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潜艇非耐压结构抗爆性能研究

发布时间:2019-06-17 22:26 来源:未知 编辑:admin

  哈尔滨工程大学硕士学位论文 潜艇非耐压结构抗爆性能研究 姓名:潘杰 申请学位级别:硕士 专业:船舶与海洋结构物设计制造 指导教师:王晓天 2012-03 滞艇非耐压结构抗爆性能研究 随着各种反潜兵器的威力越来越大、命中率越来越高,潜艇受到的水下爆炸冲击的可能性大大增加,因此潜艇抗爆抗冲击-忡112台FJ匕匕研究越来越受到各国海军重视。本文以潜艇 在远场爆炸下抗冲击问题为研究背景,以提高潜艇抵抗水下爆炸能力为目标,开展了潜 艇新式抗冲击非耐压结构的研究。该研究可以为今后潜艇非耐压结构的抗冲击设计提供 参考和新思路。论文的主要内容包括: (1)介绍了水下爆炸的基本理论和研究方法。重点阐述了关于水下爆炸冲击波和 气泡脉动的形成机理以及对于潜艇结构的不同影响;并分析了目前水下爆炸问题研究的 几种方法,结合自身研究条件,选耿ABAQUS声固耦合算法模拟潜艇受水下爆炸载荷 作用的动态响应。 (2)介绍了ABAQUS软件在计算水下爆炸问题上的优势,并阐述了软件计算水下 爆炸问题的理论基础:声学流体基本方程、边界条件以及压力场的计算公式。详细分析 了计算中的关键技术,最后结合试验,证明利用ABAQUS软件计算结构在水下爆炸载 荷下的响应是可行的。 (3)设计了三种新型抗冲击舷侧结构,并计算了三种新式结构在不同强度的爆炸 载荷下的动态响应,并与潜艇传统的舷侧进行比较,分析了不同舷侧结构的抗冲击能力。 结果表明新型舷侧结构对于潜艇抗冲击能力的提高具有一定的作用。 (4)采用不同的纤维增强复合材料,设计了复合材料夹层结构非耐压壳体,并对 采用该非耐压壳体的潜艇舱段模型在水下爆炸下的响应进行了数值模拟,结果表明复合 材料夹层结构对于降低冲击响应,吸受冲击能量等方面优于传统钢制结构外壳。最后对 于复合材料纤维铺层方向对于抵抗冲击能力的影响进行了分析。 关键词:潜艇非耐压结构;水下爆炸;新型结构;抗冲击性能 Abstract Withthecontinuous development water,submarinelivingenvironmentis moreandmorebad.Thethreatofsubmarineis increasingly diverseand complex.So navyhas pay moreattentiontotheresearchofsubmarine anti-explosion resistance performance. Regarding thedefensive problem ofasubmarineunderthe far field underwater explosionloading astheresearch background,thispaperCarry outthenew impact resistant nonpressure structure ordertoimprove resistsubmarineunderwater explosion. Basedonthese researches,some innovation madetoimprove nonpressurestructure impact resistance design.Thepapermainly includes (1)Thispaper introducesthebasic theory ofunderwater explosion andresearchmethods This paper focusesontheunderwater explosion shockwavesandbubblesontheformation mechanismofthe pulse andthedifferenteffectsofthesubmarine structure;Andanalysis thecurrentproblems ofunderwater explosionstudy several methods,according toitsown research conditions,the selectionof ABAQUS soundsolid couplingalgorithm simulation submarineunderwaterexplosion loadthefunctionof dynamicresponse. (2)Thispaper introducesthebasic