改进的无网格计算方法及其在结构流固耦合冲击毁伤中的应用研究
发布时间：2020-12-12 10:02
随着水下制导技术的发展,舰船受到水下武器近场甚至接触爆炸作用的几率越来越高,这种近场水下爆炸产生的高压冲击波、气泡脉动和射流以及高速破片均会对舰船结构产生严重的毁伤。该物理过程涉及到气液固等多种介质的强非线性耦合作用,同时还伴随着结构的弹塑性损伤与动态断裂。针对传统有网格方法在该问题的数值计算中所面临的挑战,本文依据无网格SPH方法以及改进的重构核粒子法（Reproducing Kernel Particle Method,RKPM）,建立了流固耦合冲击作用下的结构毁伤计算模型,完全自主开发计算程序,旨在实现水下近场爆炸作用下结构毁伤的预报,为舰船抗水下爆炸防护设计提供基础性技术支撑。本文首先阐述了 SPH流体载荷计算模型,并针对SPH方法中的边界实施的新型数值技术进行了重点论述,在此基础上通过一系列数值算例对SPH流体计算模型的正确性和有效性进行了验证。核函数精度不足是SPH方法的一大缺陷,针对该问题,基于重构条件对传统SPH核函数进行修正,得到了二维的重构核函数。并依据Mindin-Reissner壳理论,建立了三维壳结构的退化实体表述。采用重构核函数对壳体运动量进行离散,在此基础...
【文章来源】：哈尔滨工程大学黑龙江省 211工程院校
【文章页数】：195 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２水下爆炸气泡和平板的相互作用（图片来??互联网）
格畸变的问题，同时又要能简洁地处理多相界面。无网格ＳＰＨ方法基于拉格朗日表??述，其物理场离散不依赖于网格非常适合处理大变形问题，同时能自动追踪多相界面如??图１．３和１．４的对比所示，这些特点使ＳＰＨ方法在水下爆炸领域极具优势。ＳＰＨ方法最早??由Ｇｉｎｇｏｌｄ和Ｍｏｎａｇｈａｎ１１３１以及Ｌｕｃｙ１１４１提出并应用于天体物理问题的数值模拟当中。此??后Ｍｏｎａｇｈａｎ对ＳＰＨ方法进行更深入的研宄和拓展，现在ＳＰＨ方法已被广泛应用于自??由表面流｜１５＿１６１、水下爆炸１１７＿１８１以及冲击碰撞１１９１等多种问题的求解当中。??ｔｓ〇８?ｔａＯ．１８?ｌｓ〇－２Ｓ??ｍｍｍ『轉??ｌｓ０．４￥?ＩｓＯ．ｆｉＳ?ｔａ０．８？??喊?????鑾ｆ?－?３．８?ｔ?－?１．８?ｔ?－?２１??图１．３?ＳＰＨ计算的简化封闭式油水分离器中的泡图１．４?Ｌｅｖｅｌ－ｓｅｔ计算得到的上浮气泡与自由表??状流（图片来自文献１２Ｇ１）?面相互作用（图片来自文献１２１１）??Ｆｉｇ?１．３?Ｂｕｂｂｌｙ?ｆｌｏｗ?ｉｎ?ａ?ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ?ｃｌｏｓｅｄ?ｏｉｌ－ｗａｔｅｒ?Ｆｉｇ?１．４?Ｂｕｂｂｌｅ?ａｎｄ?ｆｒｅｅ?ｓｕｒｆａｃｅ?ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ??ｓｅｐａｒａｔｏｒ?ｂｙ?ＳＰＨ?（Ｆｒｏｍ?Ｇｒｅｎｉｅｒ?ｅｔ?ａｌ．ｆ２０１）?ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ?ｂｙ?Ｌｅｖｅｌ－ｓｅｔ?（Ｆｒｏｍ?Ｙａｎｇ?＆?Ｓｔｅｒｎ［２１！）??当然ＳＰＨ方法也存在一些缺点，其中最主要的是ＳＰＨ核函数不满足归一性，导致??其计算精度较低
