（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）水下爆炸载荷作用下的船体总强度计算方法研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 本文考虑舰船在实际海况中航行遭受非接触水下爆炸载荷作用，考虑了 气滋脉动载薄弱波滚载蕊楣互俸瘸下黠麓体总体璃应静影稳，本磅究海在疆 究包括静水弯缎和波浪弯矩以及气泡脉动压力等在内的外载荷作用下的水面 舰船船体的总强度问题。 蓠先，应髑声霞藕合法对麓麓置秘熬燮载教下爆黪模墨送行了谤冀萃瑟分 析，总结和分析了采用声圃耦合法进行水下爆炸数值模拟分析时应注意的方 法和技巧，并把计算结果与蜜测数据进行比较分析。 其次，在磷究将鼹艇懿慈缀弯葭时，本文将套蛞黪受势力转化妓节点力 施加到船体上，通过比较有限元的计算结果和理论解，表明只要施加合理的 边界条件，本文所采用的方法在工程领域中是可用的。 第三，数馕摸接趣船受爆炸载蔫非爝的整个过程，邋过丈量姆待箕，分 柝和总结了蓊戗在舰船附近戳不同位置、不同深度、不同装药量爆炸时气泡 脉动载荷对船体总纵强度舳影响，得出了一些有规律性的曲线；并总结出水 下爆炸载蘅作髑下船体总强嶷的校核方法。 第西，对水箍蕊船的滠模态进行数谴计算，在计算东西舰船静滠模态时， 计及舰船周围流场的影响，本文应用耦合法求解舰船的湿模态，并与传统方 法比较分析，分柝表明：藕合法求解水磷舰船的湿模杰是有效的，可行的。 第五，研究+ 7 渡滚载蕊与承下j 接皴艨落载蔫联合作屠下鲍承戮麓艇靛 体结构冲击安全性评估计算方法，包括确定总强度校梭方法、安全半径、破 坏半径的判断标准及计算方法；并校核了典型工况下气泡脉动载荷以及气泡 熬动载蔫窝波滚载骛联台终建下麓钵懿慈级强度，诗藏结暴表臻：梭孩凝爨 船体在气泡脉动载荷作用下的总纵强度的同时必须计入波浪载荷的影响。 荚键竭；拳下爆炸；气浚辣动；波渡 慈强度；湿棱泰；声强藕合法。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t i ti sc o n s i d e r e dt h a tw a r s h i pi se x p o s e dt on o n c o n t a c tu n d e r w a t e re x p l o s i o n l o a d sw h e ns a i l i n g0 nt h es e aa n dh u l l so v e r a l lr e s p o n s e so ft h ew a r s h i p s u b j e c t e dt ot h ec o m b i n a t i o n 醴n ：b b l ep u l s a t i o nl o a d sa n dw a v el o a d si nt h i s p a p e r ，t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri si n v e s t i g a t i n gt h eo v e r a l ls t r e n g t ho fs m f f a c e w a r s h i ps u b j e c t e dt oe x p l i c i tl o a d si n c l u d i n gs t a t i cb e n d i n gm o m e n t s ，w a v e b e n d i n gm o m e n t sa n db u b b l ep u l s a l i o np r e s s u r e f i r s t l y ，t h ep a p e ra n a l y z e ss e v e r a lt y p i c a lu n d e r w a t e re x p l o s i o nm o d e l so f w a r s h i pu s i n gc o u p l e da c o u s t i c * s t r u c t u r a la r i t h m e t i c t h em e t h o d sa n dt e c h n i q u e s a r es u m m a r i z e du s i n gc o u p l e da c o u s t i c - s t r u c t u r a la r i t k n e t i ct ot h en u m e r i c a l s i m u l a t i o n a n a l y s i s o fu n d e r w a t e r e x p l o s i o n a n dt h e c a l c u t a t i o n a la n d e x p e r i m e n t a ld a t aa r ec o m p a r e da n da n a l y z e d s e c o n d l y ，t h ep a p e rf f a n s f o r r n st h ee x p l i c i tf o r c e so ne v e r ys t a t i o ni n t on o d