theory ofunderwater explosion andresearchmethods This paper focusesontheformationmechanismoftheunderwater explosion shockwavesand bubble impulsion anddiscussthedifferenteffectsofthesubmarinestructure.Thenthe paper analysis thecurrent problems ofunderwater explosionstudy several methods.According ownresearchconditions,weusetheABAQUS softaretoresearchthe dynamicresponse ofa submarineunderwater explosion load. (3)Thispaper introduces ABAQUSsoftwarein thecalculationof underwater explosion,andexpounds theunderwater explosion software technologytheory foundation:acousticfluidbasic equations,boundary conditionsandthe calculating formulaof pressure field.inthis paper uses ABAQUS carryoutonthe platessubjected tounderwater explosionloading.The resultsare compared applicabilityofthe fimty elementsoflwareswhichsimulatethenon—contactuoderwatcr explosionloading. Takeonesubmarineasresearch Object,based onthe analyzes ofshock loadingdynamic response,three new impact resistant nonpressure structure designed;theirdynamic response indifferentshockenvironmentis investigated,comparison ofthetraditionalstructure ofthesubmarine. (4)Using differentfiberreinforced materials,design forthe composite laminatedstructure pressure—tightshell,andbasedonthethe pressure-tight shellsubmarinetanksectionmodel npmerical simulation,andtheresultsshowthatthe compound materialsandwichstructureto reducetheshock response,absorb thetraditionalsteel structure housing.For thefinal analyze theeffectof composite fiber layer directionto impact resistance. Keywords:Submarine compressionstructure;Underwaterexplosion;Newstructure;Impact resistance 第1章绪论 第1章绪论 1.1论文的目的和意义 第二次世界大战中,潜艇作为一种军事作战系统丌始真『F的运用到现代战争中,并 在封锁港口、控制战略海峡和打击敌方舰船方而发挥了重要的作用。例如德国在二战中 使用了大量潜艇对英国海域进行封锁和打击,大量英国舰船被德国潜艇击沉,给盟军造 成了巨大的损失,这使各国丌始考虑潜艇对于现代海战的巨大作用。二战结束之后,潜 艇因其较强的突袭能力、出色的隐蔽性出色完成了多种作战任务。各国海军充分认识到 了潜艇对于现代战争的重要意义,同时投入大量的人力、物力和财力研究和发展潜艇。 潜艇能利用水层掩护使得其活动具备隐蔽性,并且发动袭击时具有突然性;有较强 的续航能力、自给能力和作战半径,可以在较大海域和较长时问甚至深入敌方区域独立 作战;能够在水下隐蔽条件下发射鱼雷、导弹等攻击海上和陆E战略目标。