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原文传递基于双渐近法的水下爆炸流固耦合效应研究

论文题名：	基于双渐近法的水下爆炸流固耦合效应研究
关键词：	舰船结构;水下爆炸载荷;流固耦合;双渐近法;空化效应;抗爆性能
摘要：	流固耦合现象广泛存在自然界和各种工程领域。在船舶与海洋工程领域，水下爆炸流固耦合问题一直是学者们的研究热点。水下爆炸是个极其复杂的过程，研究水下爆炸流固耦合问题具有较大的学术意义。另外，水下爆炸载荷会对舰船结构造成毁伤，轻则产生塑性变形重则产生破口甚至使船体发生折断，所以研究水下爆炸流固耦合问题有助于了解舰船水下爆炸毁伤机理，为舰船结构抗爆抗冲击设计提供参考，对提高舰船的抗爆抗冲击性能和舰船生命力具有非常重要的现实意义。基于此，本文采用双渐近法研究水下爆炸流固耦合问题，主要包括水下爆炸冲击波作用下的空化效应，内域对水下爆炸冲击波作用下结构动响应的影响，水下爆炸气泡动态特性及水下爆炸气泡与结构相互作用。最后，通过试验研究加筋圆柱壳结构在静水压力与水下爆炸载荷联合作用下的动响应，并验证本文提出的数值计算方法。　　本文首先按水下爆炸过程对水下爆炸流固耦合基本现象进行了阐述，分别对本文重点研究的四种水下爆炸流固耦合问题的国内外研究现状进行了综述，通过国内外研究现状的分析发现了一些需进一步研究的问题，为本文的研究奠定了基础。假设流体为小扰动、无粘、无旋、可压缩流体，从线性波动方程出发，以延迟势方程为基础，对外域双渐近法和内域双渐近法理论进行归纳整理。并以外域双渐近法为基础结合流体有限元法对间接双渐近法进行改进，为本文的研究提供了有力的手段。　　基于间接双渐近法建立水下爆炸空化效应流固耦合数值模型，该数值模型采用双渐近法而不是曲面波近似法处理无反射边界条件，采用建立的流固耦合数值模型研究自由面、平板及球壳附近的空化效应，对空化的产生机理尤其是反射稀疏波的产生机理进行了分析，对空化效应影响因素进行系统的分析，并说明无反射边界条件与曲面波近似无反射边界条件的差别。研究表明，空气的阻抗远小于水的阻抗是自由面空化产生的根本原因，自由面的这种属性决定了反射波为稀疏波。平板的运动速度是平板空化效应产生的根本原因，只有当平板的运动速度达到一定值后才会有空化效应的产生。另外，发现水深越大，空化效应对结构动响应的影响越小，即浅水中的空化效应比深水中的明显。　　基于外域、内域双渐近法，建立求解水下爆炸冲击波作用下具有内域结构动响应的流固耦合数值模型，采用建立的数值模型研究具有内域球壳、圆柱壳及加筋圆柱壳的动响应，研究冲击波载荷参数对具有内域结构动响应的影响，分析内部流体域对动响应的影响。研究表明，内部流体域的存在，会使结构速度响应幅值减小、振荡频率减小。　　基于外域、内域双渐近法，建立既考虑外部液体可压缩性又考虑内部气体波动效应的改进的可压缩气泡数值模型，提出采用体积加速度模型计算气泡的初始速度。分析不可压缩模型、外部流体可压缩模型及改进的可压缩模型之间的差别，对气泡系统能量耗散机理进行研究，分析气泡初始速度对气泡运动特性的影响，并采用建立的改进的可压缩模型研究重力场、冲击波场下气泡的动态特性。研究表明，改进的可压缩模型可以很好的模拟水下爆炸气泡的动态特性，外部液体的可压缩性和内部气体的波动效应是引起系统能量耗散的主要原因，在水下爆炸气泡数值计算过程中不应将气泡初始速度忽略，应该合理计入气泡初始速度的影响。　　通过电火花实验装置研究不同距离参数下电火花气泡与不同直径刚性圆柱的相互作用，并分析了不同参数对电火花气泡与圆柱的相互作用的影响。然后建立气泡与结构相互作用数值模型，提出采用球形等效方法处理气泡射流穿透气泡壁面后的气泡运动，并采用建立的数值模型研究不同距离参数下气泡对圆柱壳的毁伤作用。研究表明，与刚性平板附近的气泡运动特性相比，刚性圆柱附近的气泡运动特性更加丰富。采用球形等效方法研究气泡与结构的相互作用比较合理。随着距离参数的减小，气泡对圆柱壳的毁伤效果越明显。　　通过试验研究静水压力与水下爆炸载荷联合作用下加筋圆柱壳的动响应，测量得到中远场、近场爆炸载荷作用下加筋圆柱壳的动响应，并分析静水压力对中远场爆炸时的应变、加速度的影响，静水压力对近场爆炸时的结构变形的影响。研究表明，在中远场爆炸时，静水压力对应变峰值的影响较小。在近场爆炸时静水压力对应变影响较大，静水压力的存在使结构的应变增大，静水压力的存在加剧了耐压壳的变形扩展了耐压壳的变形范围。
作者：	肖巍
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	张阿漫
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文