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原文传递反舰导弹舱内爆炸作用下舱室结构毁伤与防护机理

论文题名：	反舰导弹舱内爆炸作用下舱室结构毁伤与防护机理
关键词：	反舰导弹;战斗部舱;爆炸毁伤;夹层液舱;防护设计
摘要：	大型水面舰艇是海军走向深蓝的重要支撑，是海战胜负的主要影响因素。随着反舰导弹装药量和命中精度的快速发展，极大威胁大型水面舰艇的生命力。本文以半穿甲反舰导弹侵彻进入大型水面舰艇内部爆炸毁伤为背景，旨在阐明战斗部舱内爆炸毁伤与防护的机理，为大型水面舰艇的抗爆设计评估提供参考，具有重要的基础研究价值和工程指导意义。　　全文按照―载荷—特性—响应—防护的总体思路，综合实验、理论和数值仿真方法对战斗部舱内爆炸载荷特性、船用钢动态失效特性、舱内爆炸载荷作用下舱室结构动态响应、水雾及液体舱室对舱内爆炸载荷的防护机理等关键问题进行了研究。主要研究工作及结论如下：　　第一部分，战斗部舱内爆炸载荷研究　　首先对战斗部爆炸破片形成的物理过程进行了分析，以一维膨胀环作为分析手段揭示了Mott卸载波在破片形成过程中的关键影响。在此基础上对初始膨胀速度对破片数量和质量分布的影响进行了分析，研究了壳体厚度对破坏模型的影响，并结合应力状态变化揭示了机理。　　进而，基于炸药爆炸化学反应过程，对舱内爆炸最重要的压力载荷——准静态压力的产生机理进行了分析，并给出了预测模型。试验验证了准静态压力产生机理和理论模型。在此基础上提出了基于准静态压力等效的带壳战斗部等效裸装药理论模型。　　接着，开展了2型战斗部爆炸试验，分析了战斗部碎裂并作用于结构的物理过程，研究了破片载荷和压力载荷特性，验证了基于冲量和基于准静态压力修正的裸装药理论模型。　　第二部分，船用钢动态失效特性研究　　首先，分析了船用钢在低应力三轴度区间的“断崖现象”，指出了经典本构模型的缺陷，结合应力状态推导分析，设计了平板缺口拉伸、拉剪联合作用、鼓胀变形、动态拉伸等21种试样及实验夹具，结合数字相关（DIC）实验技术，获得了复杂应力状态下船用钢动态失效特性。　　接着，提出了一种考虑温度、应变率、应力三轴度、Lode角等变量的动态损伤失效本构方程，并进行了子程序二次开发。经验证新的动态损伤失效本构模型能适用于穿甲剩余速度和受爆炸作用的平板在复杂应力状态下破损的预测。　　第三部分，舱室动态结构响应研究　　首先，采用量纲分析方法分析了舱内爆炸作用下冲击波、冲量和准静态压力的相似关系，基于弱加筋变形模式及船用材料动力学特性提出了修正的舱内爆炸无量纲数。开展了舱内非近距离爆炸作用下平板和加筋板动态响应实验研究，得到了其失效模式，验证了修正的无量纲数。　　进而，采用预制孔板的方式开展了近距离舱内爆炸作用下，爆炸冲击波与破片联合作用时板动态响应的实验和数值仿真研究，分析了开孔形状对局部应力状态、应力集中系数及破坏模式的影响。　　然后，开展了多舱室结构在带壳战斗部舱内爆炸毁伤实验，分析了爆炸当舱破损和临舱泻爆的物理过程，得到了舱壁、甲板、舱门等典型结构的破坏模式，指出了普通舱室结构的薄弱环节。　　第四部分，水雾及液体舱室防护机理研究　　首先，利用激波管开展了单个液滴在冲击波作用下碎裂雾化的机理实验，结合理论分析方法得到了雾化碎裂的主要影响因素。在此基础上，基于level set、GFM和AMR相结合的方法开展了冲击波作用下液滴变形和对流场的影响分析。开展了被动式水雾对舱内爆炸压力载荷衰减作用的实验分析，验证了水雾对冲击波峰值、冲量和准静态压力均有良好的衰减作用。结合舱内爆炸化学反应过程揭示了水雾主要通过抑制二次燃烧抑制舱内准静态压力的机理。　　最后，开展了液体舱室衰减舱内爆炸破片载荷的实验研究，分析了液体舱室通过形成冲击波、滞后流、空泡溃灭冲击波耗散破片能量的机理，验证了理论分析模型并得到了液舱舱壁的破坏模式。提出了一种防止在破片载荷作用下整体失效的夹层液舱结构，并进行了机理分析。　　本文在国家重大基础研究基金（No.613157）、自然科学基金（No.51509196）、国防基础研究基金（No.B1420133057）、优秀博士论文培养基金（No.2014-yb-20）、国家重点实验室开放基金（No.LNM201505）的支持下，对反舰导弹舱内爆炸作用下毁伤与防护机理进行了系统研究，揭示了毁伤与防护的内在机理，建立了相关问题的理论模型，分析了主要影响因素。其成果可应用于大型水面舰艇评估与防护设计，为实际工程应用提供理论支持和技术储备。
作者：	李营
专业：	船舶与海洋工程
导师：	吴卫国;张磊
授予学位：	博士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文