e f o r c e sa c t i n go nw a r s h i pd u r i n gr e s e a r c h i n go no v e r a l ll o n g i t u d i n a lb e n d i n go f w a r s h i p ，t h et m i t ee l e m e n tr e s u l t sc o m p a r ew i t ht h et h e o r e t i c a ir e s u l t s t h e c o m p a r a t i v er e s u l ts h o wt h a tt h ea r i t h m e t i ca d o p t e di nt h ep a p e ri sf e a s i b l ei n e n g i n e e r i n gf i e l d 。 t h i r d l y ，t h ep a p e rs i m u l a t e sn u m e r i c a l l yt h ew h o l ep r o c e s so fw a r s h i p s u b j e c t e d t ou n d e r w a t e r e x p l o s i o nl o a d s t h r o u g hp l e n t y o fn u m e r i c a l c a l c u l a t i o n , t h ep a p e ra n a t ) 睨e sa n ds u m m a r i z e st h a tt h eb u b b l ep u l s a t i o nl o a d s h a v ea ne f f e c to no v e r a l ll o n g i t u d i n a ls t r e n g t hw h e nt h ed y n a m i t ec h a r g e sb l a s t n e a rt h ew a r s h i pa td i f f e r e n tp o s i t i o n ，d i f f e r e n td e p t ha n dd i f f e r e n tc h a r g e s w e i g h t 。f u r t h e r , t h er e g u l a re 拄sa r eg a i n e da n dt h ec h e c k - u pm e t h o d so f o v e r a l ll o n g i t u d i n a ls t r e n g t ha r es u m m a r i z e du n d e r g o i n gu n d e r w a t e re x p l o s i o n l o a d s f o u r t h l y , t h ep a p e rc a l c u l a t e sn u m e r i c a l l yt h ew e tm o d eo f s u r f a c ew a r s h i p 。i t 哈尔滨工程大学硕士学位论文 s h o u l dc o n s i d e rt h ei n f l u e n c eo ft h ef l u i df i e l da r o u n dt h ew a r s h i pd u r i n g c a l c u l a t i n gt h ew e tm o d e t h ew e tm o d eo fw a r s h i pi sd e d u c e du s i n gc o u p l e d a c o u s t i c s t r u c t u r a la r i t h m e t i c c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a la r i t h m e t i c ，t h ea n a l y t i c a l r e s u l t ss h o wt h a tu s i n gc o u p l e da c o u s t i c s t r u c t u r a la r i t h m e t i ct os o l v et h ew e tm o d e i sv a l i d i t ya n df e a s i b i l i t y f i f t h l y , t h ep a p e ri n v e s t i g a t e sc a l c u l a t i o n a lm e t h o d sa b o u tt h es h o c k i n g s a f e t ye v a l u a t i o no fs u r f a c ew a r s h i ps u b j e c t e dt ot h ec o m b i n a t i o no fw a v el o a d s a n dn o n c o n t a c tu n d e r w a t e r e x p l o s i o nl o a d s ，i n c