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接触爆炸载荷对舰船结构局部毁伤效果研究

作　者: 王超
导　师: 张阿漫
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 船舶与海洋结构物设计制造
关键词: 接触爆炸上层建筑双层结构二次毁伤防护设计
分类号: U674.70
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

舰船结构与接触爆炸载荷的作用是一个复杂的物理过程，涉及到固液气三相物态变化，随着当代制导技术的日益成熟，舰船上层建筑、底部和水下外舷结构受到反舰导弹、鱼雷等接触爆炸攻击的概率越来越大，结构的局部毁伤特性也因此成为当前业内重点关注的科研问题。因此本文在对复杂过程进行简化处理的基础上利用数值方法和理论推导及经验公式对大型水面舰艇结构在接触爆炸载荷作用下的局部毁伤效果进行了研究，对于提高整体结构的防护性能有着十分重要的意义。首先，对国内外的常用攻击武器进行了系统的总结和分析，选取了典型攻击武器，针对深化方案阶段的船体上层建筑基本结构图进行了实体建模，进而通过设置不同工况利用大型非线性有限元软件LS-DYNA对大型水面舰艇上层建筑空中抗爆强度进行了数值模拟计算，从上层建筑的变形特征、破坏模式及破口大小和影响区域等方面出发，分析了典型反舰武器对大型水面舰艇上层建筑的毁伤效应。其次，在前人理论研究的基础上，通过对模型的适当简化的同时参考水下爆炸实验的具体现象，利用能量法分析了水下多层板架在接触爆炸载荷作用下的破损情况。考虑了花瓣开裂效应，修正能量计算方法，得到了各层结构的破口大小，讨论了结构所吸收的总能量，最后通过与相关实验数据的对比验证了本文计算的有效性。再次，基于流固耦合方法在利用自由场及破口经验公式对其有效性进行充分验证的基础上对典型双层结构在水下爆炸载荷作用下的毁伤模式及防护特性进行了研究，分析了各层结构的局部毁伤特点及毁伤模式，提取了典型位置处应力应变响应，并从能量的角度出发，在相关理论的基础上分析了各层结构的吸能特性和比例，为水面舰船的防护设计提供一定的参考。然后，利用经验公式推导得到作用到结构上的气泡射流的速度和长度，通过数值计算方法对气泡射流与平板的相互作用进行了研究，进而通过与实验数据的对比验证了射流计算模型的准确性，在此基础上分析了复杂双层底结构在气泡射流作用下的局部变形特征，进而考虑舰船复杂双层结构在已有变形的基础上受到气泡射流二次打击毁伤效果和破坏特征，为研究复杂的水下接触爆炸现象提供了参考。最后，在广泛调研国内外已有层间防护结构形式的基础上，对现有多层板架的层间结构进行防护设计分析，通过设置不同的层间结构形式，包括Y、X以及I型，分别对其抗水下接触爆性能进行了研究，分析了不同层间结构在典型攻击当量下的变形毁伤效果及动态响应，并对其结构优化带来的性能改善进行评估总结，最终对三种模型的抗冲击性能进行了横向对比，得出了经济性能和抗冲击性能优良的结构形式。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-9
目录  9-11
第1章绪论  11-17
  1.1 研究目的及意义  11-12
  1.2 接触爆炸概述及研究现状  12-15
  1.3 主要研究内容  15-17
第2章大型水面舰艇上层建筑抗爆强度分析  17-37
  2.1 典型武器调研及输入当量确定  17-20
    2.1.1 国内外武器调研  17-19
    2.1.2 载荷输入当量的确定  19-20
  2.2 工况设定分析  20-21
  2.3 计算模型及有效性验证  21-26
    2.3.1 数值模型  21-24
    2.3.2 耦合计算方法及材料的设定  24-25
    2.3.3 计算模型有效性验证  25-26
  2.4 上层建筑在空中接触爆炸载荷作用下的响应  26-36
    2.4.1 船艏工况  27-30
    2.4.2 船舯工况  30-32
    2.4.3 船艏工况  32-34
    2.4.4 破损分析  34-36
  2.5 本章小结  36-37
第3章多层简单结构接触爆炸作用下破损研究  37-48
  3.1 毁伤过程分析  37-38
  3.2 双层底结构毁伤效果分析  38-44
    3.2.1 船外底板破损计算  38-40
    3.2.2 船内底板破损计算  40-44
  3.3 舷侧多层结构毁伤效果分析  44-47
    3.3.1 舷侧外板破损计算  45
    3.3.2 液舱外板破损计算  45
    3.3.3 液舱内板破损计算  45
    3.3.4 防御纵壁破损计算  45-46
    3.3.5 算例及影响因素讨论  46-47
  3.4 本章小结  47-48
第4章双层复杂结构抗爆特性数值模拟  48-69
  4.1 典型武器调研及输入当量确定  48-50
    4.1.1 国内外武器调研  48-50
    4.1.2 输入载荷当量的确定  50
  4.2 工况设定分析  50-51
  4.3 计算模型及有效性验证  51-53
    4.3.1 参数设置  51
    4.3.2 数值模型有效性验证  51-53
  4.4 船底及舷侧结构在水下接触爆炸载荷作用下的响应  53-68
    4.4.1 船艉工况  53-55
    4.4.2 船舯工况  55-56
    4.4.3 船艏工况  56-57
    4.4.4 结构破坏模式分析  57-62
    4.4.5 接触爆炸吸能分析  62-68
  4.5 本章小结  68-69
第5章高速射流对舰船结构的破坏分析  69-82
  5.1 射流形式推导  69-70
  5.2 计算工况设定  70-71
  5.3 模型有效性分析  71-75
  5.4 冲击响应分析  75-79
  5.5 二次毁伤计算  79-81
  5.6 本章小结  81-82
第6章多层板架层间结构防护设计分析  82-99
  6.1 典型层间防护结构调研  82-87
    6.1.1 Y 型层间结构特点及尺寸  83-85
    6.1.2 X 型层间结构特点及尺寸  85-87
    6.1.3 I 型层间结构特点及尺寸  87
  6.2 不同层间结构数值模型  87-90
  6.3 不同层间结构接触爆炸下响应对比分析  90-96
  6.4 不同层间结构接触爆炸下吸能效果对比分析  96-98
  6.5 本章小结  98-99
结论  99-101
参考文献  101-107
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  107-109
致谢  109

接触爆炸载荷对舰船结构局部毁伤效果研究

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