Ｆｉｇ?１．５?Ｄａｍａｇｅ?ｔｏ?ｔｈｅ?ｓｈｉｐ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｂｙ?ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ?ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ?（Ｆｒｏｍ?Ｉｎｔｅｒｎｅｔ）??在近场水下爆炸载荷作用下，舰船结构通常会发生较大的塑性变形甚至损伤断裂，??如图１．５所示，（ａ）中船体结构在爆炸载荷作用下产生了塑性凹陷；（ｂ）中船体被水雷攻击??后外板断裂产生了较大破口；（ｃ）中军舰受鱼雷攻击后从船舯折断沉没。近年来在工程应??用各个领域例如船舶制造、航空航天以及汽车等等，由于不断寻求结构的重量减轻以及??优化设计，对延性材料屈服断裂进行准确预测变得越来越重要，例如对图１．５（ｂ）（ｃ）中船??体断裂后的破口大小准确预测对舰船结构防护设计以及损管极为重要。随着数值技术的??发展，其己经具备了对材料应力状态、损伤模式、裂纹扩展路径和相应的承载能力进行??预测的能力，同时对于一些非常复杂的情况（例如水下爆炸结构毁伤、飞机机身及核容??器的裂纹等），数值模拟的应用大大节省了研究成本。从图１．５中可看出，水下爆炸载荷??对结构的毁伤就是船体产生塑性变形并进一步发生损伤并断裂的过程，壳体弹塑性损伤??模型以及裂纹拓展模型的建立对于数值模拟的实现至关重要。??壳结构的数值计算模型的建立主要有两种途径，一种是直接采用三维连续体％５８］途??径
【参考文献】：
期刊论文
[1]冲击波和高速破片联合作用下夹芯复合舱壁结构的毁伤特性[J]. 侯海量,张成亮,李茂,胡年明,朱锡. 爆炸与冲击. 2015(01)
[2]船用907A钢的动态力学性能和本构关系[J]. 李营,汪玉,吴卫国,杜志鹏,李晓彬,张玮. 哈尔滨工程大学学报. 2015(01)
[3]大型水面舰艇防雷舱结构防护机理数值仿真[J]. 唐廷,朱锡,侯海量,陈长海. 哈尔滨工程大学学报. 2012(02)
[4]基于罚函数SPH新方法的水模拟充型过程的数值分析[J]. 强洪夫,韩亚伟,王坤鹏,高巍然. 工程力学. 2011(01)
[5]水面舰艇舷侧防雷舱结构模型抗爆试验研究[J]. 朱锡,张振华,刘润泉,朱云翔. 爆炸与冲击. 2004(02)
博士论文
[1]水下近场爆炸对舰船结构瞬态流固耦合毁伤特性研究[D]. 明付仁.哈尔滨工程大学 2014
本文编号：2912342
【文章来源】：哈尔滨工程大学黑龙江省 211工程院校
【文章页数】：195 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２水下爆炸气泡和平板的相互作用（图片来??互联网）
格畸变的问题，同时又要能简洁地处理多相界面。无网格ＳＰＨ方法基于拉格朗日表??述，其物理场离散不依赖于网格非常适合处理大变形问题，同时能自动追踪多相界面如??图１．３和１．４的对比所示，这些特点使ＳＰＨ方法在水下爆炸领域极具优势。ＳＰＨ方法最早??由Ｇｉｎｇｏｌｄ和Ｍｏｎａｇｈａｎ１１３１以及Ｌｕｃｙ１１４１提出并应用于天体物理问题的数值模拟当中。此??后Ｍｏｎａｇｈａｎ对ＳＰＨ方法进行更深入的研宄和拓展，现在ＳＰＨ方法已被广泛应用于自??由表面流｜１５＿１６１、水下爆炸１１７＿１８１以及冲击碰撞１１９１等多种问题的求解当中。??ｔｓ〇８?ｔａＯ．１８?ｌｓ〇－２Ｓ??ｍｍｍ『轉??ｌｓ０．４￥?ＩｓＯ．ｆｉＳ?ｔａ０．８？??喊?????鑾ｆ?－?３．８?ｔ?－?１．８?ｔ?－?２１??图１．３?ＳＰＨ计算的简化封闭式油水分离器中的泡图１．４?Ｌｅｖｅｌ－ｓｅｔ计算得到的上浮气泡与自由表??