水面舰船设备冲击环境与结构抗冲击性能研究

论文摘要

现代舰船在海战中必然会面临非接触爆炸引起的冲击破坏问题。随着导弹、激光炸弹和水中兵器的快速发展,爆炸当量和冲击持续时间明显增加,为保证舰船的安全和正常使用,提高舰船生命力和战斗力,应对舰船设备冲击环境与舰船结构、设备抗冲击性能进行详细深入的研究。舰船承受水下爆炸载荷是舰船结构在很短的时间内在巨大冲击载荷作用下的一种复杂的非线性动态响应过程,属大变形、强非线性问题。它涉及到水下爆炸冲击波和舰船结构的相互耦合作用,同时水下爆炸还包含很多不确定因素,如水下爆炸的炸药类型、药量大小、炸药到结构的距离、水下环境、舰船自身结构的特点等。由于水下爆炸的复杂性,对其进行详细的理论研究并企图通过建立一个精确的数学模型而使水下爆炸问题得到完全解析是十分困难的。水下爆炸试验固然可以获得准确可靠的结果,但它是一种极其昂贵的破坏性试验,对环境及舰员产生巨大的损伤,不可能经常性的采用,而且问题本身的强非线性特征和不确定性也使试验结果存在很大的局限性。随着计算机技术和数值计算技术的发展,使得计算机虚拟仿真试验的作用地位日益突出,以数值仿真试验为主,实验试验为辅的技术路线开始成为大多数国家海军舰船抗冲击研究的有效途径,同时也成为今后舰船抗冲击技术的发展方向。本文采用理论分析、数值仿真和试验验证相结合的研究方法,对舰船结构及设备的抗冲击性能进行了深入的研究。通过对显式非线性有限元求解技术的消化吸收,研究了适合船舶水下爆炸分析的数值仿真方法,实现了炸药爆轰、水下爆炸荷载在水中传播、舰艇结构在水下爆炸载荷作用下的动态响应的仿真过程。计算分析获得舰船典型设备冲击环境,建立典型水面舰船设备冲击环境仿真预报的理论和方法,对舰船设备的冲击环境进行了仿真预报,在此基础上提出了快速简便、准确可靠的舰船设备冲击环境的预报公式,实现对大、中、小三型典型水面舰船设备冲击环境快速、准确预报,为进一步开展舰船设备抗冲击设计与研究打下了坚实的基础。同时本文还对舰船结构的抗冲击性能进行了详细的研究,探讨了典型舰船在非接触水下爆炸载荷作用下结构的变形破坏模式及损伤机理,在此基础上对新型抗冲击结构形式进行了探索,提出了吸能效果较好的四种新型结构形式,并进行水下爆炸模型试验,对上述数值仿真结果进行验证。本文的主要研究工作如下:(1)对爆轰波理论和炸药爆轰冲击波理论进行了研究,建立炸药爆轰和水下爆炸荷载在水中传播的数值仿真方法。采用大型通用有限元程序MSC.DYTRAN对水下爆炸载荷进行了数值模拟和分析,实现了水下爆炸全过程数值仿真,获得了水下爆炸载荷特点及变化规律。对水下爆炸载荷数值仿真技术进行了研究,探讨了爆炸水域范围、网格划分大小、流场边界条件、炸药和水等参数的确定方法,引入无因数综合网格尺寸系数,获得最佳网格尺寸,解决数值仿真结果的精度问题。研究砂土、砂岩、岩石、绝对刚性等不同水底介质对水中冲击波的影响效果。试验比较研究表明,本文的数值仿真方法能较好的模拟水下爆炸的爆轰过程及冲击波的传播过程。(2)对舰船在水下爆炸载荷作用下的动态响应进行数值仿真计算,获得大、中、小三型典型舰船结构与设备动态响应特点。提出了炸药量、爆距等爆炸冲击特征参数对典型舰船冲击响应的影响趋势,总结出了影响的规律,获得舰船典型设备冲击环境,并分析了无限水深与刚性底面海底条件以及舷侧不同角度爆炸等因素对水面舰船设备冲击环境的影响规律。(3)在水下爆炸载荷作用下舰船动态响应研究的基础上,分析典型舰船各主要设备位置处的位移、速度、加速度响应特点,绘制其冲击环境图谱,建立爆炸冲击因子、设备位置参数与冲击环境之间的关系。在此基础上,建立大、中、小三型典型水面舰船设备冲击环境仿真预报的理论和方法,对舰船设备的冲击环境进行了仿真预报,提出快速简便、准确可靠的舰船设备冲击环境的预报公式,实现对典型水面舰船设备冲击环境快速、准确预报。实例计算表明,此方法快速简便、准确可靠。(4)对水下爆炸载荷作用下舰船结构损伤模式及构件塑性变形能吸收特性进行了深入的研究。在吸能理论研究的基础上,提出了吸能效果好、结构材料轻、制造工艺简单、符合舰船设计要求的舰船双层底新型抗冲击结构形式,计算其抗冲击性能。分析舰船双层底船底纵桁填充泡沫材料后的舰船抗冲击性能及单层隔冲器和双层隔冲系统的隔冲效果。(5)在水面舰船冲击环境和结构抗冲击性能理论及有限元数值仿真研究的基础上,进行了舰船结构及设备抗冲击模型试验研究,获得水下爆炸荷载实际分布规律,验证了帽形结构(CS)、半圆管结构(STS)等新型结构形式的吸能效果以及不锈钢钢丝绳隔冲系统的抗冲击性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和研究目标
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 水下爆炸载荷研究现状
