聚能装药水下爆炸载荷及其对结构的毁伤特性研究

摘要

聚能装药水下爆炸过程属于非线性瞬态流固耦合问题，可以对舰船结构造成毁灭性瞬态载荷，使舰船丧失战斗力，因此探究爆炸过程中产生的载荷特性以及结构的损伤特性具有重要的军事意义。聚能装药水下爆炸对舰船结构的毁伤元素主要包括金属射流、冲击波、非对称气泡脉动及气泡射流等，其中金属射流具有高压、高速、瞬间强冲击等特点，冲击波载荷具有瞬时、强间断性等强非线性动力学特性，气泡载荷具有作用周期长、极大变形等特点。本文立足于对不同类型载荷特性的研究，进一步探讨不同形式载荷作用下结构的损伤破坏过程。鉴于无网格光滑粒子流体动力学SPH方法在解决聚能射流及水下爆炸问题时具有天然的优势，采用其建立多相SPH数值模型，探索冲击波在多介质间的传播规律、金属射流的形成机理和气泡的运动特性；并联合有限元法（ FEM）研究多种载荷联合作用下结构的毁伤特性，实现对聚能装药水下爆炸载荷特性以及其对结构毁伤机理的认识。 本文首先梳理了近年有关聚能装药及水下爆炸的研究资料，对国内外专家学者的研究工作进行总结，论述了冲击波载荷、聚能射流载荷和气泡载荷及不同类型载荷对结构破坏的研究进展。通过综述发现，近年来专家学者对上述研究取得了大量有价值的成果，指出了聚能装药及水下爆炸过程中的一些关键参数，然而仍然存在很多的盲点以及不足，如近场爆炸结构表面局部空化区的形成机理及作用范围仍然比较模糊；高速的金属射流载荷对水下结构物的作用机理以及装药的优化设计仍缺少系统性的研究；壁面附近反射冲击波作用下气泡的运动特性尚不明确。随后，针对以上不足，阐述了采用SPH方法解决金属射流及水下爆炸等问题的应用现状，突出了其粒子性质及拉格朗日性质的优越性，为后续的研究提供了充足的依据。 本文利用改进的SPH方法解决多相物质密度梯度大问题，研究冲击波载荷特性、聚能射流的形成以及气泡脉动及溃灭过程。首先推导多相流SPH离散控制方程，通过改进的SPH解决Eluer方程近似时引起的物理量失真问题；引入改进的Schmidt空化模型，并通过与经典算例进行对比验证计入空化模型之后算法的正确性；针对冲击波的强间断问题，利用SPH基本方程推导冲击波在连续介质中传播时，间断面上应力间断值和应变间断值应满足的动力连续条件和运动连续条件；对于水下爆炸过程中的固定边界处理，在程序中引入dummy粒子边界处理；通过将SPH方法与边界元方法（ BEM）、有限元方法（ FEM）等其它算法的联合，充分利用各自算法的优势，实现对聚能装药水下爆炸全过程的模拟。 基于爆炸与冲击动力学理论，在状态方程中引入Schmidt空化模型，并将其应用于水下近场爆炸SPH模型中，探索近场爆炸过程中局部空化的产生机理及其时空演化特性。随后，建立单、双层圆柱壳水下接触爆炸模型，进一步研究接触爆炸过程中结构附近的空化效应，总结冲击波在多层介质间的传播规律及载荷特性。在此基础上，选取合适的敷设材料，研究接触爆炸下圆柱壳在敷设特殊材料后的抗冲击性能，对单、双层圆柱壳不同敷设位置以及不同敷设厚度的冲击载荷响应以及毁伤特征进行对比分析，进而得到一种集多种功能于一身的复合声学覆盖层，从抗冲击性角度得出较为合理的壳体敷设材料参数。 针对高速射流载荷对结构的的侵彻问题，结合S P H方法和FEM方法各自的优越性，建立SPH-FEM半球形聚能装药侵彻模型，探究金属射流的形成机理及其穿甲特性，并结合实验模型，验证数值方法的精度。在此基础上，研究了不同装药材料、不同药型罩材料及不同药型罩形状对聚能效应的影响，深入研究不同参数下形成的金属射流对水下结构的穿透过程，分析并得到射流头部速度的衰减、冲击波引起的结构挠度以及射流产生的破口等变化规律，为聚能装药的设计提供参考依据。 针对近边界气泡的动态特性问题，根据水下爆炸不同阶段的物态特征，联合SPH方法和BEM方法，实现自由场水下爆炸全过程的数值仿真，采用可处理大变形等非线性问题的SPH方法模拟装药的爆轰过程及后期的气泡射流过程，而采用高效的BEM方法模拟气泡的脉动过程，并对比仿真结果与实验数据以验证数值模型的有效性。在此基础上，建立SPH-BEM水下近场模型，结合实验结果探究近壁面气泡的运动特性，并得到近壁面诱导的气泡射流在壁面处产生的的压力。 最后，建立三维SPH-FEM水下近场爆炸流固耦合模型，研究水下近场爆炸载荷特性及简单方板在其作用下的毁伤机理，结合模型实验，验证SPH-FEM流固耦合方法的正确性。基于上述研究，充分考虑聚能装药水下爆炸过程中的毁伤元素，建立单、双层壳典型舱段模型，采用耦合算法模拟舱段结构的毁伤过程，得到单、双层壳以及肋板的破坏模式，为水下攻击武器的设计提供参考。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题来源及研究意义

1.2 聚能装药水下爆炸载荷及其对结构毁伤的研究现状

1.3 SPH方法的应用现状

1.4 存在的问题与不足

1.5 本文研究工作和创新点

1.6 本文的逻辑关系图

第2章 改进的无网格SPH数值模型与计算方法

2.1 引言

2.2 多相SPH数值模型

2.3 流体的空化模型

2.4 间断面连续条件

2.5 联合算法

2.6 本章小结

第3章 水下爆炸冲击波载荷对结构的毁伤研究

3.1 引言

3.2 冲击波在不同介质中的传播规律

3.3 计及空化效应的近场爆炸载荷特性

3.4 接触爆炸作用下单、双层圆柱壳的毁伤特性

3.5 敷设层对接触爆炸作用下圆柱壳毁伤特性的影响

3.6 本章小结

第4章 聚能射流的形成及其对结构的毁伤研究

4.1 引言

4.2 理论背景

4.3 聚能装药模型实验及数值验证

4.4 聚能射流对钢板和复合材料的毁伤作用

4.5 水下爆炸作用下聚能装药的优化设计

4.6 本章小结

第5章 近壁面水下爆炸气泡载荷对结构的毁伤研究

5.1 引言

5.2 SPH-BEM联合算法

5.3 自由场水下爆炸数值模拟及实验验证

5.4 近壁面处气泡的动态特性

5.5 近场爆炸气泡对已破损结构的毁伤特性

5.6 本章小结

第6章 聚能装药水下爆炸对圆柱壳结构的毁伤过程

6.1 引言

6.2 SPH-FEM流固耦合模型

6.3 水下近场爆炸模型实验及数值验证

6.4 单壳舱段结构水下近场爆炸毁伤特性

6.5 双壳舱段结构聚能装药水下近场爆炸毁伤特性

6.6 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