水面艦船設(shè)備沖擊環(huán)境與結(jié)構(gòu)抗沖擊性能研究.pdf

1、現(xiàn)代艦船在海戰(zhàn)中必然會面臨非接觸爆炸引起的沖擊破壞問題。隨著導(dǎo)彈、激光炸彈和水中兵器的快速發(fā)展，爆炸當(dāng)量和沖擊持續(xù)時間明顯增加，為保證艦船的安全和正常使用，提高艦船生命力和戰(zhàn)斗力，應(yīng)對艦船設(shè)備沖擊環(huán)境與艦船結(jié)構(gòu)、設(shè)備抗沖擊性能進(jìn)行詳細(xì)深入的研究。 艦船承受水下爆炸載荷是艦船結(jié)構(gòu)在很短的時間內(nèi)在巨大沖擊載荷作用下的一種復(fù)雜的非線性動態(tài)響應(yīng)過程，屬大變形、強(qiáng)非線性問題。它涉及到水下爆炸沖擊波和艦船結(jié)構(gòu)的相互耦合作用，同時水下爆炸還包

2、含很多不確定因素，如水下爆炸的炸藥類型、藥量大小、炸藥到結(jié)構(gòu)的距離、水下環(huán)境、艦船自身結(jié)構(gòu)的特點等。由于水下爆炸的復(fù)雜性，對其進(jìn)行詳細(xì)的理論研究并企圖通過建立一個精確的數(shù)學(xué)模型而使水下爆炸問題得到完全解析是十分困難的。水下爆炸試驗固然可以獲得準(zhǔn)確可靠的結(jié)果，但它是一種極其昂貴的破壞性試驗，對環(huán)境及艦員產(chǎn)生巨大的損傷，不可能經(jīng)常性的采用，而且問題本身的強(qiáng)非線性特征和不確定性也使試驗結(jié)果存在很大的局限性。隨著計算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計算技術(shù)的發(fā)展，

3、使得計算機(jī)虛擬仿真試驗的作用地位日益突出，以數(shù)值仿真試驗為主，實驗試驗為輔的技術(shù)路線開始成為大多數(shù)國家海軍艦船抗沖擊研究的有效途徑，同時也成為今后艦船抗沖擊技術(shù)的發(fā)展方向。 本文采用理論分析、數(shù)值仿真和試驗驗證相結(jié)合的研究方法，對艦船結(jié)構(gòu)及設(shè)備的抗沖擊性能進(jìn)行了深入的研究。通過對顯式非線性有限元求解技術(shù)的消化吸收，研究了適合船舶水下爆炸分析的數(shù)值仿真方法，實現(xiàn)了炸藥爆轟、水下爆炸荷載在水中傳播、艦艇結(jié)構(gòu)在水下爆炸載荷作用下的動態(tài)

4、響應(yīng)的仿真過程。計算分析獲得艦船典型設(shè)備沖擊環(huán)境，建立典型水面艦船設(shè)備沖擊環(huán)境仿真預(yù)報的理論和方法，對艦船設(shè)備的沖擊環(huán)境進(jìn)行了仿真預(yù)報，在此基礎(chǔ)上提出了快速簡便、準(zhǔn)確可靠的艦船設(shè)備沖擊環(huán)境的預(yù)報公式，實現(xiàn)對大、中、小三型典型水面艦船設(shè)備沖擊環(huán)境快速、準(zhǔn)確預(yù)報，為進(jìn)一步開展艦船設(shè)備抗沖擊設(shè)計與研究打下了堅實的基礎(chǔ)。同時本文還對艦船結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能進(jìn)行了詳細(xì)的研究，探討了典型艦船在非接觸水下爆炸載荷作用下結(jié)構(gòu)的變形破壞模式及損傷機(jī)理，在此基

5、礎(chǔ)上對新型抗沖擊結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了探索，提出了吸能效果較好的四種新型結(jié)構(gòu)形式，并進(jìn)行水下爆炸模型試驗，對上述數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行驗證。 本文的主要研究工作如下： （1）對爆轟波理論和炸藥爆轟沖擊波理論進(jìn)行了研究，建立炸藥爆轟和水下爆炸荷載在水中傳播的數(shù)值仿真方法。采用大型通用有限元程序MSC.DYTRAN對水下爆炸載荷進(jìn)行了數(shù)值模擬和分析，實現(xiàn)了水下爆炸全過程數(shù)值仿真，獲得了水下爆炸載荷特點及變化規(guī)律。對水下爆炸載荷數(shù)值仿真技術(shù)

6、進(jìn)行了研究，探討了爆炸水域范圍、網(wǎng)格劃分大小、流場邊界條件、炸藥和水等參數(shù)的確定方法，引入無因數(shù)綜合網(wǎng)格尺寸系數(shù)，獲得最佳網(wǎng)格尺寸，解決數(shù)值仿真結(jié)果的精度問題。研究砂土、砂巖、巖石、絕對剛性等不同水底介質(zhì)對水中沖擊波的影響效果。試驗比較研究表明，本文的數(shù)值仿真方法能較好的模擬水下爆炸的爆轟過程及沖擊波的傳播過程。 （2）對艦船在水下爆炸載荷作用下的動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值仿真計算，獲得大、中、小三型典型艦船結(jié)構(gòu)與設(shè)備動態(tài)響應(yīng)特點。提出了

7、炸藥量、爆距等爆炸沖擊特征參數(shù)對典型艦船沖擊響應(yīng)的影響趨勢，總結(jié)出了影響的規(guī)律，獲得艦船典型設(shè)備沖擊環(huán)境，并分析了無限水深與剛性底面海底條件以及舷側(cè)不同角度爆炸等因素對水面艦船設(shè)備沖擊環(huán)境的影響規(guī)律。 （3）在水下爆炸載荷作用下艦船動態(tài)響應(yīng)研究的基礎(chǔ)上，分析典型艦船各主要設(shè)備位置處的位移、速度、加速度響應(yīng)特點，繪制其沖擊環(huán)境圖譜，建立爆炸沖擊因子、設(shè)備位置參數(shù)與沖擊環(huán)境之間的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，建立大、中、小三型典型水面艦船設(shè)備沖

8、擊環(huán)境仿真預(yù)報的理論和方法，對艦船設(shè)備的沖擊環(huán)境進(jìn)行了仿真預(yù)報，提出快速簡便、準(zhǔn)確可靠的艦船設(shè)備沖擊環(huán)境的預(yù)報公式，實現(xiàn)對典型水面艦船設(shè)備沖擊環(huán)境快速、準(zhǔn)確預(yù)報。實例計算表明，此方法快速簡便、準(zhǔn)確可靠。 （4）對水下爆炸載荷作用下艦船結(jié)構(gòu)損傷模式及構(gòu)件塑性變形能吸收特性進(jìn)行了深入的研究。在吸能理論研究的基礎(chǔ)上，提出了吸能效果好、結(jié)構(gòu)材料輕、制造工藝簡單、符合艦船設(shè)計要求的艦船雙層底新型抗沖擊結(jié)構(gòu)形式，計算其抗沖擊性能。分析艦船雙