l u d i n ge n s u r i n gc h e c k u p m e t h o d so fo v e r a l l l o n g i t u d i n a ls t r e n g t ha n dt h ec r i t e r i o n a n dc a l c u l a t i o n a l m e t h o d sa b o u ts a f e t yr a d i u sa n dd a m a g er a d i u s o v e r a l ll o n g i t u d i n a ls t r e n g t hi s c h e c k e dw h e ns u b j e c t e dt ob u b b l ep u l s a t i o nl o a d sa n dt h ec o m b i n a t i o no f b u b b l e p u l s a t i o nl o a d s a n dw a v el o a d su n d e rd i f f e r e n t t y p i c a l s i t u a t i o n s t h e c a l c u l a t i o n a lr e s u l t ss h o wt h a tc h e c k i n gt h eo v e r a l ll o n g i t u d i n a ls t r e n g t ho f w a r s h i ps u b j e c t e dt ob u b b l ep u l s a t i o nl o a d sm u s ti n v o l v et h ei n f l u e n c eo fw a v e l o a d s k e yw o r d s ：u n d e r w a t e re x p l o s i o n ；b u b b l ep u l s a t i o n ；w a v e ；o v e r a l ll o n g i t u d i n a l s t r e n g t h ；w e tm o d e ；c o u p l e da c o u s t i c s t r u c t u r a la r i t h m e t i 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：触 日期：秒够年月么一日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第 章绪论 1 ，1 引言 当前，圈际军事竞争静焦点目益集中在争夺海上控制权，要取褥海上控 制权需要一支强大的海军，海军的强大，舰船的抗爆抗冲击技术研究是世界 上营遍关注骢润题，它关系到舰船的安全性能。并虽飘船躲造侩极搿，必须注 潦至l 舰艇鑫己的抗打击性，霞前各国海军对鸯觅船在极端清况下的强凌要求越 来越高。而现行设计和研究船体总强度时一般只计入觎括波浪、抨击等在内 盼外载荷，并没有包括水下爆炸后的气溆脉动载荷。 实舔上任德一条缍长麓瑟，当遭受承中兵器瀑终黢击露，除受到次渖 击波的瞬时破坏作用外，程各种程度上都会受到气泡脉动的影响。理论和试 验都表明，当爆炸距离船体较远时，船体响应以气泡脉动频率即激励力频率 为主；当矮炸离船俸兹距褰套予或接遥躲髂长度鑫，究其当承审兵糕瀑蓐导 致的气泡脉冲频率与船体菜阶固有频率一致或接近时，船体会产生严重的鞭 状起伏运动，当鞭状运动有足够大的幅胰时，会引起船体梁屈曲、船壳撕裂 及麓律总强度受撰。著萎莱些工猿下气滚默动熬瘸麓与波浪静瘸裁攥麓一量 缀，气泡运动会引起波浪载荷很大的改黛，因此舰船在实际海况中航行遭受 非接触水下爆炸载荷作用时，必须考虑气泡脉动载葡和波浪载荷楣互作用下 鼹瓣钵憩强发拣影瀚，本磷究罄在硬究惫括势承弯簸秘波漫弯矩以及气逛髂 动压力等在内的外载荷作掰下静东面舰船船体总强度问题。 研究波浪载荷与水下非接触爆炸溅荷联合作用下的水面舰艇舰体结构 冲击安全性评估计算方法，包括确定总强度校垓方法、安全半径、破坏半径 的判断标准及计算方法。建立一套适属于承面舰虢艇体结构抗冲击设计计算 方法，研究其结构设计的合理性，使其能够用于其它水面舰艇舰体抗冲击性 鼹的评估、校核帮优化设计，进丽指导髋体结构设计 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 水下爆炸气泡脉动研究概述 首先简单的介绍下水下爆炸气泡的形成，水下爆炸一般呈现两个阶段， 冲击波阶段和气泡脉动阶段。在冲击波阶段，冲击波波头具有突跃形式，帽 值迅速达到最大，突越后紧接着近似于按指数规律衰减，衰减后持续时间不 超过数毫秒；当冲击波过后，爆炸的气体生成物( 气泡) 在冲击波辐射后， 由于惯性的作用，气泡以逐渐衰减的速度继续膨胀，气泡内压力不断减少直到 少于环境压力。当气泡半径达到最大时，此时气泡内部压力最小，气泡开始 收缩。由于此时环境比气泡内部压力大得多，气泡迅速坍塌至最小，同时气 泡又开始膨胀，向外流场辐射二次压力波。一旦气泡半径在第二次达到最大 时，气泡又开始收缩。同样的膨胀收缩重复好几次。在气泡脉动期间，由于 浮力的作用下气泡不断往上升，当气泡到达自由表面时气泡破灭，形成水冢， 前者容易造成舰船结构局部板的严重破损；而后者容易使船体产生振荡，从 而造成严重的总体结构破损。