水下接触爆炸作用下双层防护结构瞬态动力分析方法研究

摘要

水下接触爆炸是指装药点距离舰船结构较近、爆炸作用可对船体造成严重损伤的水下爆炸。近年来,随着武器精确制导技术的发展,舰船在服役期间遭受水下接触爆炸的风险逐渐升高。为了对水下接触爆炸做出有效防护,保证舰船在遭受接触爆炸后仍具有一定生命力,许多国家都在积极探索和发展新型舰船结构。然而,水下接触爆炸具有爆炸过程复杂、载荷种类繁多、非线性强等特点,现有的数值仿真算法还有一定的不足。
　　本文根据水下爆炸载荷的特点,对水下接触爆炸的数值模拟方法进行了研究,并探讨了不同结构形式的抗爆性能优劣。首先基于Navier-Stokes方程的有限差分格式,对水下气泡脉动过程进行数值模拟,实现了一种能够精确处理复杂形状自由液面边界的数值算法。针对当前气泡脉动仿真算法计算效率低下的情况,提出一种近场压力边界条件,通过势流理论对压力边界外的流场进行简化,从而有效提高了算法的计算效率。将计算结果分别与理论公式和实验数据进行对比,证明了该算法的可靠性与高效性。最后,对近壁气泡脉动和射流过程进行了批量数值模拟,总结了装药量和装药位置对射流尺寸、速度等参数的影响规律。基于气泡脉动模拟得到的射流冲击参数,提出了一套冲击波-射流联合作用下的双层结构动态响应模拟的计算流程。这部分研究主要基于Msc.Dytran有限元求解器。首先将射流冲击作用进行单独模拟,得到冲击载荷在时间和空间上的分布;再通过用户子程序将该载荷加载到冲击波作用流固耦合模型中;同时,用户子程序还定义了外壳破坏、双层壳间进水后的内壳受力情况;此外,模型还考虑了双层壳间的接触作用和材料的屈服与破坏效应。应用该计算流程对“I”形双层结构和“Y”形双层结构进行批量计算,分析了各种结构设计参数对其抗爆能力的影响,并通过对比证明了“Y”形抗爆结构的优越性。最后对板架结构受射流冲击作用的流固耦合过程进行数值模拟,总结了不同强度的射流冲击作用下结构的三种破坏模式。

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第一章 绪论

1.1 研究目的与意义

1.2 水下接触爆炸基本现象

1.3 研究进展

1.4 本文研究内容

第二章 气泡动力学数值模型与求解方法

2.1 气泡动力学问题基本理论

2.2 气泡脉动数值模拟算法

2.3 近场压力边界算法

2.4 计算流程

2.5 本章小结

第三章 气泡动力学数值模型计算结果分析

3.1 算法可靠性验证

3.2 近场压力边界与远场压力边界计算结果对比

3.3 近壁气泡脉动过程分析

3.4 爆炸初始参数对气泡脉动特性的影响分析

3.5 本章小结

第四章 水下接触爆炸流固耦合分析的基本原理与应用

4.1 欧拉-拉格朗日耦合算法原理

4.2 结构受水下冲击波作用的数值模拟方法

4.4结构受射流冲击作用的数值模拟方法

4.5 本章小结

第五章 结构受水下接触爆炸载荷作用下的防护性能研究

5.1冲击波-射流联合作用下结构响应数值模拟方法

5.2 冲击波射流联合作用下双层防护结构响应数值模拟实例

5.3 水下接触爆炸作用下结构抗爆性能分析

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 主要研究工作总结和结论

6.2 进一步工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