鱼雷入水及其近场水下爆炸对舰船结构毁伤特性研究

发布时间：2020-11-05 04:00

　　 鱼雷由水面或空中发射平台发射并安全入水后,相比于远场水下爆炸,鱼雷近场水下爆炸载荷特性及其对结构的毁伤特性更为复杂。鱼雷近场水下爆炸主要通过水下爆炸冲击波载荷、爆炸弹片载荷及气泡射流载荷共同作用于舰船结构来实现,结构往往产生大变形、大破口等非线性破坏。当水下爆炸气泡与已产生破口的结构相互作用时,气泡的动态特性及其引起的射流特性较完整结构产生较大差异。鉴于鱼雷入水过程全非线性、近场水下爆炸载荷的复杂性及其对结构的强破坏性,开展鱼雷入水及其近场水下爆炸流固耦合研究对提高舰船结构设计及抗打击能力具有重要的意义。基于上述问题,本文从鱼雷入水冲击水动力特性及近场水下爆炸三类载荷(冲击波、弹片、射流载荷)基本特性研究入手,同时开展不完整边界条件下气泡射流特性试验研究,对鱼雷近场水下爆炸载荷作用下舰船毁伤模式及舰船设备一体化抗冲击进行研究。本文首先从鱼雷武器特点、水下爆炸基本现象及分类入手,对鱼雷头部入水及其近场水下爆炸对舰船毁伤特性的流固耦合基本现象进行阐述,并从理论、数值及试验三方面回顾国内外入水冲击水动力、近场水下爆炸载荷、水下爆炸气泡与复杂边界耦合特性、近场水下爆炸对舰船结构毁伤及舰船设备抗冲击一体化四方面的研究历史及现状,总结上述理论、试验及数值等研究工作中的不足,为本文后续的工作奠定了研究基础。基于SPH方法及耦合的欧拉-拉格朗日方法,建立本文鱼雷近场水下爆炸载荷及其对结构毁伤特性数值模拟方法。针对于鱼雷入水冲击问题,基于势流理论和边界元法,引入拓展坐标系技术和辅助函数方法,建立了鱼雷入水过程的全非线性数值模拟方法,研究了鱼雷垂直入水时和斜向入水时自由液面变化及鱼雷头部表面压力分布特性。针对于水下爆炸冲击波载荷及其对结构的毁伤问题,基于SPH方法建立了鱼雷接触爆炸载荷对舰船舷侧液舱毁伤数值模型,首先研究了水下自由场、沉底爆炸冲击波分布特性,分析了壁面、海底对冲击波反射及截断效应;在此基础上,研究了水下爆炸冲击波的产生及其在结构中的传播规律,给出了液舱宽度、外板厚度设计的参考依据,总结了鱼雷远场、近场及接触爆炸工况下冲击波对液舱结构的毁伤规律。针对高速爆炸弹片与射流载荷对舰船结构的毁伤与防护问题,基于SPH方法分别建立了鱼雷爆炸高速弹片正面与倾斜碰撞舰船舷侧液舱的数值模型及高速射流对舰船舷侧液舱的冲击毁伤计算模型,首先研究了不同液舱宽度、不同外板厚度、有无液舱外板和不同弹片入射角度对弹片速度和冲击波压力的衰减规律,给出了液舱宽度和外板厚度的设计参考依据。分析了射流冲击波产生及传播规律,得到了不同射流形状及速度对液舱结构的影响规律。针对复杂边界条件下水下爆炸气泡脉动特性及射流特性问题,采用低压电火花式气泡发生试验装置,结合高速摄影拍摄技术,对自由液面及复杂边界破口附近水下爆炸气泡动态特性开展了试验研究。首先研究了近自由液面下单层壁面破口附近水下爆炸气泡特性,得到了不同破口尺寸、不同爆距、不同爆炸角度及距自由液面不同深度对气泡脉动周期、射流速度及自由液面变化的影响规律,探索了近场水下爆炸气泡与自由液面、破口结构三者之间的耦合效应。在此基础上,为模拟舰船舷侧不同舱室在受到鱼雷攻击后舱室流场状态,选取满舱、半舱及空舱三种典型工况,研究了不同流场状态下带有破口的双层壁面附近水下爆炸气泡运动特性,得到了双层壁面和单层壁面破口附近气泡脉动特性差异规律及不同液舱状态下射流变化规律。针对鱼雷近场水下爆炸对大型舰船多层结构毁伤特性问题,基于水锤理论得到气泡射流载荷,采用GeersHunter半经验半解析模型得到冲击波载荷,将冲击波和气泡射流的总载荷加载到近场结构上,对不同爆距下大型舰船局部结构进行了强度校核,分析了不同板架的破坏模式,得到了鱼雷近场水下爆炸对目标舰船的毁伤特性,得到了设备及人员冲击环境安全区域,最后给出了舰船设备一体化抗冲击分析结果。
【学位单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：U674.70
【部分图文】：