状流（图片来自文献１２Ｇ１）?面相互作用（图片来自文献１２１１）??Ｆｉｇ?１．３?Ｂｕｂｂｌｙ?ｆｌｏｗ?ｉｎ?ａ?ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ?ｃｌｏｓｅｄ?ｏｉｌ－ｗａｔｅｒ?Ｆｉｇ?１．４?Ｂｕｂｂｌｅ?ａｎｄ?ｆｒｅｅ?ｓｕｒｆａｃｅ?ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ??ｓｅｐａｒａｔｏｒ?ｂｙ?ＳＰＨ?（Ｆｒｏｍ?Ｇｒｅｎｉｅｒ?ｅｔ?ａｌ．ｆ２０１）?ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ?ｂｙ?Ｌｅｖｅｌ－ｓｅｔ?（Ｆｒｏｍ?Ｙａｎｇ?＆?Ｓｔｅｒｎ［２１！）??当然ＳＰＨ方法也存在一些缺点，其中最主要的是ＳＰＨ核函数不满足归一性，导致??其计算精度较低
Ｆｉｇ?１．５?Ｄａｍａｇｅ?ｔｏ?ｔｈｅ?ｓｈｉｐ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｂｙ?ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ?ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ?（Ｆｒｏｍ?Ｉｎｔｅｒｎｅｔ）??在近场水下爆炸载荷作用下，舰船结构通常会发生较大的塑性变形甚至损伤断裂，??如图１．５所示，（ａ）中船体结构在爆炸载荷作用下产生了塑性凹陷；（ｂ）中船体被水雷攻击??后外板断裂产生了较大破口；（ｃ）中军舰受鱼雷攻击后从船舯折断沉没。近年来在工程应??用各个领域例如船舶制造、航空航天以及汽车等等，由于不断寻求结构的重量减轻以及??优化设计，对延性材料屈服断裂进行准确预测变得越来越重要，例如对图１．５（ｂ）（ｃ）中船??体断裂后的破口大小准确预测对舰船结构防护设计以及损管极为重要。随着数值技术的??发展，其己经具备了对材料应力状态、损伤模式、裂纹扩展路径和相应的承载能力进行??预测的能力，同时对于一些非常复杂的情况（例如水下爆炸结构毁伤、飞机机身及核容??器的裂纹等），数值模拟的应用大大节省了研究成本。从图１．５中可看出，水下爆炸载荷??对结构的毁伤就是船体产生塑性变形并进一步发生损伤并断裂的过程，壳体弹塑性损伤??模型以及裂纹拓展模型的建立对于数值模拟的实现至关重要。??壳结构的数值计算模型的建立主要有两种途径，一种是直接采用三维连续体％５８］途??径
【参考文献】：
期刊论文
[1]冲击波和高速破片联合作用下夹芯复合舱壁结构的毁伤特性[J]. 侯海量,张成亮,李茂,胡年明,朱锡. 爆炸与冲击. 2015(01)
[2]船用907A钢的动态力学性能和本构关系[J]. 李营,汪玉,吴卫国,杜志鹏,李晓彬,张玮. 哈尔滨工程大学学报. 2015(01)
[3]大型水面舰艇防雷舱结构防护机理数值仿真[J]. 唐廷,朱锡,侯海量,陈长海. 哈尔滨工程大学学报. 2012(02)
[4]基于罚函数SPH新方法的水模拟充型过程的数值分析[J]. 强洪夫,韩亚伟,王坤鹏,高巍然. 工程力学. 2011(01)
[5]水面舰艇舷侧防雷舱结构模型抗爆试验研究[J]. 朱锡,张振华,刘润泉,朱云翔. 爆炸与冲击. 2004(02)
博士论文
[1]水下近场爆炸对舰船结构瞬态流固耦合毁伤特性研究[D]. 明付仁.哈尔滨工程大学 2014
本文编号：2912342
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