但是随着各 种反潜兵器的威力越来越大、命中率越来越高,潜艇受到的水下爆炸冲击的可能性大大 增加。因此设计优良的抗冲击结构,进而提高潜艇的生命力越来越受到各国海军的重视。 潜艇在作战过程中遭受水中兵器的攻击可以分为接触爆炸和非接触爆炸两种。接触 爆炸形成严重的局部破坏,造成爆炸区的潜艇结构、设备的破坏及人员的杀伤;非接触 爆炸在大部分情况下不会使艇体壳体出现破口而丧失不沉性,但是爆炸的冲击振动会导 致潜艇上重要设备的失效损坏及潜艇总体结构的破损,使潜艇失去战斗力[11。非接触爆 炸对潜艇的破坏则是全艇性的,主要体现在:对艇体结构的直接冲击波损伤,对舰艇装 备的冲击振动损伤,对舰艇上人员的杀伤三个方面。在实际海战中,潜艇受到远场非接 触爆炸攻击的概率比较大,研究潜艇在该情况下的抗冲击性能具有重要现实意义。 目前我国潜艇主要采取双层壳形式,即在耐压壳体外部有一层非耐压的壳体。潜艇 上设置非耐压结构具有很多用途:非耐压壳体可以做成良好的流线型,从而减少水下航 行阻力;耐压壳体和非耐压壳体之间的舷侧用于布置有非耐压的主压载水舱、燃油舱等 重要结构,以解决耐压艇体内部容积与布置的矛盾;增加了潜艇的储备浮力,改善潜艇 的水面不沉性。同时在水下爆炸中,潜艇非耐压结构作为首先接触冲击波的潜艇构架, 对冲击波起到了传递和削弱的作用。对潜艇非耐压壳体抗冲击性能的研究,对于保护主 艇体结构及改善设备冲击环境具有重要意义。 但是从结构设计角度来看,目前潜艇非耐压壳体结构的设计中,主要是以结构的静 力性能为依据,除此之外,一般会根据建造和使用经验,参照母型艇选取结构型式及几 哈尔滨:r样人!学硕士学位论文 何尺寸。设计中对其抗冲击的要求考虑较少。为了使非耐压壳体的设计更加合理,研究 潜艇非耐压壳体抗冲击性能,并设计新型抗冲击结构是相当有必要的。 从材料的利用方面,相对于水面舰艇已经开始广泛的利用复合材料,潜艇非耐压壳 体主要还是采用传统碳钢材料。复合材料以比强度高、抗疲劳、耐腐蚀以及良好的可设 计性而在各行业得到广泛的应用。在现代造船业中,因为复合材料具有成型迅速、建造 简单、周期短、材料无磁性以及船体易保养、不污染等特点而备受舰船设计人员的青睐。 由于复合材料拥有传统碳钢材料不具备的性能,国外各海军强国十分重视复合材料 在船舰建造领域的应用和发展:1946年,美国海军采用聚酯玻璃钢建造了长8.53m的交 通艇,这是最早利用复合材料制造的船舶的记录;上世纪60年代,英国利用GRP材料 建成了450吨级大型扫雷艇和625吨级猎雷艇;1970年前苏联建成小型玻璃钢反水雷艇 “Yevgenya”号,该型号反水雷艇除装备军队外还出口国外【2]。 虽然早在20世纪50年代,一些海军国家就用复合材料制作潜艇声呐导流罩。随后 美、英、法等国用复合材料建造耐压壳、指挥台围壳、稳定翼、非耐压壳等,使复合材 :料在潜艇上的应用得到了较大发展。但是相对于在水面舰船上的应用,复合材料在潜艇 上的应用发展缓慢。为了减小水下爆炸对潜艇造成的损伤,进而提高潜艇的战斗力和生 命力,深入研究潜艇的抗冲击性能是必要的。由于潜艇壳体的防护在一定程度上决定了 潜艇抗冲击性能,开展复合材料非耐压壳体结构在潜艇抗冲击中的应用研究很有必要【3】o 二战以后,各国海军高度重视潜艇的抗爆性能的研究,并且在冲击理论和实艇爆炸 试验研究上投入巨大。但是一方面由于水下爆炸作用下结构的动态响应的求解需要综合 爆炸力学、流固耦合、结构振动学等多个学科领域,完全通过理论求解很难实现:另一 :方面实艇爆炸试验花费巨大,其开展受到很多限制。近年来,随着数值仿真技术的不断 进步,通过有限元进行冲击建模、仿真预测冲击响应受到了众多学者的重视。目前用于 计算水下爆炸的有限元软件主要有:DYTRAN,LSDYNA3D,ANSYS,ABAQUS等。 计算机数值仿真能够提供更多方案和详细的冲击数据,目前采用虚拟仿真的冲击技术并 通过冲击试验验证,已经被各国海军所接受。 已有文献表明,目前水下爆炸的研究主要集中在水面舰艇,潜艇抗冲击的研究较少, 并且没有发现潜艇非耐压结构抗爆性能的研究相关报道。因此本文利用动态非线性有限 元软件ABAQUS研究潜艇非耐压结构在远场非接触爆炸载荷下的动态响应。设计了几 种应用于潜艇非耐压壳体的抗冲击结构,分析其抗冲击能力。本文的研究可以为:基于抗 冲击的潜艇非耐压结构设计提出新思路。 第1章绪论 1.2国内外研究现状 1.2.1简单结构的抗爆研究 水面舰船和水下潜艇可以看做是板梁等简单结构的组合,这类简单结构在爆炸载荷 下的动念响应问题的研究对于提高舰船整体结构的抗冲击能力具有极其重要的意义。20 世纪40年代以来,在外载荷做的功与结构的变形能相等原理的基础上,利用解析法分 析简单结构在爆炸冲击作用下变形行为一直是最有效的方法之一。