气泡脉动的周期、最大半径与药包的爆心和装 药量有关系。下面分别从理论研究、实验研究和数值仿真三个方面对水下爆 炸气泡脉动的研究现状进行概述。 1 2 1 理论研究 ， 自从2 0 世纪4 0 年代以来，人们对水下爆炸气泡脉动现象展开了大量的 理论研究工作，对气泡在自由场中的运动特性，包括气泡周期、最大半径计 算公式以及周围流场压力分布等都有一定的研究。 1 9 6 0 年，c o l e “3 在理论上系统地介绍了水下爆炸产生的气泡脉动、二次 压力波以及自由表面等现象。1 9 8 6 年，h e a t o n 等人建立了对称轴独立变化的 椭圆体模型，研究了气泡运动过程中的非球形效应和能量辐射损失的影响。 结果发现，由于非球形效应使得气泡在脉动过程中的实际上升速度比按球形 计算的理论值要低。t e m k i n 综述了小药量水中爆炸所产生的气泡脉动压力在 水中的传播规律，他分析了非线性声学的适用性之后指出在很多情形下实际 上可以忽略非线性因素。v e r n o n 从理论上研究了水面舰艇在水下爆炸产生的 气泡作用下的鞭状效应( w h i p p i n gr e s p o n s e ) ，建立了理论模型并进行了结 2 咯尔滨工程大学硕士学位论文 构动力学分析。1 9 9 0 年吴秀等人对鱼雷、导弹和核武器等水下爆炸时产生的 裴精特点进行了论述，莠分枣嚣了冲击波、气逸脉动和二次热载约产生过程拳：1 它们对船体的作用。1 9 9 4 年，n e h a u t e 综述了水中爆炸所形成的水中波系 ( e g w w ) 产生和传播的理论和试验结果。文中分析了线性理论和非线性理论 麴适用范围，指蹬对泼水爆炸啦应该使用非线性理论逆行分析。除理论分析 外，文中还攥及了实验室中模拟水中波系瓣方法并鼹数值方法研究了承中矮 点附近波系和气泡的运动状态。2 0 0 2 年g e e r sa n dh u n t e r 建立了 g e e r s h u n t e r 模型可以用米计算水下爆炸后冲击波阶段流场中任意一点的 压力辩历整线8 。关于大装药量懿搏蓊在承嚣艇艇帮游艇辫透瀑炸掰产生匏 气泡对船体的破坏作用是嗣前国际上研究的热点之一。当装药在水面舰艇底 部爆炸时，在气泡的边界接触船体之前起跑的膨胀水流将船体抬起，此时船 髂懿受力类酝程波渡中匏中拱，嚣当气滚继续囊上运鞠辩气泡与瓣髂发生藕 合，由于气泡内部的气体不足以给船体提供浮力，因而船体中部在氆力作用 下下沉，而舰酋和舰尾仍然受到海水浮力的作用，此时船体的受力类似于波 滚中豹中萋状态。由予气溆懿褥洼不嚣予波浪，其酸塔犍魄波渡中赦中垂羁 中拱要严重得多。 1 2 2 数值研究 蠹子隶下爆炸气泡憨动过程 露复杂，单麸势滚壤论是适蹋予搿决较饕 单的问题，不适合求解复杂的工程求解，因而数值分析是有效的近似手段。 数值分析的精度依赖于描述的模型，如本构关系、状态方程等。目前数值方 疆一般是近鸯鎏麓，爱鼓数德分辑豹精度一般不蹇予透钕方程麴穰痰，因瑟其 鼷用性受到一定限制。但在大多数情况下，人们可以通过建立合适的计算模 溅使计算结果与实验结果吻合。这样数值计算就可以娃示整个气泡脉动过程 瓣秘瑾圈缘，经人疑对过糕中发生夔瑗蒙窍渍囊瓣瑾薅，透秀掺嚣下一步工 作。通常的数值分析方法怒有限差分法和有限元法。与有限元差分法相比， 有限元法具裔强活的网格选取划分、边界条件和边界形状的处理铸优点，现 在已藏为爆烽渤力学的重娶数毽方法。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 9 6 0 年，c u s h i n g 总结了水下爆炸时水面空泡和波浪所依从的变化规律， 并提出了相应的计算公式。1 9 8 5 年h e a t o n 在引入耗散势的基础上对水下爆 炸气泡的迁移运动进行了数值模拟，分析中考虑了滞后效应和能量耗散等因 素的影响。1 9 8 8 年l i n d q u i s t 利用波阵面示踪法( f r o n tt r a c k i n g ) 对水下 爆炸气泡的收缩和破裂进行了一维和二维的数值仿真，并评价了该方法的有 效性。w i l k e r s o n 针对水下爆炸气泡的数值模拟方法进行了探讨，他采用 d y s m a s e l c 有限差分程序分析了刚性壁和自由界面对于气泡的形成和脉动 的影响。并比较了采用可压流体理论和不可压流体理论分析了该问题的优缺 点。之后他又利用边界积分分析了气泡脉动的脉动过程及其与刚性壁和自由 面的相互作用，得到了气泡周期、最大半径以及再入射流速度等参数，最后 与相关试验结果进行了比较。1 9 9 5 年s w e g l e 将光滑粒子流体动力学 ( s m o o t h e dp a r t i c l eh y d r o d y n a m i c s ) 运用于水下爆炸的数值模拟，研究认 为如果将该方法和有限元结合起来可以很好的模拟水下爆炸现象。1 9 9 6 年， m e n o n 从数值计算和实验两个方面对水下爆炸的一些现象进行了分析。他发 现气泡界面不稳定的主要原因是r e y l e i g h t a y l o r 不稳定性。