舰船水下爆炸数值仿真及抗爆结构研究

论文摘要

现代战争中,对舰攻击武器的射程、精度和打击威力都有了极大提高,舰船面临的威胁日益严重。提高舰船生命力一直是舰船结构动力学的重要研究课题之一。为了增强舰船抗打击能力,至少需要完成三项复杂的工作:首先需要对作用于舰体的爆炸载荷进行研究,分析爆炸压力场的传播和分布特性;其次是深入研究和理解舰船结构在爆炸载荷作用下的响应破坏机理;最后是探讨提高舰船结构抗爆能力的有效途径,提出切实可行的抗爆措施。舰船爆炸问题按爆炸源划分,可以分为空中爆炸和水下爆炸两类;按与船体的相对位置关系可以分为接触爆炸和非接触爆炸。爆炸是炸药在极短的时间内,化学能量的剧烈释放过程,舰船在爆炸载荷作用下的响应具有高度非线性特征,并涉及到材料的失效破坏。同时流固耦合问题在舰船爆炸计算中不容忽视。因此试图通过建立精确的数学模型而使得舰船爆炸问题得到完全解析是不可能的。目前可行的方法是实验研究和数值仿真研究。特别是近十年来,数值仿真技术得到了飞速发展,舰船爆炸问题的数值仿真已经能够实现。另一方面,由于舰船爆炸实验费用巨大,不便于进行系列实验研究,从而分析总结规律,而且爆炸实验的实施也存在相当的难度,因此数值仿真研究已经发展成为舰船爆炸的主要研究手段之一。本文通过对显式非线性有限元技术的消化吸收,对舰船水下非接触爆炸进行了数值仿真研究。归纳了相关的数值仿真计算理论,总结了数值仿真中的关键技术。对炸药爆轰理论以及数值计算方法进行了阐述,研究了水下爆炸冲击波流场的传播及其分布特征,分析了爆炸流场与水中结构物的相互耦合作用,并在此基础上,对水下非接触爆炸冲击波载荷作用下舰船结构的响应和损伤机理进行了研究,提出了新型抗爆炸吸能结构形式,对其抗爆吸能特性进行了评估。本文主要研究工作及结论如下:1.对数值仿真计算的相关理论进行了归纳总结,在舰船水下爆炸数值仿真计算中,结构宜采用Lagrange单元描述,爆炸流场宜采用多材料Euler单元描述,两者之间采用流固耦合算法加以连接。在众多耦合算法中,ALE耦合面上结构与流场的节点相互重合,不必要进行耦合面重建分析,计算效率最高。数值仿真计算中必须考虑舰船结构单元的失效问题,单元失效应变与单元几何尺寸有关,需要根据材料拉伸数值仿真校准计算对不同尺寸单元的失效应变进行修正。2.炸药爆轰CJ假设结合炸药JWL状态方程,能够精确的计算炸药爆轰后的产物状态,数值计算中采用“Programmed burn”技术控制炸药单元的能量释放过程,模拟得到的炸药爆轰过程和爆轰CJ压力与实验值吻合较好,验证了本文炸药爆炸仿真计算的正确性。3.对水下爆炸冲击传播和衰减规律、冲击波比冲量,气泡脉动压力进行了详细论述,研究了舰船板格在水下爆炸载荷作用下的动态响应,对水下爆炸的载荷效应进行了评估。冲击波载荷具有峰值压力大,作用时间短的特点,是造成舰船局部结构变形和破裂的主要因素;气泡脉动压力对舰船局部结构的作用效果与流体静压相似,但是由于气泡脉动蕴含能量巨大,载荷频率接近舰船结构固有频率,容易引起舰船整体鞭状运动。4.基于流固耦合原理,需要将流场和结构作为一个总的动力学系统加以研究,在考虑流场反射和绕射的基础上,分析发现:冲击波载荷作用下,结构物表面的压力取决于入射波压力和结构变形产生的稀疏波,具体公式见(6.18)式;气泡脉动压力作用下,结构物表面的压力取决于入射波压力和结构附连水质量,具体公式见(6.19)式。5.应用非线性有限元动态分析技术,对水下非接触爆炸载荷作用下,舰船结构动态响应进行了数值仿真研究。计算中考虑炸药与船体的相对位置影响,分别计算了船底迎爆,舭部迎爆、舷侧迎爆三种情况,主要从结构的变形与破坏模式、组成构件的塑性变形能、内部冲击环境等方面对舰船动态响应进行了分析,给出了水下爆炸载荷在船体内的传递途径。研究发现水下爆炸载荷作用下,舰船舷侧结构相对较弱,损伤最大,结构破坏模式主要表现为船体外壳板格撕裂和内部支撑骨架的扭曲压溃变形。船体外壳连同纵骨直接受到爆炸冲击波载荷作用、横向骨架、舱壁对船体板架起到了很好的支撑作用,在冲击波载荷作用下上述三者是主要吸能构件。6.板格是舰船基本结构组成单元,在全船水下爆炸分析的基础上,研究了水下爆炸冲击波载荷作用下,舰船板格的破坏模式、中心最大变形、加速度响应幅值和动态应力应变状态。计算发现:在不考虑自身材料缺陷情况下板格主要表现为边缘撕裂破坏;中心最大变形主要取决于冲击波峰值与衰减时间常数的乘积;加速度响应幅值与冲击波峰值呈线性关系。7.从抗爆吸能角度来看,圆管具有变形行程长、结构反力和减速度稳定、宜于制造的优点,本文对侧向受缩圆管进行了专题研究,从变形过程、结构反力、塑性变形能三个方面分析了单管的能量吸收特性,并对齐排圆管与嵌套圆管的承载和吸能特性影响做了对比分析。单根侧向受压圆管的极限载荷与管壁厚度t的平方成正比,与半径R成反比。其他条件不变的情况下,为了提高单位质量圆管的极限载荷与吸能量,增加管壁厚度t是经济而有效的手段。8.在圆管抗爆吸能特性研究的基础上,本文提出了一种以圆管作为能量吸收单元的新型三明治抗爆炸板架结构形式。采用数值仿真方法,从抗爆和抗侵彻性能两个方面对新型板架的动态力学性能进行评估。爆炸载荷作用下,圆管的塑性变形耗散了大量冲击波能量,减小了爆炸冲击波对舰船主要构件的损伤,改善了舰船内部冲击环境,降低了冲击加速度响应峰值。另外,在抗鱼雷穿甲方面,与传统结构相比,新型结构具有明显优势。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 立题背景和研究目标
