水下近场爆炸对舰船结构瞬态流固耦合毁伤特性研究
发布时间：2021-03-10 17:44
舰船水下近场爆炸或接触爆炸对结构的毁伤往往是致命的,严重威胁舰船的生命力,故研究水下近场或接触爆炸载荷特性及其对船体结构的毁伤机理意义重大。不同于中远场水下爆炸,近场或接触爆炸载荷主要包括冲击波、非对称气泡脉动、高速破片、爆轰气水混合物喷溅、气泡射流等,这些载荷本身往往具有高温、高压、高速瞬态强冲击等特点,作用过程经常伴有大变形、撕裂、砰击以及飞溅等现象,对近场结构的毁伤往往呈高度的非线性,不可修复。本研究瞄准了近场或接触爆炸不同类型的载荷,通过改进无网格光滑粒子流体动力学方法（SPH）的流固耦合数值模型及其与网格算法耦合的数值模型,如有限元法（FEM）和边界元法（BEM）,同时结合既有的实验和解析理论结果进行验证,实现对近场或接触爆炸不同载荷特性的认识,以及不同载荷对结构的毁伤特性和机理性问题的探索。本文首先根据检索结果将近年来水下爆炸研究领域国内外具有代表性的研究工作进行了简要回顾,然后重点针对水下近场爆炸的冲击波和气泡脉动载荷、高速破片载荷、水气混合射流载荷等方面的研究现状,确定了现阶段研究的盲点与不足:近场冲击波载荷认识不清、缺少数据支撑,高速破片载荷的毁伤及防护缺少系统性的设...
【文章来源】：哈尔滨工程大学黑龙江省 211工程院校
【文章页数】：248 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１水下爆炸的主要载荷分类??Ｆｉｇ．?１．１?Ｔｈｅ?ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ?ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ?ｌｏａｄｓ??当今世界，越来越多的军事强国将目光转向了深邃的蓝，
因此许多西方军事强国不仅通过使用高强度材料对现役航母、大中型水面舰船??及潜艇进行加固处理，同时还通过设计典型防护结构等诸多措施来提高舰船的抗爆、抗??冲击和抗沉能力，如图１．３所示。??Ａ?ｊ￣??－｜?Ｉｎｎｅｒ?Ｐｌａｔｅ?ｏｆ?Ｏｕｔｅｒ?Ｐｌａｔｅ?ｏｆ??Ｌ?Ｌｉｑｕｉｄ?Ｃａｂｉｎ?＾?Ｌｉｑｕｉｄ?Ｃａｂｉｎ???????Ｖ?ａｃａｎｔ?＊＾＾ｉｑｕｉｄ?＾Ｖａｃａｎｔ??一一－Ｃａｂｉｎ?Ｃａｂｉｎ?Ｃａｂｉｎ??，?、、?？、、、??／?、、ｓｈｏｃｋ?ｗａｖｅｓ?Ｄｅｆｅｎｓｉｖｅ??＼?｛［?〇?ｒ；；?一懷＃??＇、、、／?／?；?／＾＾ｒｉｏｃｌｗａｖｅｓ??＼?＼?＼?Ｂｕｂｂｌｅ?＾?，?，?ｊＣ??＼?、?、？＿一，?／?，?、?＼?Ｂｒｏａｄｓｉｄｅ?Ｐｌａｔｅ??、、?、?’?，，?＼?Ｗａｔｅｒｐｒｏｏｆ??（ａ）非接触爆炸的总体破坏?（ｂ）接触爆炸的局部破坏??（ａ）?ｔｈｅ?ｔｏｔａｌ?ｄａｍａｇｅ?ｏｆ?ｎｏｎ－ｃｏｎｔａｃｔ?（ｂ）?ｔｈｅ?ｌｏｃａｌ?ｄａｍａｇｅ?ｏｆ?ｃｏｎｔａｃｔ??ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ?ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ??图１．２水下爆炸对舰船结构的破坏??Ｆｉｇ．?１．２?Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ?ｄａｍａｇｅ?ｃａｕｓｅｄ?ｂｙ?ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ?ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ??为了满足新武器时代的需求，近年来国内外众多学者已经研究目标投向了近场水下??爆炸问题。但是，由于舰船水下近场爆炸过程涉及炸药爆轰、爆轰气水混合物膨胀飞溅、??波在多层异相介质中入射、反射和透射、结构大变形甚至撕裂破碎等等
