基于间断伽辽金方法的近场水下爆炸载荷及其对结构冲击响应研究

摘要

舰艇结构在近场水下爆炸所产生的强间断冲击波、气泡脉动以及气泡高速射流等多种载荷的作用下，可能产生严重的毁伤破坏，因此研究近场水下爆炸对结构的冲击响应特性具有重大的军事意义。近场水下爆炸载荷的构成非常复杂，具有高压、高速瞬态强冲击等特点，可对舰艇结构造成直接的冲击作用，使结构产生激烈的非线性响应。实船水下爆炸试验是最直接、最有效的研究手段，但是由于试验技术手段不够完善，且需要耗费巨大的人力物力，所以通常将实船模型进行缩比，开展缩比模型试验。随着数值仿真技术的不断发展，将数值方法结合实验方法来研究近场水下爆炸问题已经成为一种趋势。为此，本文基于计及强可压缩性的非线性 Euler方程，通过联合间断伽辽金方法（RKDG）和有限元方法（FEM）以及边界元法（BEM），建立近场水下爆炸的流固耦合模型，并将数值计算结果与试验数据以及理论解析结合，研究近场水下爆炸过程中产生的不同类型载荷特性——冲击波载荷、气泡载荷特性以及气泡射流载荷，探究不同载荷作用下结构的冲击响应特性，实现对水下近场爆炸载荷特性的认识以及其对结构的毁伤特性的探索。 首先，论述了近场水下爆炸冲击波、气泡及结构响应方面的理论分析、数值方法以及试验研究，介绍了国内外研究现状及最新进展。随后，总结相关研究的难点，阐述了间断伽辽金方法（ RKDG），水平集方法（ LSM）和虚拟流方法（ GFM）等数值算法的研究现状，充分展示间断伽辽金方法在处理强可压缩、强间断，瞬态强非线性的近场水下爆炸问题的优势，为本文后续的研究奠定了基础。 针对近场水下爆炸问题，基于非线性欧拉方程组，采用计及流场强可压缩性的高分辨率、高精度的近场水下爆炸RKDG数值计算模型。采用RKDG方法进行空间离散求解欧拉方程，捕捉流场中的强间断冲击波。同时，利用LSM捕捉运动界面，并将联合GFM解决强间断问题。 针对柱形装药近场水下爆炸冲击波载荷及其对弹塑性结构的冲击响应等瞬态流固耦合问题，本文基于高分辨率、高精度的RKDG数值方法，引入空化模型，建立RKDG水下近场爆炸模型，研究空化的产生以及溃灭过程。在此基础上，提出计及近边界空化效应的RKDG-FEM瞬态流固耦合数值计算方法，研究柱形装药近场水下冲击波载荷特性和冲击波在爆轰气体及自由液面或壁面边界间的传播规律及近边界处的空化载荷特性。 计入非球状初始条件的影响，针对柱状装药水下爆炸问题，提出RKDG-BEM联合算法，充分利用RKDG方法与BEM方法的优势，采用联合算法实现了对近场水下爆炸全过程的数值模拟，并对柱形装药近场水下爆炸气泡的脉动特性及其对结构的载荷特性进行研究。基于上述提出的联合算法，建立自由场及近壁面水下爆炸数值模型，分别对自由场和刚性壁面附近的气泡脉动、射流以及环状气泡回弹等现象进行模拟，并通过与小当量水下爆炸试验及电火花气泡试验结果进行对比，验证RKDG-BEM联合算法的有效性和正确性。在此基础上，探究不同距离参数对近场水下爆炸气泡脉动载荷、高速射流载荷、气泡溃灭载荷的影响，并进一步研究气泡撕裂载荷以及气泡回弹对结构的载荷特性，给出不同类型气泡载荷的变化规律。 针对近场水下爆炸载荷对复杂结构的毁伤问题，提出BEM-FEM流固耦合算法，并结合 RKDG算法，计及自由液面效应以及结构的弹塑性，对平板结构、箱型梁缩比结构以及船体分段结构在近场水下爆炸载荷作用下的冲击响应特性进行数值模拟，并结合近场水下爆炸模型缩比试验，证明联合算法的有效性和正确性。在对结构的动态响应的计算分析中，计及近场水下爆炸冲击波、气泡脉动压力、滞后流以及高速射流等载荷。结果显示：冲击波载荷和气泡坍塌溃灭引起结构局部冲击响应，气泡的脉动压力及滞后流引起总体响应。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 近场水下爆炸载荷及结构响应研究现状

1.3 间断伽辽金方法研究现状

1.4 国内外研究工作总结

1.5 本论文主要工作和创新点

第2章 计及强可压缩特性的水下爆炸基本理论方法

2.1 引言

2.2 RKDG方法数值模型

2.3 数值模型验证算例

2.4 本章小结

第3章 近场水下爆炸冲击波载荷及流场空化特性研究

3.1 引言

3.2 基于RKDG方法的Cut-off流场空化模型

3.3 小当量柱形装药水下爆炸试验方法

3.4 柱形装药水下爆炸冲击波载荷特性

3.5 简单边界附近的流场空化特性

3.6 本章小结

第4章 近场水下爆炸冲击波载荷对结构的冲击响应研究

4.1 引言

4.2 RKDG-FEM流固耦合算法

4.3 平板在柱形装药水下爆炸冲击波作用下的瞬态响应

4.4 球壳在柱形装药水下爆炸冲击波作用下的瞬态响应

4.5 本章小结

第5章 近场水下爆炸气泡动态特性研究

5.1 引言

5.2 水下爆炸气泡RKDG-BEM联合算法

5.3 柱形装药近壁面水下爆炸数值模型和基本现象

5.4 柱形装药长径比对气泡运动特性的影响

5.5 柱形装药放置方式对气泡运动特性的影响

5.6 柱形装药到壁面距离对气泡运动特性的影响

5.7 本章小结

第6章 近壁面气泡载荷特性研究

6.1 引言

6.2 高压水下放电气泡实验

6.3 近壁面气泡脉动载荷特性研究

6.4 近壁面气泡射流载荷特性研究

6.5 近壁面气泡溃灭冲击波载荷特性研究

6.6 气泡与壁面间的距离对气泡载荷特性的影响

6.7 本章小结

第7章 近场水下爆炸载荷对弹塑性结构的冲击响应研究

7.1 引言

7.2 BEM-FEM流固耦合算法

7.3 近场水下爆炸气泡载荷对板架结构的冲击响应

7.4 近场水下爆炸载荷对船体梁的冲击响应

7.5 近场水下爆炸载荷对舰船结构的冲击响应

7.6 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