水下爆炸作用下开孔圆柱壳结构损伤特性研究

摘要

潜艇水下抗爆抗冲击问题一直以来都是潜艇生命力研究的重要组成部分，而圆柱壳在结构上与潜艇的相似性也使得在工程计算中通常作为潜艇的简化模型进行研究。目前，对在潜艇遭受水下爆炸载荷作用时潜艇上的导弹孔的塑性变形影响的问题的相关研究较少。本文基于这一工程背景，建立了单双层圆柱壳模型，采用有限元方法对其表面开孔结构对强度的影响进行分析研究，最后基于边界元法研究了开孔壳体附近的爆炸气泡动态特性。
　　首先，从理论研究、试验验证以及数值模拟三个方面阐述了国内外对于水下爆炸载荷的研究所取得的进展，之后针对本论文的研究对象圆柱壳结构阐述了目前在水下爆炸载荷作用下的动响应问题的研究成果，并对于应力集中问题的研究现状也进行了简要的介绍，通过对各种研究方法的优缺点进行对比，最终确定了适合本文研究内容的方法。
　　其次，基于声固耦合理论，采用有限元方法对开孔单双层圆柱壳结构在水下爆炸载荷作用下的塑性变形进行了分析，通过与没有开孔的结构进行比较，分析得到了开孔对结构强度的影响。同时，通过改变冲击因子以及静水压力值，得到了开孔圆柱壳体结构的塑性变形规律。在讨论双层圆柱壳结构的开孔问题时，建立了多个开有不同半径的圆孔结构的圆柱壳模型，计算了不同的模型在相同的冲击工况下迎爆面以及背爆面的非耐压壳体与耐压壳体的塑性变形情况，得到了不同孔径与结构塑性变形之间的关系。再通过计算冲击因子和静水压力改变时具有不同孔径的圆柱壳结构等效塑性应变，得到了相对于确定结构而言的无量纲化的最易破坏孔径。再次，针对双层圆柱壳结构的舷间水进行研究，通过与不含舷间水的圆柱壳结构进行对比，分析舷间水在载荷传递方面所起到的作用，计算中改变爆炸载荷的冲击因子以及静水压力值，得到了对具有舷间水的开孔圆柱壳体结构损伤影响的一些结论，以供潜艇上的工程应用参考。
　　最后，应用势流理论采用边界元方法对开孔平板正上方的气泡载荷进行了分析，通过改变孔径以及爆距等变量分析了气泡载荷的变化并绘制了气泡中心位移以及射流端点速度时历曲线，最终将结构推广到本论文的研究结构开孔单层圆柱壳体，通过对比开孔单层圆柱壳体水平方向上爆炸生成的气泡在孔径以及爆距等改变的情况下形态的变化，得出了关于开孔结构对气泡载荷影响的一些有意义的结论。

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第1章 绪 论

1.1 研究目的及意义

1.2 国内外研究进展

1.3 本论文主要研究内容

第2章 水下爆炸作用下开孔单层圆柱壳结构损伤研究

2.1 声固耦合理论

2.2 模型描述

2.3 静水压力的影响

2.4 冲击因子的影响

2.5 本章小结

第3章 水下爆炸作用下开孔双层圆柱壳结构损伤研究

3.1 模型建立

3.2 开孔情况对双层圆柱壳的影响

3.3 静水压力对结构总体动塑性损伤的影响

3.4 冲击因子对结构总体动塑性损伤的影响

3.5 本章小结

第4章 舷间水对开孔圆柱壳结构损伤影响研究

4.1 引言

4.2 舷间水对结构动塑性损伤的影响

4.3 冲击因子对结构动塑性损伤的影响

4.4 静水压力对结构动塑性损伤的影响

4.5 本章小结

第5章 水下爆炸气泡与开孔结构的相互作用研究

5.1 引言

5.2 理论介绍

5.3 水下爆炸气泡与开孔平板的相互作用研究

5.4 水下爆炸气泡与开孔圆柱壳的相互作用研究

5.5 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