同时文中还分 析了气泡塌陷( c o l l a p s e ) 形成的水射流( w a t e rj e t ) 以及涡流环气泡( v e r t e x r i n gb u b b l e ) 、气泡与气泡之间以及气泡和固壁之间的相互作用等问题。李 玉民等人采用龙格库塔法数值模拟了气泡脉动的半径、周期和水中压力。近 年来，研究人员开始边界积分方法”“求解气泡运动。2 0 0 2 年， r u n g s i y a p h o r n r a t 等人用边界积分的数值方法计算了水下爆炸后产生的两 个气泡粘和成一个气泡的过程并与各种实验数据进行了对比，发现计算结渠 与实验情况比较吻合。2 0 0 3 年，w a n g 等人用一种直接边界元方法研究了水 下爆炸三维气泡在流场中的运动特征“。2 0 0 4 ，j i n k e u n 等人用d y n a f lo w 软 件研究了气泡在涡流中的运动和分裂过程“”。 1 2 3 试验研究 在理论上由于水下爆炸气泡脉动问题涉及到气体与液体的相互耦合作 用，数学物理模型的建立尚不十分完善，且由于较强的非线性因素使得数值 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 工作量十分大。试验的验证都是十分必鼹的。但是由于水下爆炸试验的经费 之篷大，瞧在定程度上黻铡了发展中黧家试验研究的开展。二竣以来人们 对水下爆炸气海脉动的研究整视起来。獒阐、英国莘珏德国纷纷彳乍了大量的包 括实船在内水下爆炸气泡脉幼试验研究。 1 9 8 0 年h e l m 采爆纹影提机对硝慕警烷水下爆炸产生豹气泡滋于亍了研 究，摄影结慕与一维数值傍蕊结果吻合较磐。1 9 9 5 年，印度海军水谣作战中 心的g h a h i n e 等人采用水下放电的方法来模拟水下爆炸气泡的动态特性获得 了成功。日本l t o h 等人利用纹影相机和分幅相机对p b x 塑基炸药期s e p 安 全炸药进行了承下瀑炸试验磷究，摄影蕊察了冲击波秘气遗静运囊，最后蘑 任意拉格朗日和欧拉法进行了数值模拟。2 0 0 2 年，c h a h i n e 等人开发了 3 d y n a f s 程序用于模拟水下爆炸气泡与水中狭长结构的祸合作用【9 】，他们把 态速摄影实验鬻冀纛毽秘瓣模攘结果遂行沈较，发囊攘攘襞栗与实簸德提毙 较吻合；王建藏研究了炸药试样入水深度和气泡脉动周期的关系i i 踟，并将测 定的气泡脉动周期与计算假进行了比较。研究认为自由表面和池底对炸药的 毙气逛藐毒影孵，当试撵入承深度受实漠l 起戆周麓与深度关系塑线嬲理论诗 算曲线的交叉点所对应的深度时，自由袋面和池底对气泡脉动的影响可以相 亘对消。炸药试样在此深魔下所产生的气泡能与无限水域所产生的气泡能相 当。1 9 9 8 年，攀霆华等对浮动乎台在水下爆炸季# 爱下豹冲击谱进萼j ：了实验铡 激，他认为承下爆炸气泡膨胀产生的滞餍流对安装频率为数十赫兹的规船设 铸的冲击振动起着重要作用，二次脉动则可能引起船体的整体共振。2 0 0 1 年， 攀玉节等采麓戳t e 7 0 2 塑料铡戏的某驱逐溉弹缩比弹慷船模在中国瓣艟科学 掰究中心爆炸试验水溜傲了系确鞭状效寝试验磅究 1 9 1 ，验证了李瓣华匏结 论。在远距离爆炸时，气泡脉动压力可能会激起船体一阶振动。当爆距和船 长靼当时则会诱导船体的离阶共振，因丽会产生严重的骤动效应，经船体发 生破坏。当装蓊在瑟靛底部爆炸释最荛蔻险，嚣对躲辨应交最大，虢营帮麓 鼹变形最为严蘸。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 爆炸载荷作用下的船体破坏形式 怒舞在羧斗中不可遂受戆会遭至l 黢穷戴器兹袭壹。对手沉底拳黉、深拳 炸弹等武器通常在离舰船数米至上百米的位置爆炸即所谓非接触水下爆炸。 邋种爆炸通常不会使船体产生严重的破损而导致舰船的沉没，但是可能引起 躲棼尉烈振动嬲较大塑戆交影，导致勰上套类重要设餐广泛浆冲击破坏及艇 船总体结构的破掼，使舰船失去战斗力。本节只研究舰船在非接触水下爆炸 躐荷作用下的冲击响应。 。3 。 拳中馨接魅瀑烁对艇船的酸甥 睾焉 水中非接触爆炸按其作用和对舰船的破坏程度大致可分为两种情况：近 距离爆炸( 即装药与目标间的距离小于气泡的最大半径) 和远距离爆炸( 即 装药与基稼阕瓣筵褰太予气浚最大半径) 。 近距离水下非接触爆炸时，冲击波、气泡脉动压力和爆轰波三者都将作 用于舰船上，它不仅能使舰体产生局部性严重破损，间时，还会使舰体沿船 长方窝窭瑗较大兹裂缝，毽鬣蘩玻损较接皴爆薅轻，缀凌影璃懿薄弱去| l 大缮 多，炸药在船体舷侧很近躐离落下并爆炸，使船体遭受的损伤情况，随海面 落点到舷侧距离的不同丽脊很大的差异，典型的近躐离非接触水下爆炸实况 懿下图l 。1 爨示： 图1 1 典型的近距离非接触水下爆炸实况 远距离非接触爆炸时，舰船主要受冲击波的作用，气泡、压力波的作用 郄是次要豹。淡瓣在冲击波的主要终震下，怒钵浴船长方露产生太嚣积豹内 哈尔滨工程大学硕士学位论文 凹和裂缝，直接破坏舰体的水密性和坚固性，但一般不会产生金属脱落。 在第二次世界大战中，普通装药武器水中非接触爆炸对舰船的破坏作用 相当严重，加之二次大战后，核武器的出现，非接触爆炸的问题越来越引起 各国的注目。非接触爆炸与接触爆炸相比，具有两个明显的特点：一是接触 爆炸首先破坏船体，然后主要破坏爆炸区的机械设备及人员杀伤。