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近场非接触水下爆炸舰船新型防护结构抗爆性能研究

作　者: 黄超
导　师: 杨志国
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: 水下爆炸近场非接触舰船防护夹层板物态方程
分类号: U661.43
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 135次
引　用: 4次
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内容摘要

本文以舰船近场非接触水下爆炸防护问题为研究背景,考虑了近场水下爆炸作用于结构过程中冲击波、气泡运动等载荷阶段的影响,分析总结了4种夹层结构在近场非接触水下爆炸载荷作用下的动态响应规律,并将其引入中小型水面舰船舷侧防护设计,对现有防护结构提出改进,为舰船防护设计提供了新思路。首先,本文对二战以来的舰船传统防护结构做了介绍和归纳,分别基于平面正冲击波关系、牛顿运动定律和冲击动力学理论,对在舷侧水舱中设置空气隔层结构对冲击波载荷的防护机理、邻近爆炸载荷作用下舷侧防护水舱的动态响应和船底液舱对冲击波载荷的响应进行了总结和修正,分析结果对舰船结构抗爆设计具有一定参考价值。经过分析和总结,认识到传统防护形式对于中小型水面舰船结构防护设计是不可能实现的,必须通过其它途径来改进。其次,在水下爆炸流动特性数值模拟研究中,本文基于物态方程和爆炸力学理论,对现有水Gruneisen物态方程参数进行了修正,指出冲击波速度与粒子速度的三次拟合比线性拟合更有效,并对Gruneisen系数对水Hugonoit曲线的影响进行了分析讨论,通过自由场深水球爆问题和气背固支方板水下爆炸动响应问题的数值模拟验证了本文所取修正参数的有效性,新的Gruneisen参数能够更好的反映近场水下爆炸流场的流动特性。最后,本文应用多物质耦合有限元法,模拟对比了SPS水下爆炸实验,验证了SPS的抗爆性能。在此基础上,分析比较了质量等效的方孔蜂窝夹层板、波纹夹层板两种格栅式夹层板和厚、薄两种SPS共4种夹层结构在近场非接触水下爆炸载荷作用下的动态响应特性。结果表明,SPS在抗变形能力、吸能特性和保持结构完整性方面均具有优势,是结构性能最优的夹层板。以此为基础,本文将SPS引入中小型水面舰船舷侧防护结构的改进,提出了舰船新型舷侧抗爆防护结构设计。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第1章绪论  11-27
  1.1 引言  11-12
  1.2 水下爆炸概述  12-19
    1.2.1 近场、远场的定义  13-14
    1.2.2 水下爆炸冲击波  14-15
    1.2.3 水下爆炸气泡  15-17
    1.2.4 水下爆炸空化效应  17-19
  1.3 国内外研究现状  19-24
    1.3.1 简单结构的抗爆研究  20-21
    1.3.2 水面舰船的抗爆研究  21-22
    1.3.3 潜艇结构的抗爆研究  22-23
    1.3.4 小结  23-24
  1.4 论文的主要研究内容和创新点  24-27
    1.4.1 主要研究内容  24-25
    1.4.2 创新点  25-27
第2章理论基础及研究方法  27-40
  2.1 理论基础  27-32
    2.1.1 物态方程基本理论  27-30
    2.1.2 爆炸力学基本理论  30-32
  2.2 研究方法  32-36
    2.2.1 流体力学常用描述格式  33-35
    2.2.2 ALE描述的控制方程  35-36
  2.3 数值分析工具的分类及选取  36-39
    2.3.1 分析工具的分类  36-38
    2.3.2 分析工具的选取  38-39
  2.4 本章小结  39-40
第3章传统舰船防护结构总结及抗爆理论分析  40-67
  3.1 舰船典型防护形式  40-47
    3.1.1 装甲防护  41-43
    3.1.2 空气和水、油隔舱防护  43-46
    3.1.3 楔形防护和冲击波泄出孔  46
    3.1.4 小结  46-47
  3.2 防护水舱对邻近爆炸载荷的防护机理  47-57
    3.2.1 防护水舱外板的响应  48-53
    3.2.2 防护水舱内板的响应  53-57
  3.3 空气隔层结构防护机理  57-62
    3.3.1 平面正冲击波关系  58-59
    3.3.2 空气隔层衰减冲击波的原理  59-62
  3.4 舰船底部液舱对冲击波载荷的响应  62-65
    3.4.1 满载液舱的响应  62-64
    3.4.2 非满载液舱的响应  64-65
  3.5 本章小结  65-67
第4章水GRUNEISEN物态方程修正及水下爆炸结构动响应计算  67-86
  4.1 GRUNEISEN物态方程模拟的分析与讨论  67-73
    4.1.1 不同拟合方法得到的冲击波速度与粒子速度关系的比较  68-70
    4.1.2 不同拟合方法得到的Hugonoit曲线的比较  70-71
    4.1.3 对Gruneisen系数的讨论  71-72
    4.1.4 结果与讨论  72-73
  4.2 自由场深水球爆冲击波和气泡载荷特性  73-79
    4.2.1 一维深水球爆问题  73-77
    4.2.2 三维深水球爆问题  77-79
  4.3 近场非接触水下爆炸气背固支方板动态响应  79-85
    4.3.1 材料模型  79-81
    4.3.2 气背固支方板动态响应分析  81-85
  4.4 本章小结  85-86
第5章夹层结构抗爆性能研究及舰船新型防护结构设计  86-120
  5.1 夹层结构概念简介  86-89
  5.2 格栅式夹层结构水下爆炸动响应分析  89-94
    5.2.1 方孔蜂窝夹层板动响应分析  90-92
    5.2.2 波纹夹层板动响应分析  92-94
  5.3 SPS水下爆炸动响应分析  94-103
    5.3.1 SPS夹层结构的建模  94-96
    5.3.2 仿真结果与美国海军实验结果的对比分析  96-103
  5.4 四种夹层结构在水下爆炸载荷作用下的动响应分析  103-115
    5.4.1 变形分析比较  104-109
    5.4.2 吸能特性分析比较  109-115
    5.4.3 结果与讨论  115
  5.5 中小型水面舰船舷侧防护结构概念设计  115-119
  5.6 本章小结  119-120
结论  120-123
参考文献  123-127
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  127-128
致谢  128

近场非接触水下爆炸舰船新型防护结构抗爆性能研究

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