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原文传递非药式水下冲击波加载技术及铝合金结构抗冲击特性研究

论文题名：	非药式水下冲击波加载技术及铝合金结构抗冲击特性研究
关键词：	军用舰艇;水下爆炸模拟装置;力学响应;毁伤模式;夹层结构;抗冲击性能;铝合金
摘要：	舰艇在受到水下武器的非接触式攻击时，舰体结构在水下冲击波及气泡的作用下会产生致命的破坏损伤，因此如何提高舰艇结构的抗爆抗冲击能力成为了各海军强国的关注焦点。对该问题的现有研究手段中，实验方法因具有直观、有可靠数据支撑等优势是其它研究手段所无法比拟的。如何在实验室范围内进行舰艇结构的高强度水下冲击波加载对于增强舰艇结构的抗爆抗冲击能力具有重要的意义；同时随着近海领土争端的频发，对近海轻型舰艇的需求日趋强烈，如何在提高舰艇结构抗冲击性能的同时，对舰艇进行轻量化设计是各国相关学者当今的一个研究热点。基于以上背景，本文通过理论、实验和数值仿真相结合的研究方法对实验室范围内的水下爆炸冲击波加载技术及轻质结构在水下冲击波作用下的变形毁伤特性及吸能抗冲击性能进行了研究，主要进行了以下的研究工作：　　对实验室范围内的非药式水下爆炸冲击波加载实验装置进行了实验和数值模拟研究，验证了其产生水下爆炸冲击波的可靠性。获取了对非药式水下冲击波加载装置所产生的水下冲击波强度及衰减时间常数的影响因素，并据此建立了飞片质量、活塞质量和飞片撞击速度与水下冲击波强度及衰减时间常数之间进行定量分析的计算公式。　　得到了低强度水下爆炸冲击波载荷作用下气背固支5A06铝合金圆板的动态变形历程，总结出了水下冲击波作用下固支气背圆板的全局应变分布情况的计算公式；进而利用拉伸试验机对5A06铝合金材料进行了常温到300℃高温范围内的准静态拉伸试验，同时利用高应变率加载装置霍普金森拉杆对该材料在常温条件下的动态拉伸力学性能进行了加载试验，提出了通过修改温度软化项修正的Johnson-Cook本构模型，并通过水下冲击波加载实验及相应的数值仿真结果对上述材料的本构模型进行了验证；从而得到了非药式水下冲击波加载条件下水、靶耦合引起的气泡产生、溃灭情况，并分析了靶板的动态响应特点。　　对能产生高强度水下爆炸冲击波载荷的柱形非药式水下爆炸冲击波加载装置的实验特性进行了研究，得出了其产生的水下冲击波强度及相应衰减时间常数的加载规律。进而对气背固支圆板在水下冲击波作用下的典型破坏损伤模式进行了实验研究，得到了各类失效模式的动态全物理过程，并基于三维数字散斑技术（DIC）实现了冲击波载荷作用下靶板动态变形的实时测量；并在此基础上利用数值仿真技术，基于解耦算法得到了本实验工况范围内所用靶板在水下冲击波作用下所产生的各类失效模式间的转化临界条件。　　通过对具有软质芯层和硬质芯层的三种夹层结构板进行了水下冲击波加载实验和相应的数值仿真研究，进而与相同面密度单层板的水下冲击波加载实验结果进行对比，获得了不同类型芯层对夹层结构抗冲击性能的影响，得到了夹层板的气背面板最大变形量与水下冲击波无量纲冲量间的定量关系，确定了三种不同夹层结构的抗冲击能力。　　本文获得的研究成果可以为实验室范围内舰艇相关结构的抗爆抗冲击实验研究及舰艇的轻量化防护结构设计提供必要的实验数据及理论基础，具有一定的参考价值与指导意义。
作者：	任鹏
专业：	固体力学
导师：	张伟
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文