但是该类的研究设计 国防军事领域,一般不会对外公丌研究成果。 1953年Mindlin和Bleich为了解决应用精确解析法难以求解的的流固耦合问题,采 用了平面波近似法研究结构的初期高频响应,但是该方法并不适用于分析结构在冲击作 用的中后期的响应问题。 1985年Houlston[4]等利用试验研究了遭受水下爆炸下的强度不同的方形薄板的变形 情况,并得到了相应的位移分布值。 1995年吴有生【5J等经过研究认为,利用一般的解析法无法求解在水下爆炸载荷下舰 艇板架的最大变形及破损情况,因此他们在能量法的基础上提出了可以求解单向加筋的 船体板架在非接触爆炸条件下的塑性变形公式。 2000年Ramajeyatilagam[61利用MARC有限元程序对遭受水下爆炸载荷下的矩形板 进行了数值模拟,分析了在不同炸药当量、不同爆距下矩形板的动态响应,结果同试验 结果较为吻合较好。 2004年梅志远【7】在考虑流固耦合的基础上,针列’舰船加强结构的复杂板架,利用非 线性有限元MSC.Dytran软件进行了板架的抗爆承载研究,提出了一种计算爆炸冲击波 作用下板架结构动态响应问题的有限元方法。仿真结果与模型试验吻合较好,验证了利 用该程序计算水下爆炸问题的可行性。 2004年刘德新【8】等利用全息干涉法绘制受到水下爆炸冲击波作用下的弹性板在不 同时刻变形图像。最后采用有限元法数值模拟了水下爆炸冲击波与弹性薄板的流固耦合 问题,结果与实验数据吻合较好。 2005年Rajemdran等【9]研究了在遭到水下爆炸冲击情况下,板从弹性形变进入塑性 形变直到破裂发生各阶段的响应,并对于爆炸强度通各阶段响应的关系进行了讨论。 1.2.2水面舰艇的抗爆研究 水面舰船在现代海战中的发挥了无法替代的作用,各海军强国都投入了大量的人力 哈尔滨j[:程人!学硕+!学位论文 和物力研究舰艇的抗爆抗冲击性能,以提高水面舰船的生命力。第二次世界大战后,美 国系统的研究了舰船的抗冲击问题,并且取得了很多研究成果。但是涉及保密的原因, 研究成果很少公开发表。 1961年Keiltl0】对水下爆炸载荷作用下的水面舰船响应和破坏进行了详细的论述, 这些论述对于当前的水面舰船的抗爆研究都有着指导作用。 Keil将船体在水下爆炸载荷作用下的损伤破坏分为三种类型。第一种损伤类型为船 体舷侧的损伤破坏。对于接触水下爆炸,水中兵器的攻击造成舰船的板架发生严重局部 破坏。对于爆炸源位于舰船的侧面的非接触水下爆炸,舰船板架的响应与接触时的情况 类似。第二种类型为底部结构的破坏,舰船的船底板架受到的是冲击波载荷和气泡引起 的脉动载荷。一般板壳产生凹陷,只有在冲击强度较大时,板壳会出现撕裂;但是加强 筋不会完全被破坏,只出一定的塑性变形。并且发现双层底内装载液体量会对冲击响应 产生影响。第三种为船体纵桁的破坏,是因为爆炸冲击波和气泡脉动压力共同作用下的 总体鞭状震荡效应产生的。 由于水下爆炸现象的复杂性,解析法只能解决部分简单结构的动念响应问题,对于 结构复杂的实际舰船结构,解析法的作用有限。随着来数值仿真技术的进步,通过有限 :元进行冲击建模、仿真预测冲击响应受到了国内外众多学者的重视。20世纪60年代以 后美国洛斯阿拉莫斯实验室,对于爆炸力学的问题进行了大量数值计算仿真研究工作, 开创了爆炸力学数值计算工作的先河【111。 1999年Curtis[12】利用DYNA3D/USA程序研究了在水下爆炸载荷作用下,水面舰艇 的鞭状效应,分析中对于爆炸载荷在船长方向的分柿不均匀性进行了考虑,并且指出在 爆炸距离比较远时,爆炸冲击波是鞭状效应载荷的主要来源。 2004年Sprague[B】指出当冲击波遇到自由液面或者水中结构湿表面事发生会产生反 射激波,反射激波与入射冲击波的叠加会使该区域水的压力下降至负压力而产生空化现 象,如果将水处理成一种声学介质可以使空化效应的处理方法变得简单有效的。 2004年朱锡,张振华,刘润泉【14】研究水面舰船防雷舱内装载水量对于结构抗爆能 力的影响。通过一系列的模型试验,证明对于防雷结构的合理设计,可以减小接触爆炸 对与舰体的破坏,从而提高舰艇舷侧抗爆抗冲击性能。 2005年姚熊亮等【b】应用有限元程序ABAQUS中的声固耦合算法,计算和分析舰船 几种典型的水下爆炸模型,同时将部分仿真结果与实验数据进行对比分析,指出数值仿 真可以可靠地模拟实船的爆炸情况。 第1章绪论1.2.3潜艇的抗爆研究 潜艇的隐蔽性好、突击能力强、作战半径大,受到各国海军的越来越多的重视。在 二次大战期间‘,对于提高潜艇抗爆性能,进而增强潜艇的生命力的研究已经展开。20 世纪50年代美国进行了多次潜艇模型的水下爆炸试验,取得了大量宝贵的实验数据。 