破口也能进行很好的填充,适当增加蜂窝胞元层数并增大胞元泊松比可增强蜂窝夹芯防护结构水下抗爆性能。负泊松比内六角蜂窝夹芯防护结构的防护性能受胞元形状、胞元壁厚、胞元层数和胞元泊松比等参数的共同影响,应用优化设计的方法对不同参数进行协调处理可以达到最优的防护性能。(6)提出船船碰撞事故数值模拟与评估通用流程,并对某真实船船碰撞事故进行数值仿真计算和评估。采用结构动力学有限元数值仿真技术以及声学数值仿真技术,根据事故船舶装载及航行状态,对两船碰撞过程、碰撞导致的船体振动以及产生的噪声进行数值仿真计算。根据相关国际标准与行业标准探讨驾驶室工作人员对碰撞的感知情况,为解决船船碰撞事故纠纷提供参考。借鉴负泊松比超材料结构良好的吸能抗冲击特性,提出具有宏观负泊松比效应的蜂窝球鼻艏结构,对其耐撞性能进行了数值分析。研究表明,等质量情况下负泊松比效应蜂窝球鼻艏耐撞性优于传统球鼻艏,具有良好应用前景。