鱼雷入水及其近场水下爆炸对舰船结构毁伤特性研究

摘要

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Geers&Hunter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。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 水下爆炸基本现象及分类

1.3 研究方法与进展综述

1.4 国内外研究综述小结

1.5 本论文主要工作

第2章 流固耦合问题计算方法的比较分析

2.1 引言

2.2 流固耦合方法比较分析

2.3 耦合欧拉-拉格朗日（CEL）理论方法

2.4 光滑粒子流体动力学（SPH）理论方法

2.5 本章小结

第3章 鱼雷入水冲击全非线性水动力特性研究

3.1引言

3.2数学模型

3.3 数值结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 鱼雷近场水下爆炸冲击波及结构响应特征研究

4.1 引言

4.2 自由场与沉底爆炸冲击波传播特性

4.3 水下爆炸冲击波在液舱结构中传播规律

4.4 近场爆炸冲击波与中远场爆炸对比分析

4.5 本章小结

第5章 鱼雷近场水下爆炸弹片及射流作用下结构响应特征研究

5.1 引言

5.2 舰船舷侧液舱弹片碰撞现象研究

5.3射流对舰船结构的影响

5.4 本章小结

第6章 近自由液面下结构破口附近水下爆炸气泡运动特性试验研究

6.1 引言

6.2 试验基本原理

6.3 单层壁面破口附近气泡运动特性

6.4 双层壁面破口附近气泡运动特性

6.5 本章小结

第7章 鱼雷近场水下爆炸对大型舰船毁伤特性研究

7.1 引言

7.2 载荷及边界条件

7.3 计算模型及工况说明

7.4 塑性位移的取法

7.5 鱼雷攻击舰船局部强度校核

7.6 冲击环境分析

7.7 舰船设备一体化抗冲击分析

7.7 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