水下近场爆炸对舰船结构瞬态流固耦合毁伤特性研究

摘要

舰船水下近场爆炸或接触爆炸对结构的毁伤往往是致命的，严重威胁舰船的生命力，故研究水下近场或接触爆炸载荷特性及其对船体结构的毁伤机理意义重大。不同于中远场水下爆炸，近场或接触爆炸载荷主要包括冲击波、非对称气泡脉动、高速破片、爆轰气水混合物喷溅、气泡射流等，这些载荷本身往往具有高温、高压、高速瞬态强冲击等特点，作用过程经常伴有大变形、撕裂、砰击以及飞溅等现象，对近场结构的毁伤往往呈高度的非线性，不可修复。本研究瞄准了近场或接触爆炸不同类型的载荷，通过改进无网格光滑粒子流体动力学方法（SPH）的流固耦合数值模型及其与网格算法耦合的数值模型，如有限元法（FEM）和边界元法（BEM），同时结合既有的实验和解析理论结果进行验证，实现对近场或接触爆炸不同载荷特性的认识，以及不同载荷对结构的毁伤特性和机理性问题的探索。
　　本文首先根据检索结果将近年来水下爆炸研究领域国内外具有代表性的研究工作进行了简要回顾，然后重点针对水下近场爆炸的冲击波和气泡脉动载荷、高速破片载荷、水气混合射流载荷等方面的研究现状，确定了现阶段研究的盲点与不足：近场冲击波载荷认识不清、缺少数据支撑，高速破片载荷的毁伤及防护缺少系统性的设计依据，水气混合射流研究仍局限于前期近似解且争议颇多。针对这些不足，将无网格SPH方法近年来在解决水下爆炸问题中的应用进展进行了综述，展现了它的拉格朗日粒子性质在处理此类问题的优势，为后文的开展奠定了基础。
　　从三维SPH方法现阶段在精度、界面、稳定性和计算效率等方面的处理技术出发，系统性的分析了SPH方法在应用中的关键问题。通过分析，从计算精度方面考虑，文中确定了结构与流体分别采用完全拉格朗日和更新拉格朗日方程的格局，结构采用高完备性的移动最小二乘函数来保证精度和稳定性；在界面处理时，流体边界、固体结构边界以及任意相间的接触边界等界面问题要以保证近似函数完备性为前提，为实现边界的无反射，可在边界布置海绵阻尼层以及文中提出的阻抗匹配边界层；在改善稳定性方面，应力点可有效改善结构的沙漏模式，核函数和光滑长度的选取要尽量避开应力的不稳定条件，此外，SPH的流固模型施加一定的阻尼也是必要的；在改善计算效率方面，文中提出的变光滑长度搜索算法和采用的OpenMP并行方案均可有效提高三维SPH计算效率。
　　针对水下近场或接触爆炸经常出现结构的大变形、撕裂等非线性问题，本文基于法国学者A.Combescure的SPH壳单元（SPS）全局模型，提出了精度更高的无网格SPH壳单元的积分模型，同时提出了多线段自适应裂纹处理技术，联合Lemaitre-Chaboche塑性损伤理论，实现了空间薄壁结构的弹塑性损伤断裂等非线性动力分析。考虑到交叉构件、加筋板架结构形式，基于拉格朗日乘子法推导了经过简化的接触算法。此外，文中也给出了SPH壳单元的准静力分析方法。
　　针对水下爆炸瞬态流固耦合问题，提出了耦合的SPS-BEM方法，实现了自主编制程序对水下爆炸流固耦合问题的模拟。该耦合算法仅被离散为一层SPS壳粒子和一层流场的边界单元，在流固耦合界面采用移动最小二乘（MLS）函数可有效保证界面的协调条件，此耦合算法简单易行、计算效率高，并采用通用的测试流固耦合代码的标准实例进行了验证。
　　针对水下近物面爆炸的载荷及其对结构毁伤问题，首先研究了近自由面爆炸、近水底爆炸的冲击载荷分布特性，得到了不同边界附近的压力峰值和冲量的分布规律；在此基础上，考虑到近弹塑性船体结构接触爆炸时，装药与结构近距离接触，装药近场载荷对结构毁伤的影响较大，采用轴对称 SPH方法和改进的对称轴处理办法，研究了装药近场爆炸冲击载荷特性，并给出了超近场冲击载荷估算公式；最后文中提出了完全SPH的流固耦合方法和耦合的SPH-FEM方法，引入复合损伤因子，研究了接触爆炸平板、加筋板以及复杂弹塑性船体结构的毁伤模式和破坏机理，部分结果得到了实验或经验公式的验证。
　　针对高速破片载荷对舰船结构的毁伤与防护问题，采用完全SPH的流固耦合方法，首先研究了不同入射速度、不同半径大小、不同角度入射的破片对舷侧液舱结构穿透过程中破片速度的衰减、液舱内板的压力和挠度等变化规律，在此基础上，开展了变液舱宽度和变液舱装载量的防护设计研究，给出了液舱宽度和液舱装载量设计的参考性依据。
　　针对水下爆炸水冢破碎喷溅和近场气泡射流类气水混合物冲击问题，采用完全SPH的流固耦合模型，首先研究了不同形状水射流作用在刚性壁面和弹性靶板时，射流压力的峰值和时均压力的分布规律，并得到了实验数据的验证；在此基础上，基于均匀水气混合物假设和冲击动力学理论，推导了均匀水气混合物的冲击状态方程，并采用数值方法研究了不同含气体积比时水气混合物的射流压力峰值和时均压力分布规律。