• 1.2 舰船水下非接触爆炸问题的一般特点
• 1.3 舰船水下爆炸的国内外研究现状
• 1.3.1 水下爆炸现象和爆炸流场研究
• 1.3.2 水中结构物在水下爆炸载荷作用下的动态响应研究
• 1.3.3 水下爆炸数值仿真方法研究
• 1.3.4 水下爆炸防护技术研究
• 1.4 舰船水下爆炸研究方法
• 1.5 本文主要研究内容
• 第2章 水下爆炸数值方法的基本理论和关键技术
• 2.1 Lagrange 方法和Euler 方法基本原理
• 2.1.1 Lagrange 方法
• 2.1.2 Euler 方法
• 2.2 Lagrange 方法和Euler 方法控制方程
• 2.2.1 Lagrange 方法控制方程
• 2.2.2 Euler 方法控制方程
• 2.3 时间积分法
• 2.3.1 显式中心差分法
• 2.3.2 Newmark 隐式时间积分法
• 2.3.3 显式算法与隐式算法的比较
• 2.4 Lagrange-Euler 耦合技术
• 2.4.1 一般耦合（General Coupling）
• 2.4.2 任意Lagrange-Euler 耦合（ALE）
• 2.4.3 一般耦合与ALE 耦合比较
• 2.5 本章小结
• 第3章 炸药爆轰及水下爆炸载荷
• 3.1 CJ 假定和RH 关系
• 3.2 炸药爆轰物态方程
• 3.2.1 Gamma 律状态方程
• 3.2.2 JWL 状态方程
• 3.3 炸药爆轰数值仿真
• 3.4 水下爆炸载荷
• 3.4.1 水下爆炸冲击波
• 3.4.2 气泡脉动
• 3.4.3 比冲量
• 3.5 水下爆炸流场数值仿真
• 3.5.1 冲击波压力场
• 3.5.2 水下爆炸现象
• 3.6 水下爆炸载荷效应评定
• 3.7 本章小结
• 第4章 水下爆炸冲击波载荷作用下舰船结构破坏机理
• 4.1 数值仿真计算模型
• 4.2 舰船水下爆炸数值仿真计算中的材料模型
• 4.2.1 应力－应变曲线
• 4.2.2 数值计算中材料最大塑性失效应变的修正
• 4.2.3 材料拉伸实验数值仿真校准研究
• 4.2.4 舰船945 钢材料动态应变率
• 4.2.5 舰船水下爆炸数值仿真中的Euler 材料模型
• 4.3 水下爆炸冲击波载荷作用下舰船船体结构变形
• 4.4 船体各组成部分爆炸吸能特性研究
• 4.5 舰船冲击环境
• 4.6 水下爆炸冲击波载荷在船体内的传递过程
• 4.7 本章小结
• 第5章 舰船板格在水下爆炸冲击波载荷作用下的响应
• 5.1 无限自由平板在冲击波作用下的运动
• 5.2 冲击波的绕射
• 5.3 空泡效应产生的判据
• 5.4 矩形固支板在冲击波载荷作用下的变形
• 5.5 空背板在水下爆炸载荷作用下动态响应数值仿真校准
• 5.6 水下爆炸冲击波作用下舰船板格响应数值仿真
• 5.6.1 计算模型
• 5.6.2 板格破坏模式与变形
• 5.6.3 加速度响应
• 5.6.4 应力与应变响应
• 5.7 本章小结
• 第6章 横向受压圆管吸能特性研究
• 6.1 圆管吸能原理
• 6.2 横向受压圆管抗爆吸能特性数值仿真分析
• 6.2.1 仿真模型
• 6.2.2 变形分析
• 6.2.3 圆管侧向受压反力
• 6.2.4 圆管吸能特性
• 6.3 横向受压圆管三明治结构研究
• 6.3.1 单层齐排圆管三明治结构吸能特性
• 6.3.2 嵌套圆管三明治结构吸能特性
• 6.4 本章小结
• 第7章 新型舰船抗爆结构
• 7.1 舰船新型抗爆吸能板架结构
• 7.2 抗爆性能分析
• 7.2.1 爆炸冲击变形
• 7.2.2 冲击塑性变形能
• 7.2.3 冲击环境
• 7.3 抗侵彻能力分析
• 7.3.1 计算方案
• 7.3.2 计算结果分析
• 7.4 静承载能力分析
• 7.5 本章小结
• 第8章 总结与展望
• 8.1 主要研究工作总结与结论
• 8.2 本文创新点
• 8.3 进一步研究工作展望
• 附录A 侧向受压圆管吸能特性曲线
• 附录B 板架冲击波环境响应
• 附录C 鱼雷撞击下板架结构塑性变形能曲线
• 附录D 舰船舱段简化模型静载分析
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士期间发表、录用的学术论文