• 1.2.2 水下爆炸载荷作用下的舰船结构动响应研究现状
• 1.2.3 舰船生命力、舰船冲击环境及舰船抗冲击性能研究现状
• 1.3 舰船抗冲击技术研究特点及本文关注的问题
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第二章 水下爆炸载荷基本理论及其数值仿真方法研究
• 2.1 引言
• 2.2 炸药爆轰及冲击波基本理论
• 2.2.1 爆轰波的 CJ 基本理论
• 2.2.2 冲击波基本理论
• 2.3 水下爆炸载荷特点及半理论—半经验计算方法
• 2.3.1 水下爆炸载荷特点
• 2.3.2 半理论—半经验计算方法
• 2.4 基于MSC.Dytran 的水下爆炸全过程数值仿真
• 2.4.1 拉格朗日、欧拉有限元方法及材料状态方程
• 2.4.2 炸药爆轰现象的数值仿真
• 2.4.3 水下爆炸冲击波有限元数值仿真
• 2.4.4 气泡脉动现象的数值仿真
• 2.4.5 水面水冢现象的数值仿真
• 2.5 水下爆炸载荷数值仿真精度影响因素研究
• 2.5.1 爆炸水域范围的确定
• 2.5.2 网格划分大小的确定
• 2.5.3 水的材料状态方程参数的确定
• 2.5.4 流场边界条件处理
• 2.5.5 单元类型选择
• 2.5.6 不同水底介质条件对爆炸冲击波的影响研究
• 2.6 本章小结
• 第三章 水面舰船结构在水下爆炸冲击波载荷作用下动力响应研究
• 3.1 引言
• 3.2 水下爆炸流-固耦合算法
• 3.3 计算工况及观察点位置确定
• 3.3.1 计算工况
• 3.3.2 观察点位置确定
• 3.4 计算模型的建立
• 3.4.1 典型舰船结构的有限元模型
• 3.4.2 水域有限元模型
• 3.4.3 炸药模型
• 3.4.4 流固耦合计算模型及水域边界条件
• 3.5 典型大型舰船结构的动力响应分析
• 3.5.1 典型大型舰船位移响应分析
• 3.5.2 典型大型舰船速度响应分析
• 3.5.3 典型大型舰船加速度响应分析
• 3.5.4 典型大型舰船应力响应分析
• 3.6 无限水深情况与刚性底面海底条件对舰艇动响应影响的比较
• 3.7 舷侧不同角度爆炸对舰船动力响应的影响
• 3.8 本章小结
• 第四章 水面舰船及设备冲击环境仿真及预报研究
• 4.1 引言
• 4.2 冲击环境的基本概念及描述方法
• 4.3 冲击环境仿真及预报
• 4.3.1 典型大型舰船冲击环境的数值仿真结果
• 4.3.2 不同爆距、炸药量对冲击环境的影响
• 4.3.3 无限水深情况与刚性底面海底条件对设备冲击环境影响的比较
• 4.4 典型大型舰船设备位置、爆炸冲击因子与冲击环境关系
• 4.4.1 爆炸冲击因子概念及舰船设备瞬时响应谱和残余响应谱拟合方法
• 4.4.2 爆炸冲击因子与冲击环境关系
• 4.4.3 设备位置与冲击环境关系
• 4.4.4 计算结果验证
• 4.5 本章小结
• 第五章 舰船抗冲击新型结构形式及隔冲系统研究
• 5.1 引言
• 5.2 水下爆炸载荷作用下典型舰船结构损伤变形特性研究
• 5.2.1 典型舰船有限元计算模型
• 5.2.2 水下爆炸载荷作用下典型舰船结构损伤变形特性
• 5.2.3 塑性变形能吸收
• 5.3 结构吸能原理与舰船新型抗冲击结构形式概念设计
• 5.3.1 结构吸能原理概述
• 5.3.2 舰船结构抗爆性能评判标准
• 5.3.3 舰船新型抗冲击结构的概念设计
• 5.4 舰船双层底新型抗冲击结构形式抗冲击性能数值仿真研究
• 5.4.1 数学模型的建立
• 5.4.2 舰船双层底新型抗冲击结构形式抗冲击性能数值仿真结果及分析
• 5.4.3 泡沫材料对抗冲击性能的影响
• 5.5 舰船设备抗冲击防护的数值仿真研究
• 5.5.1 舰船设备的抗冲击防护概念
• 5.5.2 单层隔冲击系统的抗冲击性能研究
• 5.5.3 双层隔冲击系统的抗冲击性能研究
• 5.6 本章小结
• 第六章 舰船结构及设备抗冲击模型试验研究
• 6.1 引言
• 6.2 试验方案及模型设计加工
• 6.2.1 试验目的与方案
• 6.2.2 模型设计加工
• 6.3 试验条件及测试系统
• 6.3.1 试验条件
• 6.3.2 测试系统
• 6.4 试验结果及分析
• 6.4.1 试验过程及现象
• 6.4.2 水下爆炸荷载测量结果及分析
• 6.4.3 加速度测量结果及分析
• 6.4.4 变形量结果分析
• 6.5 试验结果和数值仿真计算结果的比较
• 6.6 本章小结
• 第七章 总结与研究展望
• 7.1 主要研究工作及结论
• 7.2 进一步研究工作展望
• 附录 水下爆炸有限元数值仿真基本理论
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文