基于通用程序的水下爆炸及其对结构作用的数值模拟研究

论文摘要

本学位论文的工作主要是运用AUTODYN、ABAQUS和LS-DYNA这三个通用程序,研究水下爆炸及其对平板、圆柱壳和鱼雷壳体结构的作用。研究内容包括:（1）水下爆炸过程的数值模拟研究;（2）基于Taylor平板理论和DAA方法的ABAQUS程序的二次开发及其应用;（3）深水爆炸冲击波作用下圆柱壳动态响应的数值模拟研究;（4）对于LS-DYNA程序远场水下爆炸模拟方法的修正;（5）水下爆炸冲击波毁伤鱼雷的终点效应初步分析;（6）近场和远场水下爆炸冲击波作用下鱼雷壳体结构动态响应的数值模拟研究。第一章:介绍了本文的研究对象、研究方法和研究背景,综述了国内外相关研究的进展,简要介绍了所采用的通用程序,并给出了模拟结果的验证方法。第二章:运用AUTODYN程序的一维模拟方法,对无限水域中的水下爆炸冲击波以及深水爆炸冲击波和气泡脉动进行了数值模拟研究,并将模拟结果与经验公式、理论公式和实验结果进行了比较。最后总结了模拟结果,得出了对工程应用有益的结论。第三章:根据Taylor平板理论和一阶逼近DAA方法,建立了水下爆炸冲击波作用下结构高频响应时湿面的总压力载荷的计算模型,并将该模型嵌入到了ABAQUS程序的用户子程序当中,完成了ABAQUS程序的二次开发,从而实现了在不建立流场模型的情况下平板和圆柱壳结构的水下爆炸冲击响应模拟。并根据平板和圆柱壳的水下爆炸实验结果验证了该方法的模拟精度。第四章:基于通用程序ABAQUS,运用静力分析和动力分析相结合的研究方法,对深水环境中圆柱壳在水下爆炸冲击波作用下的动态响应进行了数值模拟研究,分析了深度、爆心方位和预应力对圆柱壳动态响应的影响,研究了圆柱壳的破坏载荷和破坏模式随深度而变化的规律。第五章:对水下爆炸冲击波硬毁伤鱼雷的终点效应进行了初步分析,建立了该问题的分析模型,并以此得到了简化模型。然后分析了水下爆炸冲击波毁伤鱼雷过程中主要的影响因素,并根据现有条件确定了研究思路。然后,针对LS-DYNA程序在计算远场水下爆炸时存在的不足,提出了等效质量法,并验证了该方法的有效性。在此基础上模拟了鱼雷壳体结构在远场水下爆炸作用下的动态响应,研究了鱼雷内部构件的惯性效应对于壳体毁伤的影响,分析了鱼雷壳体的冲击环境。最后,运用LS-DYNA模拟了鱼雷壳体结构在近场水下爆炸冲击波作用下的动态响应,研究了鱼雷壳体的毁伤规律,分析了鱼雷内部构件的影响,研究了鱼雷不同舱室壳体的冲击环境和易损性。第六章:总结了研究结果,并给出了下一步研究工作的建议。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 通用程序在水下爆炸模拟中的应用
• 1.2.2 相关研究现状
• 1.2.3 国内利用通用程序模拟水下爆炸所存在的问题
• 1.3 本文工作及特色
• 1.4 数值模拟工具简介
• 1.5 模拟结果的验证
• 2 水下爆炸冲击波和气泡脉动的数值模拟研究
• 2.1 模拟方法和状态方程
• 2.2 无限水域中球形装药的水下爆炸冲击波的数值模拟
• 2.3 深水爆炸冲击波和气泡脉动的数值模拟
• 2.3.1 问题简化
• 2.3.2 算例Ⅰ
• 2.3.3 算例Ⅱ
• 2.4 与国外文献计算结果的比较
• 2.5 本章小结
• 3 基于ABAQUS二次开发的基本结构水下爆炸冲击塑性响应模拟
• 3.1 理论背景
• 3.1.1 Taylor平板理论
• 3.1.2 一阶逼近DAA方法的简化
• 3.1.3 入射波和局部空泡的模拟
• 3.2 ABAQUS程序的二次开发和验证
• 3.2.1 平板结构的水下爆炸塑性响应算例
• 3.2.2 与ABAQUS/Explicit的比较
• 3.2.3 圆柱壳的水下爆炸冲击塑性响应算例
• 3.3 本章小结
• 4 深水环境中水下爆炸冲击波作用下圆柱壳动态响应的数值模拟研究
• 4.1 研究方法与算法简述
• 4.2 有限元建模与模型验证
• 4.2.1 有限元计算模型
• 4.2.2 水下爆炸冲击波载荷
• 4.2.3 计算模型的验证
• 4.3 圆柱壳动态响应的影响因素分析
• 4.3.1 深度
• 4.3.2 爆心方位
• 4.3.3 预应力
• 4.4 圆柱壳的破坏
• 4.5 本章小结
• 5 水下爆炸冲击波对鱼雷毁伤的终点效应研究
• 5.1 研究背景
• 5.2 水下爆炸冲击波毁伤鱼雷的终点效应分析
• 5.2.1 鱼雷的结构特点
• 5.2.2 终点效应分析
• 5.2.3 研究思路
• 5.3 水下爆炸冲击波毁伤鱼雷壳体结构的数值模拟研究
• 5.3.1 ALE算法
• 5.3.2 LS-DYNA计算远场水下爆炸的不足
• 5.3.3 等效质量法
• 5.3.4 远场水下爆炸冲击波毁伤鱼雷壳体结构的数值模拟
• 5.3.5 近场水下爆炸冲击波毁伤鱼雷壳体结构的数值模拟
• 5.4 本章小结
• 6 主要结论、创新点和进一步研究的建议
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文的情况
• 致谢