水下爆炸作用下结构的动态响应分析

论文摘要

水下爆炸需要考虑五个部分：冲击波、空泡及气泡、射流、流固耦合现象、结构的动态响应。本文采用了理论分析以及数值模拟的方法求解了水下爆炸时近场产生的气泡脉动流场,继而对气泡脉动压力作用下板的响应进行分析。然后将水下声能与爆炸冲击波相联系,利用流固耦合方法分析了远场定向冲击波对圆柱壳的破坏以及对柱体的振动响应,为水下声能技术对远场目标打击提供了依据。首先对水下近场爆炸产生的气泡进行了分析,按照一维不可压缩流体非定常运动理论,考虑加入了虚拟力做功的方式,改进了已有的水中爆炸气泡脉动规律的方程。计算结果与实验值对比分析可知,加入的虚拟力使理论公式所计算的气泡脉动的周期,速度等值与实际情况近似吻合。对水中气泡脉动压力分布规律方程再进行改进,加入了气泡能的影响,所得结果相对来说较以往分析结果更加符合实际情况。继而计算了气泡脉动压力对固支圆板作用进行了响应分析。在近场气泡脉动下,把气泡脉动载荷处理为球面波,然后将其作用到固支圆板上。通过Ritz方程计算了圆板的挠度计算公式,根据所得数据拟合得到一个统一公式,由此式可以计算出一定条件下任意厚度板的最大挠度。根据挠度变化图得出结论,在脉动压力波作用下,圆板中心最容易发生破坏。在板厚较薄的情况下,圆板边界也很可能发生破坏。根据水下声能技术以及水下爆炸的特点,建立了两者之间的联系,给出了水下声能技术中声学参数转换成远场的冲击波压力的转换公式。将声学参数转换成了水下爆炸冲击波参数,进行了冲击波作用下圆柱壳的强度分析计算。根据远场冲击波的特点,将其假定为平面波直接施加在离壳体附近的一小层水面上。然后利用LS-DYNA中的流固耦合分析方法,.对圆柱壳体在30m处的水下定向声能作用下的强度进行了仿真计算。结果表明,声源级280dB以上的水下定向冲击波即可对30m处的圆柱壳体进行一定的破坏。然后又模拟了柱体在受到距水下定向声能源100m处作用时的动态响应。当大能量冲击波压力作用到柱体上时,柱体的加速度响应迅速达到峰值,峰值大且波形陡峭。但是由于柱体与水耦合导致柱体的振动能量散失很快,随着时间的增加,响应迅速减小。在向柱体发射定向冲击波时,应尽量从其径向入射,这样更容易引起其内部仪器等的破坏,达到更好的冲击效果。若加速度达到30g时可能引起内部元器件失效或者破坏,按照这一标准来检测柱体振动引起的破坏情况,则当声源级≥280dB时在距其100m处就有可能会使其内部仪器因振动而发生破坏。本文所做内容为水下定向声能技术为对近舰目标进行打击提供了理论以及数值依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 本课题研究的背景
• 1.2 水下爆炸研究综述
• 1.2.1 水下爆炸基本现象
• 1.2.2 水下爆炸试验的研究综述
• 1.2.3 水下爆炸理论的研究综述
• 1.2.4 水下爆炸数值计算的研究综述
• 1.3 结构在水下爆炸作用下的动态响应研究综述
• 1.3.1 理论研究
• 1.3.2 试验研究
• 1.3.3 数值仿真研究
• 1.4 本文的主要研究工作
• 第2章 近场水下爆炸气泡脉动流场的数值模拟
• 2.1 引言
• 2.2 水中爆炸气泡脉动流场的数值模拟
• 2.2.1 基本假设
• 2.2.2 基本方程的建立
• 2.2.3 基本方程的求解
• 2.2.4 计算结果及分析
• 2.3 改进的气泡脉动流场的数值模拟
• 2.3.1 引入虚拟力
• 2.3.2 方程求解
• 2.3.3 计算结果及分析
• 2.3.4 气泡能
• 2.4 经验公式
• 2.4.1 二次压力波峰值
• 2.4.2 气泡最大半径及达到最大半径时间
• 2.4.3 经验公式与理论计算结果比较
• 2.5 本章小结
• 第3章 固支圆板在气泡脉动压力作用下的响应
• 3.1 引言
• 3.2 气泡脉动荷载的处理
• 3.3 气泡脉动载荷对固支圆板的作用
• 3.3.1 基本假设
• 3.3.2 计算模型
• 3.3.3 脉动压力对固支圆板的作用
• 3.4 圆板的响应分析
• 3.4.1 圆板的挠度计算公式
• 3.4.2 圆板的弯曲应变能
• 3.4.3 圆板的伸缩应变能
• 3.4.4 圆板的载荷势能
• 3.4.5 圆板挠度
• 3.5 算例与分析
• 3.6 冲击波对圆板的响应计算
• 3.7 本章小结
• 第4章 水下定向声能与爆炸冲击波
• 4.1 引言
• 4.2 水下定向声能
• 4.3 水下爆炸冲击波
• 4.3.1 水中冲击波的特点
• 4.3.2 爆轰产物的状态方程
• 4.3.3 水中初始冲击波的形成
• 4.3.4 冲击波的传播与衰减
• 4.4 水中冲击波的经验公式
• 4.4.1 水中冲击波超压的计算
• 4.4.2 水中冲击波压力随时间的衰减规律
• 4.5 声能参数的转换
• 4.5.1 声源级
• 4.5.2 装药量计算
• 4.6 本章小结
• 第5章 远场定向冲击波作用下圆柱壳的强度分析
• 5.1 引言
• 5.2 圆柱壳的强度计算
• 5.2.1 受力分析与简化模型
• 5.2.2 简化梁带的弯曲微分方程的解
• 5.2.3 壳板剖面应力
• 5.3 流固耦合计算中ALE方法
• 5.4 冲击波对圆柱壳体作用的数值仿真
• 5.4.1 冲击波的平面加载法
• 5.4.2 有限元模型及单元设置
• 5.4.3 材料参数以及相应的关键字
• 5.5 仿真结果
• 5.5.1 直径324mm圆柱壳体
• 5.5.2 直径533mm圆柱壳体
• 5.6 与理论计算结果的比较
• 5.7 本章小结
• 第6章 柱体在远场水下定向冲击波作用下的响应分析
• 6.1 引言
• 6.2 柱体的结构以及组成
• 6.2.1 直径324mm柱体质量分布
• 6.2.2 直径533mm柱体质量分布
• 6.3 柱体结构的动态特性分析
• 6.3.1 振动微分方程
• 6.3.2 场迁移矩阵
• 6.3.3 点迁移矩阵
• 6.3.4 用迁移矩阵法求解柱体的固有频率
• 6.4 附连水质量对柱体振动的影响
• 6.5 柱体的固有频率
• 6.6 远场定向冲击波对柱体响应的仿真计算
• 6.6.1 有限元模型
• 6.6.2 定向冲击波作用下柱体的动态响应仿真计算
• 6.6.3 结果分析
• 6.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