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舰船结构在爆炸作用下的非线性响应及可靠性研究

作　者: 张婧
导　师: 王善
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 固体力学
关键词: 爆炸载荷临界破坏动态响应防护结构破坏概率剩余极限强度倾覆概率
分类号: U661.4
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

舰船在服役期间不可避免的遭受武器的攻击,减小舰船的损伤程度,提高舰船的生命力,是从事舰船设计、建造和使用人员非常关心的问题。因此,对爆炸作用下船体的局部破坏进行研究,计算破损船体的剩余强度和倾覆概率,分析破损船体结构的可靠性具有重要的意义。接触爆炸载荷作用下薄钢板的破坏是一个极其复杂的非线性过程,而其初始破口对板的整个破损过程产生重要的影响,因此临界破坏的研究对于结构的抗爆和武器战斗部的设计具有现实意义。应用塑性动力响应波动解及动态断裂理论,从理论上推导了薄钢板在爆炸冲击载荷作用下产生初始环向裂纹即发生临界破坏时的装药量,并得出板的临界位移理论表达式。在此基础上利用能量原理推导了破口半径计算公式。通过算例与试验进行比较,结果基本吻合,表明该理论能很好的解决接触爆炸载荷作用下薄板的破坏问题,为工程实际提供参考。从数值仿真和试验两方面对接触爆炸载荷作用下舰船防护结构的破坏进行了研究。采用试验的方法对舰船多层防护结构在接触爆炸载荷作用下的破坏情况进行研究。借助于有限元程序LS-DYNA中的ALE算法,提出多层舱室、多种介质的多耦合面在爆炸载荷作用下的动态响应仿真计算方法,对相同条件下的模型进行了数值分析,分析了不同装药量下钢板破口形状、大小和压力峰值,两者结果相比基本一致,表明数值仿真能很好的模拟试验。针对液舱在防护结构中的重要性,采用数值方法对三层板壳结构在水下接触爆炸荷载作用下的非线性动态响应过程进行数值仿真,研究液舱的影响。分别对三层空舱和两层空舱、一层液舱及改变液舱中水位的情况进行比较,分析了钢板的破口半径及各层板上单元有效应力、压力、位移等动态参数。仿真结果表明液舱的设置可以提高多层板壳结构的抗爆抗冲击性能,并且适当减少液舱中的水,不会影响其抵抗爆炸载荷的能力。由于爆炸载荷的瞬时性、破坏性及船体加筋板壳结构的复杂性,爆炸作用下结构的可靠性分析一直是研究难点。本文采用蒙特卡罗模拟得到一定数量的样本,借助于有限元程序LS-DYNA并利用这些样本对爆炸载荷作用下的多层板壳结构进行数值模拟得到结构的响应,通过拟合得到其概率分布,进而求得防护结构破坏概率,对水下爆炸载荷作用下多层板壳结构的可靠性进行了初步探索。破损舰船的剩余极限强度是船体生命力分析的一个重要指标。考虑各种影响因素下,各种强度单元受拉和受压时的力学特性,以理论公式表示各种强度单元的平均应力-应变曲线。基于逐步破坏法原理,运用Fortran语言编制船体梁总纵极限强度的计算程序,对Dowling 2和Reckling 23的数值结果验证了计算程序的合理性和计算精度。基于船体结构的总纵极限强度失效模式,采用重要抽样法,建立船体结构总纵极限强度可靠性分析方法。实船条件下对不同破口位置和横倾角的剩余极限强度和可靠性进行分析。考虑舰船结构处于短时的作战环境之中,将风扰动与波浪扰动模型化为随机过程,水下攻击武器的爆炸载荷视为突加的不规则确定性作用,计及结构大幅横摇运动的非线性效应,建立了结构横摇运动的随机微分方程；以标准随机平均法为基础,推导出随机风浪中舰船单自由度横摇运动时横摇角的瞬态概率密度函数,并应用脉冲响应法确定了舰船在突加倾侧力矩作用下的横摇时间历程,最后对以上两种情况下的横摇响应进行合理的组合,利用最大熵法拟合组合响应的瞬态概率密度,通过上穿率分析得到随机风浪中船体结构的倾覆概率,并基于现有的倾覆准则给出随机风浪及爆炸载荷联合作用下舰船的倾覆概率。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-15
第1章绪论  15-32
  1.1 课题的来源与目的  15-16
  1.2 舰船板架结构在爆炸作用下的响应研究  16-20
    1.2.1 理论研究  16-18
    1.2.2 试验研究  18-19
    1.2.3 数值研究  19-20
  1.3 水下爆炸载荷对水面舰船破坏研究  20-23
    1.3.1 理论研究  20-21
    1.3.2 试验研究  21-22
    1.3.3 数值研究  22-23
  1.4 船体极限强度研究概述  23-26
  1.5 破损船体剩余强度及可靠性分析研究现状  26-28
  1.6 舰船大幅横摇导致倾覆的研究现状  28-30
  1.7 本文的主要工作  30-32
第2章薄板在爆炸作用下的临界破坏及破口研究  32-53
  2.1 薄板塑性动力响应的波动解  32-36
    2.1.1 模型的建立  32-34
    2.1.2 初始边界值问题的简化  34-35
    2.1.3 薄板挠度的波动解  35-36
  2.2 断裂准则  36-37