舰船的破损情况进行了数据统计，总结出的接触爆炸破口大小的经验公式至今仍有很大??的参考价值。自９０年代开始以美国为首的海军强国进行了系列的舰船水下爆炸研究，??其中包括了接触爆炸实验，如图１．４所示。美国于２００５年用鱼雷等武器对一艘退役航空??母舰实弹攻击，得到了珍贵的实验数据；美国海军和澳大利亚海军（２００８）进行了海上??鱼雷实弹打靶实验，证实了舰船龙骨下方接触爆炸对舰船总体结构（主要是总纵强度）??产生严重毁伤，在一定条件下可使舰船从中部折断。但是，由于舰船水下爆炸实验研究??多涉及军事秘密，公开发表的文献十分罕见，具体研究内容及成果＋得而知。??ｔ．娜??图１．４舰船遭受接触爆炸破坏（图片来ｔ］互联网）??Ｆｉｇ．?１．４?Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ?ｄａｍａｇｅ?ｃａｎｓｅｄ?ｂｙ?ｃｏｎｔａｃｔ?ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ?（Ｆｒｏｍ?Ｉｎｔｅｒｎｅｔ）??国外许多学者针对简单规则结构也进行了基础性实验研究。南非科学家Ｎｕｒｉｃｋ和其??合作者自９０年代以来针对爆炸载荷作用下简单规则结构响应开展了许多机理性实验，??得到了方板和圆板在不同冲击因子作用下的结构响应特征。Ｎｕｒｉｃｋ和Ｓｈａｖｅ?（１９９１）?［１７１??６??
【参考文献】：
期刊论文
[1]Three-dimensional numerical simulation of crown spike due to coupling effect between bubbles and free surface[J]. 韩蕊,张阿漫,李帅. Chinese Physics B. 2014(03)
[2]爆炸破片对防护液舱的穿透效应[J]. 孔祥韶,吴卫国,李俊,李晓彬,徐双喜. 爆炸与冲击. 2013(05)
[3]可压缩性水柱冲击弹性平板的砰击问题研究(英文)[J]. 孙士丽,胡健,胡竞中. 船舶力学. 2013(09)
[4]弹性壳结构静力与动力分析的光滑粒子法[J]. 明付仁,张阿漫,姚熊亮. 物理学报. 2013(11)
[5]起爆点位置对战斗部爆炸破片特性的影响[J]. 孔祥韶,吴卫国,杜志鹏,李俊,李晓彬. 哈尔滨工程大学学报. 2013(07)
[6]A robust shell element in meshfree SPH method[J]. Fu-Ren Ming,A-Man Zhang,Xue-Yan Cao. Acta Mechanica Sinica. 2013(02)
[7]沉底装药水中爆炸现象的实验研究[J]. 杨莉,汪玉,汪斌,黄超. 爆炸与冲击. 2013(02)
[8]可压缩流体射流冲击平板的压力特性研究[J]. 孙龙泉,张忠宇,丁建军,李刚,孙士丽. 振动与冲击. 2013(03)
[9]光滑粒子流体动力学方法固壁处理的一种新型排斥力模型[J]. 韩亚伟,强洪夫,赵玖玲,高巍然. 物理学报. 2013(04)
[10]SPH-FEM耦合算法在爆炸螺栓解锁分离过程中的应用[J]. 初文华,张阿漫,明付仁,杨文山. 振动与冲击. 2012(23)
博士论文
[1]爆炸载荷及复合多层防护结构响应特性研究[D]. 孔祥韶.武汉理工大学 2013
[2]水下爆炸冲击问题的物质点法研究[D]. 杨文淼.哈尔滨工程大学 2013
[3]水下接触爆炸舰船局部毁伤及防护机理[D]. 杨文山.哈尔滨工程大学 2011
[4]水中结构物附近爆炸气泡运动特性研究[D]. 王诗平.哈尔滨工程大学 2011
[5]基于光滑质点水动力学（SPH）方法的自由表面流动数值模拟研究[D]. 龚凯.上海交通大学 2009
[6]水下爆炸气泡三维动态特性研究[D]. 张阿漫.哈尔滨工程大学 2007
[7]海底声参数反演研究与应用[D]. 郭永刚.中国海洋大学 2004
[8]舰船非接触水下爆炸动力学的理论与应用[D]. 刘建湖.中国船舶科学研究中心 2002
本文编号：3075025
【文章来源】：哈尔滨工程大学黑龙江省 211工程院校
