考虑空化和应变率效应的水下爆炸舰船响应研究

发布时间：2020-03-27 21:24

【摘要】：当水下爆炸发生时,除产生冲击波和气泡载荷以外,还会产生空化现象,空化区域溃灭时产生的二次加载作用会对结构响应产生较大的影响。对于金属材料,其力学性能是与应变率相关的,材料的本构关系与水下爆炸等现象仿真的精度直接相关。为了准确预测舰船结构在水下爆炸载荷作用下的结构变形和损伤模式,研究船用钢在冲击载荷下的动态力学性能并建立本构模型显得尤为重要。因此,考虑空化效应和应变率的影响,对准确评估水下爆炸作用下舰船结构的动响应具有重要意义。本文对应变率效应和水下爆炸空化效应对近水面舰船结构冲击响应的影响开展了全面深入的研究。采用MTS拉伸和Hopkinson压杆技术开展EH36高强度钢的抗冲击性能的试验研究,获得冲击状态下材料的本构模型。在此基础上,对典型船用加筋板结构和舰船结构进行了水下爆炸数值模拟,对比分析了考虑和不考虑空化效应两种情况下结构的动态响应。具体研究内容如下:(1)根据Arons方法计算得到任意当量的不同类型炸药在任意爆炸深度下形成的空化区域边界,为水域有限元模型范围的选取提供理论依据。运用声-固耦合法模拟水下爆炸冲击波产生的空化效应,计算结果和试验结果吻合度较好,验证了运用流固耦合声学有限元方法计算空化效应的准确性。(2)运用MTS材料试验机和分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置对EH36钢进行了准静态和动态力学性能试验,获得了EH36钢在低应变率和高应变率下的应力应变曲线,发现EH36钢为应变率敏感性材料,具有明显的应变率硬化效应。通过对试验数据的分析,基于Cowper-Symonds模型拟合了其粘性参数和应变率硬化参数,建立EH36钢的本构模型。利用有限元软件ABAQUS对试验进行了数值模拟,与试验结果进行对比分析,验证了本构模型的准确性。(3)以舰船典型位置的加筋板结构为研究对象,采用声-固耦合法分析了典型加筋板遭受水下冲击波载荷的动态响应。对比分析了考虑空化效应与不考虑空化效应两种情况下加筋板结构的位移、加速度、速度等响应,分析了水域中冲击波传播及水域压力变化,讨论了空化现象以及空化效应对加筋板的二次加载作用。结果表明,二次加载持续时间为冲击波持续时间的数倍,二次加载引起的加速度峰值甚至大于冲击波引起的加速度峰值;考虑空化效应时,速度衰减时间变得缓慢,增加了载荷对结构的作用时间,结构的垂向位移明显增大。(4)选取某舰船典型舱段,建立结构的有限元模型,研究舰船结构在水下爆炸作用下的动力响应特性。讨论了水域中冲击波的传播及空化区域随时间的变化情况,对比分析了考虑与不考虑空化效应两种情况下舱段结构典型位置的动响应。结果表明,空化区域溃灭产生的二次加载作用会对结构响应产生较大影响,二次加载作用下结构振动更剧烈,载荷作用时间更长。在考虑空化效应的前提下,分别研究了药包在不同深度、不同舷侧角度爆炸时,舱段结构典型位置的加速度、速度、位移等响应量的时历曲线,讨论了舱段典型位置各响应量峰值的变化规律。
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U674.7

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本文编号：2603408