但是该领域的研究多涉及国防安全,所以关于潜艇抗爆的技术文件公丌很少。圆柱壳是 潜艇结构的重要组成部分,目自仃对于圆柱壳的研究较多,圆柱壳抗冲击性能的研究可以 为潜艇的抗冲击研究提供基础。 1965.1966年日本的永井保‘16】 ̄[171对加筋圆柱壳进行了一系列的试验研究。测量了尺 寸不同、加筋形式不同、加筋尺ir不同的模型在不同爆炸因子和不同潜深条件下板壳的 塑性变形量、肋骨塑性变形量和破坏情况,并对爆炸变形后的圆柱壳进行了耐压强度试 1992~1993年Fox[18】等结合USA程序利用DYNA3D软件,分析了近场爆炸下水下圆柱壳体及肋骨的屈曲问题;还分析了远场爆炸情况下的网格大小、积分点选取等因素 对动态响应的影响。 1992年Nelson[191采用有限元软件DYNA研究了材质为铝的水下圆柱壳在水下爆炸 冲击波作用下的动态响应,并对该圆柱壳结构失效问题进行较为详细的分析。 993年Miller[20]等结合DAA法利用DYNA3D软件分析了水下爆炸载荷作用下,球型和圆柱壳型壳体结构的非线性动态响应问题,并就结构湿表面的空泡效应对结果的 影响进行了分析。 1994年Stultz[211等对单、双层壳结构在水下爆炸冲击波作用下动态响应的差异进行 了试验研究。研究了双层壳之间的含水量的多少对动态响应的影响,并分析了外层壳体 在冲击能传递过程中起到的削减作用;同时考虑了外层壳厚度、内外壳体之间的距离对 计算结果的影响。试验表明,双层壳问含水量壳体的变形有影响即含水量增加时,壳体 的应变增大。 1995年Stettler[221对在水下爆炸冲击波过程中,阻尼对于潜艇的影响进行了研究, 研究指出潜艇的阻尼主要有结构阻尼、设备振动等效阻尼、流体振荡等效阻尼和外部流 场阻尼四部分组成。计算结果表明,当其舰载设备的安装频率与爆炸气泡脉动频率相一 致时,会对潜艇的鞭状响应产生很大的影响,当其频率不一致时,对于潜艇的影响要小 很多。 2005年张振华,朱锡,冯刚‘231等运用有限元软件DYTRAN模拟了水下加肋圆柱壳 哈尔浜21:程人学硕士学位论文 iii宣ii暑宣iii宣ii置墨i宣暑薯眚iii暑宣暑暑;ii暑宣ii;iiij宣iii宣ii;jiii;iii;ii;宣iii宣ii;ii 结构在爆炸冲击波作用下的非线性动态响应,在求解水下爆炸中的流固耦合问题时采用 了一般耦合算法,并且考虑了变形的非线性、材料的应变率以及结构加工初始缺陷对于 分析结果的影响。 2010年冯刚,朱锡等【241指出在水下爆炸作用下双层壳体结构的外壳体起到重要隔 冲作用,并对此理论研究和模型试验。研究结果表明随着外壳板厚的增加,透波率和透 射波能量呈现出指数衰减。 1.2.4复合材料结构的抗爆研究 由于复合材料具有传统造船材料所不具备优越脾1212厶匕F]I",因此倍受各国造船业的重视, 目前已经成为一种重要的船用材料。美国白第二次世界大战后,就在舰船上开始应用, 目前己有3000多艘复合材料建造的舰艇。其它国家于20世纪50年代后开始在水面舰 艇和潜艇上采用复合材料。由于舰船壳体的防护能力在一定程度上决定于舰船抗爆抗冲 击性能,开展复合材料壳体结构在舰船抗冲击中的应用研究是非常必要的。 990年Gong[25】利用DAA法结合有限元方法,对在不同水下爆炸强度下,复合材料船体的动态响应进行了研究,同时Gong研究了遭受水下爆炸袭击情况下复合材料外 :壳体的潜水器动态响应。 994年Kwon和Shin[26】则研究了在水下爆炸冲击波作用下,双层结构表面铺橡胶层对于的结构动态响应的影响,研究是为了了解橡胶类型的消声瓦对与潜艇结构抗冲击 性能的影响。分析了在水下爆炸作用下,不同形式和布置的橡胶铺层对于双层壳结构的 应力、速度和结构内能的影响。研究发现:影响橡胶铺层和潜艇结构界面上的能量交换 程度的主要因素是:阻抗匹配问题。研究发现:因为较软的铺层具有较小的阻抗,能够 增大主结构上的应力波能量吸收。 1995年Mo嘶tz【271研究了玻璃纤维增强材料潜器在水下爆炸载荷作用下动态响应。 1999年Makinent281最早在考虑流固耦合的基础上,利用有限差分法研究了复合材料 夹芯结构在水下爆炸作用下的动态响应,并考虑了流固耦合面上的空穴效应。 2000年Liu[291等结合修正的DAA法利用有限元法研究了在水下爆炸冲击波作用下 的玻璃钢船体结构的动态响应问题,计算结果和试验结果符合良好。 和一些西方国家相比,受到研究经费的限制,我国对于新型舰船抗冲击结构、。材料 及理论的研究起步较晚。主要有: 2000年刘建湖【301对玻璃钢船体受水下爆炸时的响应进行了实验研究及数值分析, 数值结果与试验数据相吻合。 