  2.3 临界破坏分析  37-47
    2.3.1 爆炸冲量的计算  37-44
    2.3.2 临界装药量及临界位移的计算  44-45
    2.3.3 计算实例  45-47
  2.4 破口分析  47-52
    2.4.1 花瓣开裂的能量计算  47-49
    2.4.2 总能量及曲率半径的确定  49-50
    2.4.3 破口半径的计算  50-51
    2.4.4 算例  51-52
  2.5 本章小结  52-53
第3章舰船防护结构在爆炸作用下的破坏研究  53-88
  3.1 水下接触爆炸载荷作用下舰船防护结构模型的试验研究  53-60
    3.1.1 试验装置及其模型  54-55
    3.1.2 模型试验结果描述  55-58
    3.1.3 模型试验破口分析  58-59
    3.1.4 防护结构的各舱作用分析  59-60
    3.1.5 结论  60
  3.2 流固耦合数值计算方法  60-65
    3.2.1 有限元软件LS-DYNA  60-61
    3.2.2 数值仿真算法  61-63
    3.2.3 算法的验证  63
    3.2.4 材料及状态方程的描述  63-65
  3.3 水下接触爆炸载荷作用下舰船防护结构模型的仿真分析  65-71
    3.3.1 有限元模型  65-66
    3.3.2 数值仿真结果  66-67
    3.3.3 仿真结果与试验结果分析  67-71
  3.4 水下接触爆炸作用下舰船防护结构中液舱影响仿真分析  71-80
    3.4.1 有限元模型  71-73
    3.4.2 液舱影响的数值结果及分析  73-76
    3.4.3 液舱中不同水位的数值结果及分析  76-79
    3.4.4 结果分析  79-80
  3.5 水下接触爆炸载荷作用下防护结构的破坏概率分析  80-86
    3.5.1 随机变量的确定  80-81
    3.5.2 模型的建立  81-82
    3.5.3 破坏准则  82
    3.5.4 防护结构各层板的破坏概率计算  82-86
    3.5.5 舷侧防护结构系统可靠性分析  86
  3.6 本章小结  86-88
第4章破损船体剩余极限强度及可靠性分析  88-127
  4.1 构件单元的应力应变关系曲线  88-102
    4.1.1 矩形板单元的平均应力-平均应变曲线  89-94
    4.1.2 加筋板格单元的平均应力-平均应变关系  94-101
    4.1.3 硬角单元的平均应力-平均应变关系  101-102
  4.2 逐步破坏法计算破损船体的剩余极限强度  102-113
    4.2.1 破损船体非对称弯曲弹性分析  103-104
    4.2.2 破损船体非对称弯曲塑性分析  104-105
    4.2.3 破损船体瞬时中和轴的确定  105-106
    4.2.4 破损船体剩余极限强度的计算流程  106-107
    4.2.5 程序的计算框图  107-108
    4.2.6 程序的验证  108-113
  4.3 受损船体的可靠性分析  113-117
    4.3.1 静水载荷分布模型  113-114
    4.3.2 波浪载荷分布模型  114-116
    4.3.3 可靠性分析  116-117
  4.4 计算实例  117-125
    4.4.1 破损船体剩余极限强度分析  119-121
    4.4.2 破损船体剩余极限强度的影响因素  121-123
    4.4.3 基于极限强度的可靠性分析  123-125
  4.5 本章小结  125-127
第5章爆炸载荷作用下舰船的横摇倾覆概率研究  127-151
  5.1 作战条件下舰船的环境载荷  127-133
    5.1.1 水下爆炸载荷产生的倾侧力矩  127-129
    5.1.2 风载荷扰动力矩  129-132
    5.1.3 随机波浪扰动力矩  132-133
  5.2 随机风浪作用下舰船横摇运动微分方程  133-135
  5.3 随机横摇力矩作用下舰船瞬态横摇响应的统计特性  135-138
  5.4 在突加倾侧力矩作用下舰船的横摇时间历程  138-140
  5.5 时域内横摇响应的组合  140-144
  5.6 舰船的倾覆概率分析  144-145
    5.6.1 随机风浪中舰船的倾覆概率  144
    5.6.2 爆炸载荷和随机风浪联合作用下舰船的倾覆概率  144-145
  5.7 数值算例  145-149
  5.8 本章小结  149-151
结论  151-155
参考文献  155-170
攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果  170-172
致谢  172

舰船结构在爆炸作用下的非线性响应及可靠性研究

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