基于谱单元法的舰船水下爆炸流固耦合机理研究

摘要

舰船结构遭受水下爆炸时，初始冲击波遇到结构边界后发生反射，反射波与入射波叠加形成负压区，当负压力达到水的空化压力时就会出现气穴，因此，除受到冲击波载荷作用外，结构还将受到附近水域中气穴的作用，瞬态载荷作用下流体与结构的耦合作用是水下爆炸对结构产生破坏的机理。
　　 水下爆炸流固耦合属强非线性问题，涉及到结构、材料、流体力学等诸多领域，目前对流体通常采用的数值方法为边界元法与有限元法，边界元法无法考虑流体中的气穴现象，而有限元方法在解决冲击波的传播及气穴现象时必须采用十分精细的流体网格才能使结果收敛，影响了计算效率。
　　 为此，本文从水下爆炸流固耦合的基本现象入手，基于流体谱单元法探讨了非接触水下爆炸中冲击波及气穴与结构之间耦合作用的机理。谱单元作为一种高阶单元，综合了有限元方法的几何灵活性和谱方法的计算高精度性，具有较高的收敛性及计算效率，在采用谱单元方法的同时，本文还引入了流场位移势表述、相容内插流固耦合方法及压力场分离技术，进一步提高计算效率和精度。基于此，本文开发了相应的流体谱单元软件，并与通用结构有限元软件结合。
　　 本文基于流体谱单元方法对平板、球壳及加筋板架结构进行了水下爆炸数值模拟，通过数值结果与解析结果和实验结果的对比分析可知，应用谱单元方法能较好地求解流体运动，且达到一定的精度和计算速度；文中对这三种模型在水下爆炸载荷下的动响应特点进行了详细的分析，并探讨了流体中气穴现象的形成特点及其对结构产生的二次加载特性。本文将谱单元方法应用于水下爆炸流固耦合的研究中，旨在揭示水下爆炸流固耦合作用的机理，并为舰船水下爆炸提供一种新型有效的数值预报方法。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1目的及意义

1.2国内外研究现状

1.2.1不计气穴的水下爆炸流固耦合方法

1.2.2计及气穴的水下爆炸流固耦合方法

1.2.3水下爆炸流固耦合研究中的若干新进展

1.3主要研究内容和创新点

1.3.1主要研究内容

1.3.2创新点

第2章 水下爆炸瞬态流固耦合模型及数值方法

2.1流体连续运动方程

2.1.1总压力场表述

2.1.2散射压力场表述

2.2流体离散运动方程

2.2.1流体谱单元运动方程

2.2.2流体有限元运动方程

2.3结构有限元运动方程

2.4流体无反射边界条件

2.4.1总压力场模型的无反射边界条件

2.4.2散射压力场模型的无反射边界条件

2.5结构/流体/无反射边界耦合

2.5.1结构力公式

2.5.2流体力公式

2.6数值计算的稳定性

2.7误差分析

2.8本章小结

第3章 平板结构水下爆炸流固耦合特性研究

3.1谱单元数值模型有效性验证

3.1.1计算模型

3.1.2计算结果及讨论

3.2谱单元方法与有限元方法对比分析

3.2.1计算模型

3.2.2计算结果及讨论

3.3总压力场模型与散射压力场模型对比分析

3.4气穴现象讨论

3.5本章小结

第4章 三维球壳水下爆炸流固耦合特性研究

4.1计算模型

4.1.1几何模型

4.1.2仿真数值模型

4.2流体谱单元软件与结构有限元软件结合

4.3谱单元方法与有限元方法对比分析

4.4气穴现象讨论

4.5本章小结

第5章 加筋板架水下爆炸流固耦合特性研究

5.1计算模型

5.1.1实验模型

5.1.2仿真数值模型

5.2计算结果与实验结果对比

5.2.1板架变形对比

5.2.2板架中心壁压对比

5.2.3误差分析

5.3气穴现象讨论

5.4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

附录