鱼雷是一种可以自动推进，按照预定的航向和深度进行航行，或自动导向所攻击目标，当命中目标或距离目标较近时能自动爆炸，用以攻击目标水下部位的一种水中兵器。鱼雷通常由水面舰艇或水下潜艇携带，用以攻击敌方水面战斗舰艇和潜艇，也可由飞机或火箭携带，用于反潜或反舰作战，还可以用于攻击敌方港口和海岸重要的的水下设施，是各国海军现代化战争及未来海洋作战中不可代替的主战攻击武器，如图 1.1 所示。相对于水雷、导弹等其他海军武器，鱼雷武器具有如下特点：（1）自主攻击性强，特别是自导鱼雷，一旦捕获到攻击目标，能自动追击目标；（2）隐蔽性好，无论是何种发射平台，鱼雷绝大部分是在水下航行的水中兵器，可实施隐蔽打击；（3）破坏威力大，在同样当量炸药的情况下，水下爆炸时比空中爆炸威力要大得多。鱼雷战斗部装药量一般为200～500kg，打击舰艇的水下防护较为薄弱的部位和关键要害部位，易造成舰艇的沉没，如图 1.2 所示。特别在现代鱼雷采用自导、非触发引信后，其命中目标概率得到大大提高。（4）使用范围广，鱼雷可以用于反潜、攻击水面舰艇及航母、破坏海洋运输线、攻击重要水下设施。对于由水面舰艇、直升飞机、固定翼飞机及火箭助飞作为发射载体的鱼雷，从发射到攻击到目标过程中，涉及鱼雷入水和近场水下爆炸两个强非线性流固耦合问题，本文以此作为研究内容，重点关注鱼雷的水下爆炸载荷及其对舰船的毁伤效果。

鱼雷是一种可以自动推进，按照预定的航向和深度进行航行，或自动导向所攻击目标，当命中目标或距离目标较近时能自动爆炸，用以攻击目标水下部位的一种水中兵器。鱼雷通常由水面舰艇或水下潜艇携带，用以攻击敌方水面战斗舰艇和潜艇，也可由飞机或火箭携带，用于反潜或反舰作战，还可以用于攻击敌方港口和海岸重要的的水下设施，是各国海军现代化战争及未来海洋作战中不可代替的主战攻击武器，如图 1.1 所示。相对于水雷、导弹等其他海军武器，鱼雷武器具有如下特点：（1）自主攻击性强，特别是自导鱼雷，一旦捕获到攻击目标，能自动追击目标；（2）隐蔽性好，无论是何种发射平台，鱼雷绝大部分是在水下航行的水中兵器，可实施隐蔽打击；（3）破坏威力大，在同样当量炸药的情况下，水下爆炸时比空中爆炸威力要大得多。鱼雷战斗部装药量一般为200～500kg，打击舰艇的水下防护较为薄弱的部位和关键要害部位，易造成舰艇的沉没，如图 1.2 所示。特别在现代鱼雷采用自导、非触发引信后，其命中目标概率得到大大提高。（4）使用范围广，鱼雷可以用于反潜、攻击水面舰艇及航母、破坏海洋运输线、攻击重要水下设施。对于由水面舰艇、直升飞机、固定翼飞机及火箭助飞作为发射载体的鱼雷，从发射到攻击到目标过程中，涉及鱼雷入水和近场水下爆炸两个强非线性流固耦合问题，本文以此作为研究内容，重点关注鱼雷的水下爆炸载荷及其对舰船的毁伤效果。

导引和控制下准确的命中预设目标。鱼雷战斗部内装有高能炸药，以水下爆炸冲击波、爆轰产物、气泡射流等为主要的毁伤元素。鱼雷战斗部炸药引爆方式通常可分为两种：（1）撞击爆炸，即发生水下接触爆炸，鱼雷在其战斗部内装有触发引信，当鱼雷撞击舰船时会产生的巨大动能而触发引信发生爆炸；（2）抵近目标后自动爆炸，即发生水下近场爆炸，现代先进鱼雷多采用自导、非触发引信，当鱼雷从舰底穿行或舰舷一侧通行时，鱼雷引爆装置内部接收器感应的物理场不同，随即输出引爆信号，引爆鱼雷。鱼雷战斗部发生水下爆炸后，产生高速的爆炸弹片及高达数 Gpa 冲击波，冲击波向四周传播并不断衰减；随后形成的爆炸气泡先膨胀到最大后回缩，并不断脉动上浮直至完全塌陷，同时产生气泡脉动载荷及射流载荷。当鱼雷水下爆炸冲击波到达舰船结构表面时会发生明显的反射、折射及绕射现象，舰船结构在鱼雷水下爆炸产生的弹片载荷、冲击波载荷和气泡脉动载荷及射流载荷的作用下会产生刚性位移、弹性变形或塑性破坏。水下爆炸的力学效应可用来破坏水面战斗舰艇及水下潜艇等，对舰艇生命力构成严重的威胁，受到各海军强国的重视，图 1.3 和 1.4 给出典型的水下近场爆炸和水面舰船遭遇水下爆炸破坏现象。
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本文编号：2871096