目录

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1课题来源及研究意义

1.2舰船水下近场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 三维SPH方法工程化应用的基础问题及其改进

2.1引言

2.2 ULSPH方法与TLSPH方法

2.3 SPH方法的近似函数及其导数完备性问题

2.4 SPH方法的界面问题

2.5 SPH方法的稳定性问题

2.6 SPH方法的计算效率问题

2.7 本章小结

第3章 水下近场爆炸薄壳结构弹塑性损伤断裂行为的光滑粒子法研究

3.1引言

3.2 光滑粒子壳单元（SPS）的建立

3.3 SPS的弹塑性行为

3.4 SPS的塑性损伤行为

3.5 SPS的弹塑性损伤断裂行为

3.6 SPS线性与非线性对比分析

3.7 SPS的数值有效性验证

3.8 本章小结

第4章 水下爆炸瞬态流固耦合的SPS-BEM方法及其验证

4.1引言

4.2 DAA2方程

4.3 SPS-BEM耦合算法

4.4 水下爆炸瞬态流固耦合分析验证

4.5 本章小结

第5章 水下近场爆炸冲击波载荷对舰船结构的毁伤特性

5.1引言

5.2 水下接触爆炸的流固耦合方法

5.3 近边界水下爆炸冲击载荷特性

5.4近装药水下爆炸冲击载荷特性

5.5 水下接触爆炸模型实验及数值验证

5.6 简单平板结构水下接触爆炸毁伤特性

5.7 简单加筋板架结构的水下接触爆炸毁伤特性

5.8 复杂舰船结构的水下接触爆炸毁伤特性

5.9 本章小结

第6章 水下近场爆炸高速破片对防护液舱的毁伤特性

6.1引言

6.2 高速破片的产生与运动

6.3 高速破片冲击液舱的数值验证

6.4 高速破片的毁伤效果

6.5 液舱对高速破片的防护设计

6.6 本章小结

第7章 水下近场爆炸水冢喷溅载荷及气泡射流载荷对舰船结构毁伤特性

7.1引言

7.2 射流冲击载荷的关注焦点

7.3 水射流载荷特征

7.4掺气水射流载荷特征

7.5 掺气水射流载荷对双层底结构的毁伤

7.6 本章小结

结论

有待进一步研究的问题：

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

附录A

附录B