【文章页数】：248 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１水下爆炸的主要载荷分类??Ｆｉｇ．?１．１?Ｔｈｅ?ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ?ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ?ｌｏａｄｓ??当今世界，越来越多的军事强国将目光转向了深邃的蓝，
因此许多西方军事强国不仅通过使用高强度材料对现役航母、大中型水面舰船??及潜艇进行加固处理，同时还通过设计典型防护结构等诸多措施来提高舰船的抗爆、抗??冲击和抗沉能力，如图１．３所示。??Ａ?ｊ￣??－｜?Ｉｎｎｅｒ?Ｐｌａｔｅ?ｏｆ?Ｏｕｔｅｒ?Ｐｌａｔｅ?ｏｆ??Ｌ?Ｌｉｑｕｉｄ?Ｃａｂｉｎ?＾?Ｌｉｑｕｉｄ?Ｃａｂｉｎ???????Ｖ?ａｃａｎｔ?＊＾＾ｉｑｕｉｄ?＾Ｖａｃａｎｔ??一一－Ｃａｂｉｎ?Ｃａｂｉｎ?Ｃａｂｉｎ??，?、、?？、、、??／?、、ｓｈｏｃｋ?ｗａｖｅｓ?Ｄｅｆｅｎｓｉｖｅ??＼?｛［?〇?ｒ；；?一懷＃??＇、、、／?／?；?／＾＾ｒｉｏｃｌｗａｖｅｓ??＼?＼?＼?Ｂｕｂｂｌｅ?＾?，?，?ｊＣ??＼?、?、？＿一，?／?，?、?＼?Ｂｒｏａｄｓｉｄｅ?Ｐｌａｔｅ??、、?、?’?，，?＼?Ｗａｔｅｒｐｒｏｏｆ??（ａ）非接触爆炸的总体破坏?（ｂ）接触爆炸的局部破坏??（ａ）?ｔｈｅ?ｔｏｔａｌ?ｄａｍａｇｅ?ｏｆ?ｎｏｎ－ｃｏｎｔａｃｔ?（ｂ）?ｔｈｅ?ｌｏｃａｌ?ｄａｍａｇｅ?ｏｆ?ｃｏｎｔａｃｔ??ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ?ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ??图１．２水下爆炸对舰船结构的破坏??Ｆｉｇ．?１．２?Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ?ｄａｍａｇｅ?ｃａｕｓｅｄ?ｂｙ?ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ?ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ??为了满足新武器时代的需求，近年来国内外众多学者已经研究目标投向了近场水下??爆炸问题。但是，由于舰船水下近场爆炸过程涉及炸药爆轰、爆轰气水混合物膨胀飞溅、??波在多层异相介质中入射、反射和透射、结构大变形甚至撕裂破碎等等
舰船的破损情况进行了数据统计，总结出的接触爆炸破口大小的经验公式至今仍有很大??的参考价值。自９０年代开始以美国为首的海军强国进行了系列的舰船水下爆炸研究，??其中包括了接触爆炸实验，如图１．４所示。美国于２００５年用鱼雷等武器对一艘退役航空??母舰实弹攻击，得到了珍贵的实验数据；美国海军和澳大利亚海军（２００８）进行了海上??鱼雷实弹打靶实验，证实了舰船龙骨下方接触爆炸对舰船总体结构（主要是总纵强度）??产生严重毁伤，在一定条件下可使舰船从中部折断。但是，由于舰船水下爆炸实验研究??多涉及军事秘密，公开发表的文献十分罕见，具体研究内容及成果＋得而知。??ｔ．娜??图１．４舰船遭受接触爆炸破坏（图片来ｔ］互联网）??Ｆｉｇ．?１．４?Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ?ｄａｍａｇｅ?ｃａｎｓｅｄ?ｂｙ?ｃｏｎｔａｃｔ?ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ?（Ｆｒｏｍ?Ｉｎｔｅｒｎｅｔ）??国外许多学者针对简单规则结构也进行了基础性实验研究。南非科学家Ｎｕｒｉｃｋ和其??合作者自９０年代以来针对爆炸载荷作用下简单规则结构响应开展了许多机理性实验，??得到了方板和圆板在不同冲击因子作用下的结构响应特征。Ｎｕｒｉｃｋ和Ｓｈａｖｅ?（１９９１）?［１７１??６??