第1章绪论 2005年刘土光,张涛,岳建掣31]采用Ls—DYNA分析了加筋复合材料浸潜壳体 结构在水下爆炸冲击载荷作用下的动力响应,不同单元处并给出了位移、应力以及冲击 波压力波传播云图。 2006年贺章勋,刘土光,张涛【32]在不增加船体舱段质量的基础上,采用ANSYS建 立了典型舱段的模型,分别设置船体结构的材料为复合材料和钢材料,比较了不同材料 船体相同位置的应力大小。研究发现钢结构比复合材料结构中应力大,由此说明复合材 料的抗冲击性能优于钢材料。 2008年李华吲通过对玻纤增强结构/抗冲击复合材料国内外的应用现状进行了详细 的对比研究,提出采用抗冲击复合材料是实现武器装备轻量化可行的技术途径。 2009年戴红彬,卢海星,郭焕升【34】等利用LS—DYNA对深水爆炸下潜体结构的动 态响应进行数值模拟。分析了钢、铜、铝合金等金属材料以及复合材料圆柱壳水下爆炸 载荷作用下的抗冲击性。并进一步分析不同材料参数的复合材料圆柱壳动态响应。计算 结果表明:复合材料的抗冲击性能优于钢、铜、铝合金等余属材料。研究可为舰船的设 计提供参考。 1.3本文的主要工作 通过本章之前的综述和分析,我们发现目前对于双壳体潜艇抗爆性能的研究较少, 而且主要集中在研究简单圆柱壳结构在水下爆炸下的响应。但是我国潜艇实际结构多为 复杂双壳体潜艇,外部的非耐压结构对于潜艇抗爆性能具有重要作用。因此潜艇非耐压 结构抗爆性能的研究有着重要的现实意义和深远发展前景。 由于在研究水下爆炸时涉及气泡脉动、空化效应、流固耦合等复杂问题,很难采用 解析方法解决,而试验研究的耗费巨大,因此数值仿真就成了可行有效的研究手段。 本论文主要进行以下几个方面的工作: (1)描述了水下爆炸的基本理论。内容包括:水下爆炸的物理现象描述,水下爆 炸冲击波载荷与气泡脉动载荷的计算方法,流固耦合问题的基本理论。这些为分析潜艇 非耐压结构的水下爆炸载荷下动响应问题奠定理论基础。 (2)研究有限元软件ABAQUS声固耦合算法在潜艇水下爆炸方面的应用。内容包 括:详细阐述ABAQUS软件水下爆炸方面所采用的声学流体基本方程、边界条件、爆 炸载荷的处理等问题;并就水下爆炸载荷下潜艇在的模型建立、网格划分、分析步设定、 静水压力处理中关键问题进行研究。最后通过试验验证了ABAQUS软件在计算水下爆 炸问题上的可靠性。 哈尔滨一l:程人学硕士学位论文 (3)在控制重量、保证强度的基础上,针对潜艇非耐压壳体设计了三种新型的舷 侧抗冲击结构。通过仿真计算,从冲击速度、加速度以及冲击能量吸收的角度分析新型 结构的抗冲击性能。并与传统潜艇非耐压结构进行比较。 (4)研究了复合材料在潜艇结构上的应用:采用碳纤维/乙烯基树脂、芳伦纤维/ 乙烯基树脂和玻璃纤维/乙烯基树脂三种复合材料设计了夹层结构的潜艇非耐外:壳;分析 了复合材料外壳对潜艇冲击响应的影响;谈论了不同材质、不同铺设方式的纤维增强复 合材料对于潜艇抗爆性能的影响。 第2章水下爆炸基本理论及研究方法 水下爆炸基本理论及研究方法2.1引言 水下爆炸作用下潜艇结构抗冲击研究的两个重要的问题是:水下爆炸载荷的确定和 流固耦合问题。要得到比较精确地潜艇结构抗爆性能的分析结果,首要的是对爆炸载荷 进行精确地描述。其次分析潜艇遭受水下爆炸问题时,周围流体对于艇体结构响应有着 不可忽略的影响,分析时必须考虑流体和结构的相互作用即流固耦合。流固耦合就是爆 炸压力通过流体作用在结构上使得结构发生变形,同时结构的变形又影响到流体中压力 分布的过程;由于这个过程是反复进行,流固耦合分析是水下爆炸计算中的难点。 为了能够准确分析求解潜艇结构在水下爆炸载荷作用下的抗冲击性能,必须深入了 解爆炸载荷产生的原理、载荷描述的方法以及水下爆炸下流固耦合的分析方法。 2.2水下爆炸的基本理论 2.2.1水下爆炸的物理现象 所谓爆炸,就是物质通过激烈的化学反应变为高温高压气体的过程,反应发生剧烈, 同时释放出大量的热能。炸药由初始的状态变为高温、高压的气体,反应后的气体温度 可达到几千度,而压力可达到几万个大气压。 按周围的介质不同可将爆炸分为空爆和水下爆炸两类。因为水的密度比空气大得 多,水下爆炸具有独特的物理现象。水下爆炸是一个非常复杂的能量转换过程,其能量 的释放可以分为冲击波和气泡脉动两大部分。 水下爆炸的物理现象可以这样描述:炸药在水下爆炸时产生的高温高压的爆炸产物 对周围水介质的产生巨大压力形成冲击波,冲击波产生后,以极快的速度在水中传播, 在水汽交界面和水底会产生反射激波;在冲击波产生的同时,爆炸物变成了高温高压的 气体,该气体在水介质中形成气泡的形式。气泡形成的初始阶段内部的压力远大于静水 压力,此时气泡表面不断膨胀直至气泡内部压力小于外部流体的静水压力。此时气泡膨 胀停止,压力差使得气泡产生收缩运动。气泡的膨胀收缩会重复好几次,此即成为气泡 脉动现象,气泡脉动是水下爆炸所特有的现象。