水下爆炸作用下圆柱壳绕射特性及压力分布特征研究

摘要

在水下爆炸作用下，由于高能炸药的爆炸、冲击波的传播以及复杂的流体-结构相互作用现象的存在，使得结构周围的水动力场变得十分复杂。潜艇作为现代海战的重要组成部分，由于其圆柱形结构的特殊性，在分析水下爆炸冲击波波动效应时，除了要考虑反射、透射冲击波外，在圆柱壳背爆面出现的绕射冲击波也不容忽视。本文通过ALE流固耦合法对冲击波与圆柱壳结构相互作用过程中产生的压力场进行仿真和分析，得到反射冲击波、透射冲击波、绕射冲击波的形成过程与特点。分析不同结构形式、不同层间介质、不同爆距以及不同水深条件下结构周围压力场的演变和结构的冲击响应特性。 本文首先从平板结构入手，利用Taylor平板理论计算出的反射波与透射波的理论值对本文所采用的数值模拟方法进行精度校核，将圆柱壳周围绕射场的数值仿真云图与数值解和实验图像进行对比，发现了很好的一致性。基于冲击波穿过膨胀波时的作用特点，解释了绕射波的形成原理。 然后对本文所采用的数值计算方法进行简要介绍并对相关参数进行设置，将数值计算所得的壁压曲线、结构变形曲线与实验结果进行对比分析，误差在20％以内。 其次研究了不同结构形式（单层板、双层板、圆柱壳结构）、不同壳间介质以及不同爆距下冲击波载荷特性，得到了能够体现出反射峰值、透射峰值、绕射峰值以及空化特性的冲击波压力时历曲线，分析了反射、透射以及绕射系数的影响因素和结构的位移、速度等响应特性。圆柱壳迎爆面受到入射压力以及反射压力的作用，近壁面会出现空化区;背爆面先是受到壳体中应力波的作用，随后受到绕射冲击波叠加作用。 在此基础上，进一步研究了双层圆柱壳与冲击波的相互作用过程，模拟了不同壳间介质、不同爆距、不同水深下考虑系统响应的冲击载荷所产生的流体压力场。利用二维法向位移图显示了两个壳体在冲击载荷作用下的位移。利用流场压力云图、时间历程曲线、以及流场压力时间-空间曲线图反映压力场状态。壳体周围流场绕射系数都小于1，背部的绕射系数最小，绕射波压力峰值小但脉宽较大。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究目的和意义

1．2国内外研究现状

1．3本文主要研究内容

第2章冲击波传播理论基础与数值计算方法

2．1冲击波透射与反射理论计算方法

2．2波的绕射理论

2．2．1几种绕射现象的定义

2．2．2基本方程

2．3基于膨胀波原理的冲击波绕射的形成

2．3．1膨胀波

2．3．2微弱压缩波

2．3．3圆柱壳结构周围绕射波的形成

2．4本章小结

第3章绕射波数值模拟方法与试验验证分析

3．1 ALE算法参数设置与自由场压力校核

3．1．1爆轰模型

3．1．2运动方程

3．1．3状态方程参数设置

3．1．4自由场压力对比分析

3．1．5反射波与透射波理论值与数值值对比分析

3．2试验模型与方案

3．2．1试验缩尺模型

3．2．2工况设置

3．2．3测量参数

3．3实验测量结果与数值结果的比较

3．3．1远场实验结构壁压分析

3．3．2近场实验结果分析

3．4本章小结

第4章平板与单层圆柱壳周围爆炸冲击波传播特性

4．1近场水下爆炸冲击波与单层平板结构相互作用分析

4．1．1冲击波传播过程与结构冲击响应分析

4．1．2冲击波反射效应分析

4．1．3冲击波压力透射与绕射效应分析

4．2近场水下爆炸冲击波与双层平板结构相互作用分析

4．2．1冲击波传播过程与结构冲击响应分析

4．2．2冲击波反射效应研究

4．2．3冲击波透射与绕射效应研究

4．3近场水下爆炸冲击波与圆柱壳结构相互作用分析

4．3．1冲击波传播过程与结构冲击响应分析

4．3．2冲击波反射效应研究

4．3．3冲击波绕射效应研究

4．4本章小结

第5章双层圆柱壳与爆炸冲击波相互作用研究

5．1不同层间介质双层圆柱壳绕射特性分析

5．1．1爆炸冲击波的传播过程

5．1．2结构周围的冲击波压力

5．1．3壳体结构响应分析

5．2不同爆距双层圆柱壳绕射特性分析

5．2．1爆炸冲击波的传播过程

5．2．2结构周围的冲击波压力

5．2．3壳体结构响应分析

5．3不同水深双层圆柱壳绕射特性分析

5．3．1爆炸冲击波的传播过程

5．3．2结构周围的冲击波压力

5．3．3壳体结构响应分析

5．4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