近场水下爆炸载荷及其对舰船局部结构毁伤研究

摘要

提高舰船的抗爆抗冲击能力一直以来都是各国提高海军战斗力的重要研究内容。尤其是在近年来世界海洋资源和海洋领土出现日益频繁争端以及各种反舰武器制导技术日益成熟的情况下，舰船结构受到鱼雷等大当量水下武器攻击的概率越来越大，因此舰船遭受近场水下爆炸攻击时的抗打击能力值得重点关注。本文在总结了近场水下爆炸基本特性的基础上，建立了平板、舱段及典型舰船结构模型，对其遭受近场水下爆炸的载荷、动响应以及毁伤特性进行了研究，对提高舰船的抗冲击水平有重要参考价值。
　　首先，对当今国内外水下爆炸领域的研究成果及进展进行了阐述，针对近场水下爆炸的载荷特点，对水下爆炸冲击波和气泡射流载荷特性及其研究现状进行了简单总结，尤其针对作用过程相对复杂的气泡射流载荷的原理和过程进行了重点阐述，并对近场爆炸现象的进展进行了总结。
　　其次，在阐述近场爆炸的冲击波和气泡射流载荷的载荷特性的同时，对其各自的计算方法和理论基础进行重点介绍。分别将有限元、边界元方法在模拟气泡运动形态方面与气泡试验结果进行对比，在此基础上确定了气泡射流载荷等效计算方法以及借助边界元理论对射流水柱等效体冲击结构的初始参数进行确定。并在此基础上确定了采用耦合欧拉-拉格朗日（CEL）算法开展射流水柱冲击结构的动响应模拟。
　　再次，采用CEL算法模拟了简化的射流载荷对简单复合材料平板结构的冲击过程，并结合试验对其冲击响应进行了对比以验证 CEL算法计算射流载荷的有效性，采取同样的算法模拟了射流冲击钢板的过程，并对冲击过程中的射流半径范围内的流体压力分布、流体速度分布以及射流区域内外的流体对结构的剪应力分布等载荷和结构响应特点进行了集中分析。在此基础上，对某舰船典型舱段结构的近场水下爆炸过程进行了数值模拟，其中采用声固耦合法模拟了冲击波载荷作用过程，在冲击波过后出现初始应变的基础上采用 CEL算法模拟了两次气泡射流载荷的作用，其中两次气泡射流之间的载荷参数通过能量和动量守恒原理联系起来。对冲击波和射流载荷下的典型舱段位置的应变以及两次射流载荷对应的作用在舱段上的载荷特性均进行了系统分析，并将冲击波载荷和射流载荷双重作用下结构的最终形变与试验结果进行了对比分析。
　　最后，以典型舰船结构作为研究对象，采用上述方法分别对近场爆炸工况下冲击波和气泡射流载荷作用过程进行模拟。其中射流过程依然采用 CEL算法进行计算，并对船体结构的塑性区和破口大小进行分析并结合破口经验公式进行对比，分析了典型薄弱剖面的剖面模数损失情况，并结合军标对破损状态下的舰船剩余强度进行了计算和校核，以此为大吨位舰艇的抗近场爆炸结构设计提供参考。

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第1章 绪 论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究进展

1.3论文主要研究内容

第2章 近场水下爆炸载荷及计算方法

2.1引言

2.2近场水下爆炸载荷特性

2.3 CEL耦合算法的理论基础

2.4本章小结

第3章 射流载荷冲击平板结构的动响应分析

3.1引言

3.2 CEL算法对射流载荷及响应计算的有效性验证

3.3流场域大小及网格密度对耦合算法精度影响

3.4基于CEL的射流载荷冲击钢板的动响应分析

3.5本章小结

第4章 近场爆炸载荷对舱段结构的毁伤研究

4.1引言

4.2舱段模型及工况设置

4.3冲击波载荷作用阶段

4.4第一次气泡射流载荷作用过程

4.5第二次气泡射流载荷作用过程

4.6冲击波与射流联合作用结果分析

4.7本章小结

第5章 舰船结构近场水下爆炸剩余强度计算研究

5.1引言

5.2近场爆炸计算模型及工况设定

5.3冲击波与射流联合作用对船体的毁伤效应

5.4船体剩余强度计算方法

5.5典型剖面的剖面模数计算

5.6破损舰船剩余强度分析

5.7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