典型的水下爆炸过程如图2.1所示。 哈尔滨:J:程人学硕士学位论文 图2.1典型的水下爆炸过程 冲击波和气泡脉动在传播过程中分配的能量不同。以TNT炸药为例:大约59%的 能量产生冲击波;另约41%的能量生成气泡;约20%的能量在冲击波传播过程中损失, 剩余33%的能量造成潜艇的损伤;而13%的能量形成气泡的第一次压力波,有17%的 能量会在气泡被压到最小时散失,其它部分的能量产生第二次的压力波。其全部的能量 分配如图2.2。 图2.2水中爆炸的能量分配图 水下爆炸冲击波载荷和气泡载荷会对作用于爆炸附近的潜艇结构上,并使结构发生 损伤破坏。但是由于两者的强度和作用时间不同,使得结构损伤模式有所区别。一般来 说,冲击波载荷产生的压力很大,在其作用下结构发生屈服,在冲击波强度较大时结构 还会发生的损伤,甚至断裂。冲击波作用的持续时间很短,冲击波对于振动周期在毫秒 级的结构(如板、板架)的损伤更为严重,因此水下冲击波对于局部的结构损伤很严重, 对于船体结构破坏总体影响很小【”】。气泡与此不同,气泡驱使周围大面积流体的运动, 第2章水下爆炸基本理论及研究方法 容易是船体产生鞭状运动,造成船舶总体结构的破坏。 图2.3水下下爆炸的现象和特征 在实际水下爆炸过程中,由于周围环境的影响,爆炸会伴随着一系列的现象,如图 2.3所示。炸药爆炸产生气泡膨胀收缩的过程中,由于的水的浮力,气泡逐渐上升,气 泡膨胀时,上升缓慢;气泡压缩中,上式较快。在通常爆炸发生的有限的流体空问内, 因此爆炸产生的冲击波的传播会受到阻碍而产生一些现象,例如:传播到水面或者水底 等处时冲击波发生反射、折射等现象;冲击波作用在水面时,反射波和入射波叠加后, 使水的绝对压力骤降,当达到水的空化压力时,会出现区域形空化的现象(bulk —cavitation);冲击波在水面形成激励波喷溅及气泡羽状水柱,并在水表面形成表面波向 外传播。 2.2.2水下爆炸冲击波 经过众多学者的理论和实验研究,目前可以把爆炸产生的冲击波压力近似的认为是 一个按指数衰减的函数。Cole编著的《水下爆炸》中,提出了水下冲击波载荷的经验公 式。该公式被认为是较准确的。对于TNT球形药包,水下爆炸压力计算公式如下: 厂30r>3O (2.6) 其中W为装药量(kg),R为爆心到观测点的距离(m),R。为药包的初始半径(m), 只,为峰值压力(Pa),L为冲击波单位面积的冲量( s/m2),t。为冲击波在单位面积 通过的能量(,/研2),Us。为冲击波过后的流体粒子速度。 2.2.3水下爆炸气泡脉动 药包爆炸后,气泡在水中膨胀收缩振荡,实验证明,气泡的表面接近球形。假定气 泡为球形并且忽略周围介质与气泡的物质和热量交换,能量平衡方程来描述: 2,rpa31、d班al,2+Pa3U2+4死P口3铲=Y-E(口) (2.7) 上式中p为流体的密度,a为气泡的半径,U为气泡的上升的速度,z为气泡的等 效水深,】,为气泡内残留的能量,Q为炸药的爆炸能,77为余能率,E(a)为气泡的内能, g为重力加速度。式(2.7)中左边第一项是气泡径向运动引起的流体径向动能,第二项 为气泡上浮引起的流体动能,第三项为流体的势能。不计流体的粘性和可压缩性,根据 动量定理可以得到气泡上浮速度为: (2-9)对于TNT炸药的爆炸生产物来说,r=1.25,k=1.36x105。从而可以得到气泡周 期丁、最大的直径D。和上浮的距离龃分别为: 12 p一12sin2臼)。2.。3, c2一,4,,一7,77【翌望竺£ (2-15) L-2 @-16)哈尔滨.I:群人学硕+学位论文 由于公式(2—1)~(2—16)比较复杂,不利于在实际工程应用中计算爆炸载荷和气 泡运动过程。我们需要一种工程上实用的半解析半经验公式计算水下爆炸的整个过程的 压力。该压力过程要能够在压力量值、冲量和流体速度等方面都与实际情况比较一致。 本文中对水下爆炸载荷的求解采用的是在工程一卜应用较为广泛的Geers.Hunter模 型。这种模型的基本思想是进行水下爆炸载荷求解时,把水下爆炸的两个阶段——冲击 波阶段和气泡脉动阶段集成起来。下面将列出计算的具体公式。 在t<7Z时(冲击波阶段),冲击波压力: 弹)=鲁e[【_0+。..8251e‰xp(p-(写j鬻左)](2.18) 19’如果不考虑气泡脉动过程中气泡内部气体与周围水域的能量交换,并假设 1/c,'H0,plp,H0以及cg b0,可得: 2atJ(2.24) 上式中,m。和ac分别是药包的质量和初始半径,砭、K、庀、r、A和B都是材料常数,Pc为炸药的密度,p,为流体的密度,c,.为流场中的声速,g为重力加速度,鼻为 爆心处流体静压,CD为经验流体阻力系数,圪炸药的初始体积,R为观察点到气泡中 心的距离。 