而非接触 爆炸则是由强烈的冲击振动破坏机械设备和杀伤人员，舰体往往只产生较大 的塑性变形而很少出现大破损。二是接触爆炸在爆炸区有局部性的严重破损， 而在舰船其他区域没有破损或只有轻微破损。非接触爆炸对舰船的破坏则是 全舰性的。非接触爆炸对舰船的破坏作用，主要包括对舰体的直接冲击波损 伤，对技术装备的冲击振动损伤以及对人员的冲击振动杀伤三个方面。 1 3 1 1 对舰体的直接冲击波损伤 水中爆炸对舰体的直接冲击波损伤不仅与装药量和离爆心的距离有关， 而且与舰体结构特性、方位、海底情况和海况等多种因素有关。舰体受到水 中冲击波的作用，直接影响到船体总强度和局部强度。如果海况比较严重， 冲击波引起的船体总弯曲与船体升沉、纵摇运动相叠加，可能导致船体产生 很大的总体变形，甚至断裂。如果非接触爆炸发生在船底，情况会更为严重， 冲击波首先破坏船体，接着是气泡上浮时扩大船体的破损。随着爆炸距离的 加大，非接触爆炸对船体的破坏就减轻。距离较远时，冲击振动就成了主要 的破坏因素。 1 3 1 2 对技术装备的冲击振动损伤 舰船在水中武器非接触爆炸作用下，产生剧烈的冲击运动，随后是升沉 和纵摇运动，同时伴随着砰击。这些运动通过船体结构传递到舰船内的各种 机械、装置、设备、仪器等，造成这些设备的冲击损伤。根据水中装药量大 小和爆炸距离的不同，造成技术装备冲击损伤程度的不同。从第二次世界大 战的战例以及实船爆炸试验的情况看，冲击振动造成设备的破坏，有以下几 种情形： ( 1 ) 主机、付机本体破坏，致使主机、付机不能运转，造成全舰停车停电， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 这在战争情况下是很严重的； ( 2 ) 由于冲击波通过海底门传入海水管系，造成海底管系破裂或某些部件 损坏； ( 3 ) 基座产生塑性变形和屈曲； ( 4 ) 由于冲击振动造成严重的剪切和拉伸，使一些连接件遭到破坏。尤其 是连接螺栓最易遭到破坏； ( 5 ) 脆性材料和铸件最容易震裂； ( 6 ) 电子仪器和航海设备等容易震坏或零件震脱。 冲击振动所造成的船上冲击环境是很复杂的。冲击振动造成的船体冲击 响应，在船体各个部位是不同的，对于水面舰船来说，垂向冲击速度是主要 的。船体的冲击运动通过垂直构件向上传递，由于船体结构的缓冲作用，使 得各层平台和甲板所承受的冲击响应随着层次的提高，一层比一层小，高频 运动分量逐渐地衰减，从这个意义来说，船体可以看成一个低通滤波器。通 常机械设备的固有频率范围较低，安装在上层甲板的设备承受加速度比底部 小，但固有频率低，有可能引起共振遭到更大破坏。 1 3 1 3 对人员的冲击 水中非接触爆炸引起舰船冲击振动对舰船上人员的冲击振动杀伤问题， 一直是海军舰船防护的重要课题。舰船上人员对冲击运动的响应可分为两种 状态：其一，当冲击波作用到船体结构时船体结构开始为加速阶段，这时人 员处于压缩状态，承受很大的加速度；其二，以后船体结构为减速阶段，将 人员高高弹起，飞离所在部位。人员在不同阶段产生不同损伤。加速阶段时， 人员通过脚或臀部将突然施加的冲击力迅速传递到人体各部位，人体受到向 下的惯性力作用，使骨骼承受很大的压缩应力，可能发生压缩性损伤和骨折。 同时内脏各种器官产生较大位移，引起内脏与骨骼间、内脏相互间发生碰撞、 挤压，造成内脏各种器官的损伤。由加速度引起的内脏损伤一般属闭合性损 伤。根据大量实验可得的资料，一般认为人员能承受2 0 9 的加速度。减速阶 段时，人体飞离甲板，容易与周围的设备相碰，造成二次损伤。 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 2 爆炸裁荷作用下的船体晌应 一毅瑟亩，净壹渡载蕊蠢传蠲时淹短，压力漳毽大戆特点，逶露会萼l 超 船体的局部破坏，如出现局部塑性区、局部破口等；而冲击波过后的气泡脉 动载荷有作用时间长( 频率与舰船的一阶瓣向固有频率相当) ，压力峰值小的 特点，通常搜麓俸产生鞭状运动，放焉弓| 起鼹躲豹总镕玻蓼，翔援蹶等，图 1 2 所示。 1 2 舰船在气泡脉动载荷作用下折断 关于大装辅量的炸药在水面舰艇和潜艇附近爆炸所产生的气泡对船体 豹簸嚣终翊遐瓣兹国嚣土磷究夔热点之一。当装药褒承嚣觏艇疼部瀵j 蓐时， 在气泡的边界接触船体之前气泡的膨胀水流将船体抬起，此时船体的受力类 似在波浪中的中拱，而当气泡继续向上运动时气泡与船体发生耦合，由于气 海蠹部蕊气体不足缢绘躲棼提供浮力， 溉曾和舰尾仍然受到海水浮力的作用， 因薅麓薄中部农重力终矮下下沉，嚣 j 魄时船体的受力类似于波浪中的中垂 状态。由于气泡的特性不同于波浪，其破坏性比波浪中的中垂和中拱要严重 褥多。显然，龌究极端状援下熬艇船舰体惑强度对海攀艘黯结l 訇安全设计有 黧要的意义。 综上所述，从以上国内外研究现状可以看出，关于水下爆炸气泡在静 水中的运动以及其激起的船体鞭状运动在已有研究，从事这方面工作的有 哈尔滨工程大学碳士学位论文 l t i c k s 、b a n n i s t e r 、v e r n o n 、s t e t t l e r h 和李玉节等，他们的研究结果得到 了比较一致麴认识，认为气泡稼动对船体总强度的影嚷楚不可忽视粒，但趣 们的工作都有一定的局限髓，如水下爆炸气泡被假设为静止或认为气泡仪彳乍 一次脉动等。