船体水下爆炸冲击动弯矩理论与试验研究

摘要

水下爆炸、波浪砰击等冲击载荷会引起船体梁的总振动和冲击动弯矩，与静水弯矩、波浪弯矩叠加，可能危及船体总纵强度。目前，水下爆炸载荷时的船体总响应研究已有不少，大多着眼于船体总振动——鞭状运动，给出了船体冲击总振动的运动特性，但关于冲击动弯矩的讨论还不多，相关计算方法还不成熟。由于舰船设计过程中水下爆炸冲击动弯矩日益受到重视，因此本文关于冲击动弯矩的研究具有重要的工程意义和学术意义。已有的研究冲击动弯矩的文献主要基于理论方法、数值方法和小模型试验，实船实验数据极为稀少，因此文献中的方法很少经过实船验证。本文对船体水下爆炸冲击动弯矩进行理论及数值研究，依据实船试验数据进行了验证，采用经过验证的计算方法，分析了载荷工况、船体尺度参数、结构固有性质参数对冲击动弯矩的影响，具体内容如下：
　　首先，简要介绍实船水下爆炸冲击测试试验，分析了冲击测试的测点总体布置方案。介绍试验数据的预处理方法，并对大量试验数据进行数据筛选、消除趋势项、平滑处理以及数字滤波处理等预处理，对试验应变数据进行频谱分析，并分析应变峰值分别沿横向纵向垂向的分布特性，初步分析试验动弯矩随传统冲击因子和爆距的变化规律特性。
　　第二，提出一种基于船体梁模型和模态叠加的冲击动弯矩工程计算方法。考虑附连水质量、浮力弹簧效应、阻尼，给出了冲击动弯矩的概念和求解方法，讨论泰勒平板流固耦合理论求解船体水下爆炸载荷的局限性，并依据实船试验提出了船体载荷的工程分析方法，将弯矩计算值与试验值作对比分析验证该方法的可行性。
　　第三，分析了若干参数对冲击动弯矩的影响。考虑到将冲击动弯矩与静置法得到的波浪弯矩相叠加，创新性的提出了水面波浪对冲击动弯矩的影响问题，更合理的考虑了水下爆炸时船体梁总强度的计算方法。此外，对冲击动弯矩的模态成分进行研究，分析各阶弯矩以及总动弯矩分别随着爆距与攻角的变化规律，最后分析冲击波和气泡脉动载荷分别对动弯矩的贡献，分析总振动阻尼对冲击动弯矩的影响。
　　最后，针对若干型船进行动弯矩工程化预报，分析冲击动弯矩随舰船标准排水量和传统冲击因子的变化规律，基于新型冲击因子进行动弯矩分析，并与传统冲击因子作对比分析，初步提出水下爆炸冲击动弯矩的经验计算公式，并给出公式的适用范围，便于工程设计使用。

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第1章 绪 论

1.1研究目的及意义

1.2国内外研究现状

1.3本文主要研究内容

第2章 实船水下爆炸冲击动弯矩试验

2.1实船水下爆炸试验介绍

2.2实船水下爆炸冲击动弯矩试验数据处理

2.3实船水下爆炸冲击动弯矩分析

2.4本章小节

第3章 基于模态叠加理论的冲击动弯矩工程计算方法

3.1冲击动弯矩计算理论模型

3.2实船试验冲击动弯矩分析

3.3本章小结

第4章 若干参数对冲击动弯矩的影响分析

4.1海底及水面边界条件对冲击动弯矩的影响

4.2冲击动弯矩模态成分分析

4.3水下爆炸作用下冲击动弯矩极值变化规律

4.4冲击波和气泡脉动分别对冲击动弯矩的贡献

4.5阻尼对冲击动弯矩的影响

4.6本章小结

第5章 不同船型的冲击动弯矩预报及经验公式

5.1 各船型冲击动弯矩分析

5.2 冲击动弯矩的经验公式

5.3 基于新型冲击因子的动弯矩分析

5.4 本章小结

总结与展望

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