2.3水下爆炸问题的研究方法 研究水下爆炸下潜艇动响应的方法主要有:实船实验、模型实验、数值模拟计算三 种。实船实验是研究舰船抗爆性能最为有效、最为准确的方法,可以得到比较准确的实 验数据和资料。但是实船实验为破坏性实验,实验具有不可重复性,并且消耗大量的财 力、人力和物力,不合适广泛应用。模型实验就是将实船按相似性原理,按照一定缩尺 比例制成潜艇模型,实验可以在爆炸水池中进行。相对于实船实验来说,模型试验的具 有耗费较少,试验方式灵活的特点,因此在受到众多研究人员的青睐。 随着计算机技术的飞速发展,用数值模拟方法的研究水下爆炸问题成为可能。计算 机数值仿真技术在研究中可以提供更多方案和详细的冲击数据,目前采用虚拟仿真的冲 击技术并通过冲击试验验证,已经为各国海军普遍接受。 研究潜艇这类复杂结构的水下爆炸问题具有相当复杂性和特殊性,同时鉴于自身研 究条件的限制,本文将利用数值模拟导的方法来研究潜艇非耐压结构的抗爆性能,希望 可以得出令人满意的结论。 用于计算水下爆炸的有限元软件目前主要有:LS.DYNA、MSC.Dytran、ABAQUS、 AUTODYN等。下面将进一步对这四款软件在爆炸冲击波及气泡脉动模拟方面的可用性 以及模拟结果准确性、计算效率等方面进行比较。 (1)LS.DYNA在水下爆炸中的应用: LS.DYNA可以很好模拟各种复杂的非线性问题。对于水下爆炸问题的计算, LS.DYNA即可模拟近场水下爆炸也可以模拟远场爆炸。对于近场爆炸,采用LS.DYNA 多物质耦合技术模拟近场爆炸。网格尺寸和网格质量对计算结果影响很大,由于该方法 把水看作完全可压缩流体,通过这种计算方法得出的自由场压力峰值与Cole经验公式 计算结果相比,离爆源近的区域计算结果偏大,离爆源远的区域计算结果偏小。 (2)MSC.Dytran在水下爆炸中的应用: MSC.Dytran程序的算法基概括为:基于Lagrange法的有限单元方法,用于模拟结 构变形和应力;基于纯Euler法的有限体积方法,用于描述气体和液体流动。对于流固 耦合问题,软件采用基于混合拉格朗同欧拉法的有限单元与有限体积技术,进行完全耦 合的流固耦合问题的模拟。 MSC.Dytran计‘算结果对网格尺寸和网格质量的敏感程度要比LS.DYNA低一些,但 同样存在离爆源近的区域计算结果偏大和离爆源远的区域计算结果偏小的问题。 哈尔滨工程人学硕士学位论文(3)ABAQUS在水下爆炸中的应用: ABAQUS采用声场和结构耦合的声学有限元技术模拟远场水下爆炸,将水作为一 种声学介质,这样把压力作为流体声学单元的自由度取代位移自由度。经过验证 ABAQUS计算结果与解析解以及实验结果非常接近。而且,对于相同的远场水下爆炸 问题,相比其他软件ABAQUS求解速度要快的多,并且计算稳定。 (4)AUTODYN在水下爆炸中的应用: AUTODYN拥有Lagrange、Euler、ALE、和SPH等多种处理器,对同一水下爆炸 问题,允许在不同部分选用不同的数值方法,数值方法不同的网格可以耦合在一起,从 而可以有效地解决水下爆炸问题问题。AUTODYN计算稳定性比较好,在水下爆炸模拟 方面的功能是最全面的。但是与其它三种软件相比,针对同一问题, AUTODYN计算 速度要慢一些。 进行比较分析后,鉴于时间安排以及计算条件的限制,本文采用ABAQUS声固耦 合算法模拟潜艇受水下爆炸气泡脉动载荷作用的动态响应。下章将具体介绍ABAOUS 软件计算水下爆炸问题的基础理论。并进行对某算例进行计算,将数值模拟结果和试验 结果进行比较,以验证该软件计算结果的正确性。 12.4流固耦合问题 在分析是水下爆炸作用下结构的响应问题时,如何计算流固耦合过程的是分析难 点。水下爆炸产生的冲击波的压力首先通过湿表面由流体传播到结构上,结构受到冲击 波的作用开始运动,与此同时结构运动会造成流体中压力的分布状况的改变,这种改变 反过来又影响到了结构的运动。该过程会反复进行,造成了分析的流固耦合问题的困难 性。下面列举常见的几种流固耦合的处理方法。 (1)延迟势法 延迟势法是一种较精确的计算瞬态冲击载荷下流固耦合的方法。但是该方法在工程 实际应用中具有一定局限性。它需要很大的数据容量,占用计算机很大的资源。 (2)ALE法 任意拉格朗日一欧拉(ALE)方法就是基最早由Noh(1964)以耦合欧拉一拉格朗日的 术语提出的。它将纯拉格朗日和纯欧拉法有机地结合,利用两种方法的优点,解决了一 些单纯使用拉格朗日法和欧拉法无法解决的问题。 由于该方法把水看作完全可压缩流体,通过这种计算方法得出的自由场压力峰值与

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