【参考文献】：
期刊论文
[1]Three-dimensional numerical simulation of crown spike due to coupling effect between bubbles and free surface[J]. 韩蕊,张阿漫,李帅. Chinese Physics B. 2014(03)
[2]爆炸破片对防护液舱的穿透效应[J]. 孔祥韶,吴卫国,李俊,李晓彬,徐双喜. 爆炸与冲击. 2013(05)
[3]可压缩性水柱冲击弹性平板的砰击问题研究(英文)[J]. 孙士丽,胡健,胡竞中. 船舶力学. 2013(09)
[4]弹性壳结构静力与动力分析的光滑粒子法[J]. 明付仁,张阿漫,姚熊亮. 物理学报. 2013(11)
[5]起爆点位置对战斗部爆炸破片特性的影响[J]. 孔祥韶,吴卫国,杜志鹏,李俊,李晓彬. 哈尔滨工程大学学报. 2013(07)
[6]A robust shell element in meshfree SPH method[J]. Fu-Ren Ming,A-Man Zhang,Xue-Yan Cao. Acta Mechanica Sinica. 2013(02)
[7]沉底装药水中爆炸现象的实验研究[J]. 杨莉,汪玉,汪斌,黄超. 爆炸与冲击. 2013(02)
[8]可压缩流体射流冲击平板的压力特性研究[J]. 孙龙泉,张忠宇,丁建军,李刚,孙士丽. 振动与冲击. 2013(03)
[9]光滑粒子流体动力学方法固壁处理的一种新型排斥力模型[J]. 韩亚伟,强洪夫,赵玖玲,高巍然. 物理学报. 2013(04)
[10]SPH-FEM耦合算法在爆炸螺栓解锁分离过程中的应用[J]. 初文华,张阿漫,明付仁,杨文山. 振动与冲击. 2012(23)
博士论文
[1]爆炸载荷及复合多层防护结构响应特性研究[D]. 孔祥韶.武汉理工大学 2013
[2]水下爆炸冲击问题的物质点法研究[D]. 杨文淼.哈尔滨工程大学 2013
[3]水下接触爆炸舰船局部毁伤及防护机理[D]. 杨文山.哈尔滨工程大学 2011
[4]水中结构物附近爆炸气泡运动特性研究[D]. 王诗平.哈尔滨工程大学 2011
[5]基于光滑质点水动力学（SPH）方法的自由表面流动数值模拟研究[D]. 龚凯.上海交通大学 2009
[6]水下爆炸气泡三维动态特性研究[D]. 张阿漫.哈尔滨工程大学 2007
[7]海底声参数反演研究与应用[D]. 郭永刚.中国海洋大学 2004
[8]舰船非接触水下爆炸动力学的理论与应用[D]. 刘建湖.中国船舶科学研究中心 2002
本文编号：3075025
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