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实船非接触水下爆炸试验测试及响应特性研究

发布时间:2019-06-19 13:49 来源:未知 编辑:admin

  舰艇作为保障国家领海主权的主要装备,舰船生命力是保证其作战性能的最基本要素,因此水下爆炸一直是各国海军舰船抗冲击研究的前沿和热点,国内外学者在理论、数值和试验等各方面开展了广泛的研究,取得了丰硕的成果,加深了对于水下爆炸等相关问题的机理认识,并推动了舰船结构响应的更深层次研究。尽管如此,受制于技术和经济等各方面的制约,学者们大多采用理论和数值的方法来进行研究,试验主要针对局部结构模型或缩比模型,而在水下爆炸载荷作用于实船过程中,载荷输入到结构中的能量在早期只分布在结构有限范围内,而后,输入能量以应力波的形式传播至结构其他部分,经过若干次的反射、折射、散射,以及应力波与应力波之间的相互作用,最后结构达到稳态,表现为结构总体和局部振动,而采用局部结构模拟无法重现整个过程,局部系统特征无法代替整体系统特征,模型试验或缩比试验无法重现实船水下爆炸响应过程,实船水下爆炸结构响应问题亟待求解。本文首先结合舰船抗爆抗冲击研究的工程研究背景,分别从理论、数值和试验角度对水下爆炸国内外研究现状进行了总结,并指出了目前研究存在的问题,对实船水下爆炸试验方面的研究现状进行了综述,确定了本文的主要研究内容,对论文主要工作进行了概述。针对实船水下爆炸试验的测量系统和测量方法进行了系统阐述,对实船水下爆炸试验测试系统开展研究,提出了实船水下爆炸试验测试系统,包括测点布设、传感器、测试线缆、测试仪器以及测试流程等,阐述了试验中采用的关键技术、测点选择原则、传输线的选择和性能指标要求、测试仪器的适用条件和测试系统的控制、抗冲击防护等,为实施复杂、技术难度大的实船水下爆炸试验开展提供工程参考。实船水下爆炸试验前,需要对试验工况下舰船结构响应进行预示,为试验工况提供决策参考,首先需要解决水下爆炸载荷输入问题,本文采用Level Set方法定位多相流界面位置,应用DGFM方法处理邻近界面两侧物理量,并用RKDG方法对控制方程进行空间和时间离散,实现对流场的求解。分别进行了一维、二维算例验证,并编制水下爆炸载荷计算程序,计算近壁面边界条件下水下爆炸流场物理特性。最后,结合大型非线性有限元软件ABAQUS,模拟了船体板在水下爆炸载荷作用下的变形和响应特征,并对实船有限元模型进行了仿真计算,对试验工况进行了实船响应预示,为试验决策提供依据。针对试验信号时频分析中经验模态分解方法(EMD)出现的模态混叠问题,本文采用集合经验模态分解方法(EEMD)处理实船水下爆炸信号,消除模态混叠,使分离出的各阶IMF具备物理意义,得到真实的信号时频信息,实现对水下爆炸板中Lamb波不同频谱信息的提取。采用改进后的HHT方法对600吨级船和3000吨级船实船水下爆炸试验数据分析,对水下爆炸船体板弯曲波信号实现了有效的窄频带提取,根据其时频特征,计算出不同窄频带Lamb波的频散特征,并对钢板中Lamb波频散进行了理论求解,通过模态分解得到不同窄频带内的Lamb波,计算得到不同窄频带的群速度值,将试验得到的Lamb波群速度值与理论值对比,分析Lamb波频散特征,从而实现复杂载荷作用下结构响应弯曲波群速度频散特性分析,表征实船水下爆炸试验中甲板弯曲波能量传播特征。对实船水下爆炸冲击动弯矩计算方法进行研究,将船体等效为变截面梁,基于离散时间传递矩阵法,结合非齐次项的精细积分方法,构造了求解船体梁模型在水下爆炸载荷作用下的动弯矩响应的精细传递矩阵。结合边界条件分别求出船体梁在水下爆炸载荷作用下的冲击动弯矩,实现离散时间精细传递矩阵法对实船水下爆炸试验冲击动弯矩的计算。同时将计算结果与实船水下爆炸试验进行对比,对本文提出的方法进行了验证。最后,根据实船水下爆炸试验冲击动弯矩分析结果,提出了实船水下爆炸试验测点优化方法。针对实船水下爆炸试验数据进行分析,对实船水下爆炸试验进行抗冲击校核,分别针对实船冲击环境特征进行分析,给出了实船冲击环境分布特征,包括各层甲板加速度峰值频率特征,以及加速度峰值分布规律,并根据规范对冲击环境进行校核;对处于战斗状态的水面舰船而言,需要考虑作战时受到水下武器攻击时的生命力需求,对舰船总强度进行校核除了计入波浪弯矩Mw和静水弯矩Ms之外,需将冲击动弯矩Msd计入考核,结合GJB4000-2000的舰船船体总强度校核衡准相关要求,对计及冲击动弯矩的总强度进行了校核,对冲击动弯矩的影响进行分析;最后给出了试验得到的板格的固有频率,并通过实测结果和理论计算结果比较,得到板架的边界条件,最后对板格平面应力进行了计算。

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