且现行设计和研究船体总强度时一般只计入包括波浪、抨击等 在内的外载荷，并没有包括气泡脉动载耢在内的7 k 下爆炸载萄，爆炸载蔚作 溺下瓣躯体憨强度的校核方法在我国还没有形成一套成熟静靛范，气泡稼动 裁荷与波浪载衙联合作用下的船体总强殿计算方法更为罕见，而这又是我国 海军舰船建设急需解决的阐题。本文从提高舰船船体结构冲击安全性出发， 磷究渡渡载蕊写承下 按熊瀑络载蓠联合俸爱下貔隶嚣凝船鼯俸拣狰击淫麓 评估计算方法，包括确定总强度校核方法、安全半径、破坏半径的判断标准 及计算方法，建立一套适用于水面舰船船体结构抗冲击设计计算方法。 4 论文酶塞要研究内容 本论文是根据海军装锯研究院舰船中心提出的x x x x 舰舰体总强度抗冲 击设诗、评估与校核计算方法研究项目蕊进行的。其翳的为：研究水下非接 触爆炸作用下酶东面麓艇勰侮结孛驽冲击安全性译蘩诗舞方法及稻关软俘，建 立一套适用于工程应用的水面舰艇舰体结构抗冲击设计计算方法，使其能够 用于水面舰艇舰体抗冲击性能的评估、校核和优化设计，进而指母舰体结构 设计。铮对x x x x 魏懿疆转缝稼逡嚣拳下菲接簸瀑络懿讦算及藐渖击注箍评 估，研究其缩构设计的合联性。 本文将主溪进行以下几方面工作： 1 ) 霹凡秘麓簸零下瀑烽爨鍪蜜镬遗行了数篷摸攒分掇。应露国器_ 兰逮惩鹃 有限元软件a b a q u s 中的声固耦合算法对舰船几种典型的水下爆炸模 型进行了计算和分析，总结和分析了采用声固耦合算法进行水下爆炸数 篷模投分撰装瘟注意熟方法帮技巧，并恕邦分诗箕数据彝实溅数摇送行 对比分析，结果表明：运用数值分桥的手段可以眈较真实地模拟舰船水 下爆炸的实际，计算结果与实测数据基本吻合，w 以满足工程鞭求。旨 在探讨题声强糕合算法模接舰艇承下爆炸是可行瓣： 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 ) 船舶总纵弯曲计算的传统的方法是将船体看作船体梁，再根据粱的弯曲 理论求熬越体最蔻殓裁露豹最大应力，在本文中，褥各站掰受外力转化 成节点力施加至i 艏体上，通过比较裔限元的计算结果和理论解，表明只 要施加合理的边界条件，本文所采用的方法在工程领域中是可用的，对 耀关研究和工程计算具有一定参考价德； 3 ) 应蘑声露鞴合算法模锨分拆了溉耱受爆炸载荷俸掰的整个过程，包括冲 击波载荷作用和气泡脉动引起的脉动载荷作用。计算结果与实测数据基 本吻合；通过大量的数值模拟计算，分析和总结了药包在舰船咐近以蠢； 同位委、不露深度、不满装药量爆炸辩气海藏蘸载荷对麓俸惑缀强度楚 影响，得出了一些有舰律性的曲线；并总结出水下爆炸载荷作用下船体 总强度的校核方法； 4 ) 应嗣 线毪毒陵元获传a b a q u s 对承嚣怒器懿滠模态逡学数蕊谤舞， 在计算水词舰船的湿檬态时，要计及舰船周国流场的影响，因此本文提 出了两种计算水面舰船湿模态的方滋，一种是以附连水形式将附连水的 震量直接熬在怒瓣模黧上。另一秘楚涛怒艇弼嚣豹滚场送行有羧元戆精 确模拟，使流场和舰船耦合，并经行对比分析，分析结果表明：祸合法 求解水丽舰船的湿模态是有效的，可行的。 5 ) 考虑怒船在波浪中航行辩，这时舰艇爱波渡弯辍瓣作瘸，j 避辩舰艇遭受 鱼雷或永甏等水下武器竣击时，舰黯将承受波浪载荷和水下爆炸载荷静 联合作用，本文研究了波浪载荷与水下非接触爆炸载荷联合作用下的水 嚣舰艇舰体结秘冲击安全性评估计黪方法，包括键定总强度校梭方法、 安全半校、破坏半径瀚翔断标准及计算方法，建立了一套遥瘸子东面艇 船在波浪载荷与水下爆炸载荷联合作用下船体总纵强度的校梭方法。并 校核了典溅工况下气泡脉动载荷以及气泡脉动载稽和波浪载赘联合作用 下船俸斡憨缀强度，计箨结栗表露：梭孩巍蘼籍俸在气泡躲碜载荷作震 下的总纵强度的同时必须计入波浪载荷的影响。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章声固耦合方法在舰船水下爆炸中的应用 2 1 引言 有限元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种在计算力学等 科学领域内最有效的现代计算方法。经过这么多年的发展，国际上出现了一 系列的大型通用有限元软件，它们以功能强、用户使用方便、计算结果可靠 和效率高雨逐渐形成新的技术商品，成为结构工程强有力的分析工具。目前， 有限元法在现代结构力学、热力学、流体力学和电磁学等许多领域都发挥着 重要作用。在计算爆炸力学方面，目前三维有限元计算程序也已经比较成熟。 当前，在我国工程界比较流行且被广泛使用的大型有限元分析软件有 a b a q u s 、l s d y n a 、m s c d y t r a n 等。这些有限元程序都很适合于分析 水下爆炸现象及其对水下目标的破坏效应。 模拟水下爆炸过程时，l s d y n a 采用a l e 算法，a l e 算法采用状态方 程描述流场和炸药，通过欧拉单元计算冲击波的传播过程，能形象地描述压 力波在流场中的传播，但是在计算远场爆炸的时候由于流场单元数过多的缘 故，模拟此过程需要耗费相当多的机时，而且可能出现流场中压力衰减过快 的现象，因此一般需要采用流场断面加载等特殊处理。 a b a q u s 在处理水下爆炸压力载荷时，采用声固耦合算法，该方法采用 声学单元来描述流场。冲击波在声学单元中传播，采用经验或理论公式来计 算流场某一点处的压力或加速度时历曲线，然后该程序自动计算流场中的压 力分布，在模拟远场水下爆炸时，不要求建立包含药包在内的所有流场。国 内用a l e 算法研究水下爆炸的文献比较多。”2 ，本文采用声固耦合方法模拟 舰船水下爆炸。 2 2 水下爆炸载荷的特点 爆炸载荷一般呈现两个阶段，冲击波阶段和气泡脉动阶段。在冲击波阶 段，冲击波波头具有突跃形式，幅值迅速达到最大，突越后紧接着近似于按 哈尔滨工程大学硕士学位论文 指数规律衰减，衰减后持续时间不超过数毫秒；在气泡脉动阶段，爆炸产 物在水中形成膨胀收缩气泡的脉动压力对舰船产生的作用称之为冲荡 ( w h i p p i n g ) 或振荡效应。当冲击波过后，爆炸的气体生成物( 气泡) 在冲击波 辐射后，以逐渐衰减的速度继续膨胀。气泡内压力不断减少直到少于环境压 力。当气泡半径达到最大时，此时气泡内部压力最小，气泡开始收缩。由于 此时环境比气泡内部压力大得多，气泡迅速坍塌至最小，同时气泡又开始膨 胀，向外流场辐射二次压力波。一旦气泡半径在第二次达到最大时，气泡又 开始收缩。同样的膨胀收缩重复好几次。在气泡脉动期间，由于浮力的作用 下气泡不断往上升。当气泡到达自由表面时气泡破灭。前者容易造成舰船结 构局部板的严重破损；而后者容易使船体产生振荡，从而造成严重的总体结 构破损。振荡是整个船体在低频垂向振动模态上的一种弯曲运动。分析表明， 对于非接触爆炸，为这种弯曲运动提供能量的正是爆炸气体形成的膨胀收缩 气泡脉动压力。因而，对于船体总体振荡破坏，气泡脉动压力是一个作用显 著的原因，由于一次气泡脉动后，气泡内的剩余能两只有初始能量的7 左 右，所以一般只考虑气泡一次脉动对船体破环的影响。水下爆炸过程及产生 的爆炸载荷如下图所示： 严 正 h i “ l # ，- ? 妒 q) 固 图1 1 典型的水下爆炸过程图1 21 公斤1 n t 炸药在5 0 米水深 爆炸，水中压力、气泡半径、气泡上 升的距离随时间而变化的情况 叶 。 啥尔滨工程大学颈士学位论文 2 ，3 有限张程序之间的接口 在遘嚣魏麓承下爆嚣数篷计算熬过褪中，建立耱确蕊骞陵元摸型缀萋要， 有限元模型的精确与否直按影响分析结聚。在用a b a q u s 分析舰船水下爆炸 时，由于a b a q u s 的前处理功能相对比较弱，用它建立完整的舰船有限元模 型卡分嚣建。这辩哥蔹簌英它专翌建模较传( 窝p r o e ，a u t o c a d ) q a 譬入，或考在 蔟他前处理较件( 如h y p e p & 4 e s h ) 中始分网格焉意接用里面的a b a q u s 模 板生成+ i n p 文件。如果肖已经建好的熟他有限元模烈也可以自己编程转换。 本文是裂黑缡程手段褥l s 国渊a 下已有豹模型转成a b a q u s t 粒模型。如下 鬻所示： 蚕2 。3 爨l s - d y n a 模塑越2 ，4 转燕嚣辫a b a q u s 模壑 图2 3 中的模型是菜i 受舰船军g 屠l s - d y n a 进行计算酶有限元模登，该模 型可以代表系列水面舰船。图2 4 中模型是经过转拽的a b a q u s 横型。经转 换熬a b a q u s 模型具有霖较传设墨豹毽元疆淫，其蠢器蒙磐捌分豹鹅捂特 性，可敬在a b a q u s 较伴中惠接进行诗算。对于其稳结构，均越够避零亍 s 痊 的转换。 2 。4 声国藕金法模掇漂理 在a b a q u s 将流体律为声学媒介采处堙，在萁间可以使蔫“总波”公式 ( t o t a lw a v ef o r m u l a ) 或“散射波”公式( s c a t t e r w a v ef o r m u l a ) 2 4 声攀载萄 ( 1 ) 总波公式； 流体的聪力是入射波、敞射波和静水匿力的总和 考虑菲黢健戆浚落揍型( 空纯效鑫) 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 无反射边界对入射波加泼时不再施加 声学场燕扔楚健熬 稼) 散射渡公式： 压力就是散射压力 仅仅是线性滚体模型 入瓣滚裁蔚施麓在滚，嚣选舞上 ( 3 ) 流体建模 在a b a q u s 中进行u n d e x 分橱对，流体是声学介质，方程如下： 平鬻凌悉： v p + y ( z ，谚) 疠，十p ( y 。，包) 嚣，= 0 连续经方覆： p = 一膨r ( 舅，印v 矿 压力馋为流搏声学革露鲢叁壶麦褒代霞蓼塞蠹褰可爨大大魏德讨算魏速 淡。 ( 4 ) 流体和结构相互作用 图2 5 流体积结构糖互彳乍胡示意蚓 滚露秘臻梅黪疆互露想楚1 0 7 n d e x n 题中楚关键，a b a q u s 纂予衰嚣使 用“t i e ”约束，通过线形动髓守衡将结构的位移场和流体的压力场耦合起来。 在结构和流体的界面处不黼嫠网格一一对应，可以采用不同的网格密度，如 络椽栗熏二陵六嚣薅葶元鄹三燕瑟壳攀元，嚣弱基煞漉捧囊采露黔霹西薄 哈尔滨工程大学硕士学位论文 实体单元，系统通过t i e 约束自动对耦合进行计算，如图2 5 所示。 ( 5 ) 入射波加载 当一个水下爆炸发生时会导致一个气泡的产生，同时这个气泡的动力学 特性将驱动声波在周围的流体中传播，就是这些声波撞击到结构表面并引起 破坏。 给定炸药的位置，a b a q u s 将计算出施加到结构表面的随空间和时间变 化的压力。平面和球面的波阵面都是有效的，结构的剐体位移也可以被考虑。 在a b a q u