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原文传递水下近场爆炸时不同结构形式的壁压与毁伤特性试验研究

论文题名：	水下近场爆炸时不同结构形式的壁压与毁伤特性试验研究
关键词：	舰艇结构;水下近场爆炸;冲击波;气泡作用;壁面压力;毁伤特性
摘要：	为了提高舰船的抗毁伤能力和生命力，准确预报水面舰船在遭受攻击武器命中后可能造成的毁伤程度是最关键的技术环节。本文主要针对水下近场爆炸对舰艇结构的毁伤问题进行研究，以机理试验结合理论和数值计算作为主要研究手段，重点考察水下爆炸冲击波和气泡作用下的近物面壁压载荷特性，并在此基础上系统地建立近场爆炸载荷作用下结构的毁伤预报方法。本文的试验爆源输入方式主要有三种:高压电火花气泡(400V，气泡最大半径Rmax～25mm)，微当量水下爆炸(0.07g，Rmax～80mm)和小当量水下爆炸(5g，Rmax～250mm)。本文试验采用的结构形式主要有刚性壁面、单层板、单层弧度板、带破口的双层板、双层加筋板以及双层弧度板。　　近场水下爆炸冲击波作用下流固耦合面附近的物态方程会发生变化。因此本文首先计及声学阻抗的影响，考虑了流体介质和结构的可压缩性，建立水下爆炸强冲击波与简单板结构的耦合力学模型，给出了强冲击载荷下的壁压特性。在此基础上，引入广义阻抗的概念，采用波动理论求解应力波在双层板架结构中的传递特性，并利用双线性判据计及空化效应的影响，得到了更加准确的壁压预报结果。本文提出的波动求解方法得到了数值方法结果和试验结果的验证，可为船体结构局部毁伤研究提供准确的冲击波载荷输入和流固耦合模型。　　其次，针对气泡作用下近物面壁压特性，本文开展了微当量水下爆炸试验研究，联合边界积分方法，给出了底部爆炸气泡作用下近物面壁压的工程化预报方法。试验中通过高速摄像机捕捉近壁面的气泡形态特性，重点考察了气泡的环状、撕裂和坍塌等行为特征。同时，通过利用壁压传感器考察物面处的压力特性，得到了气泡载荷和气泡冲量的规律特征。基于边界元法，提出气泡引起的近物面壁压计算模型，并对该壁压进行了空间预报。与试验结果对比验证表明，本文提出的工程预报方法可用于快速预报气泡运动引起的物面压力在时间和空间上的分布特征，为结构毁伤预报提供气泡载荷输入。　　为考察外板破口附近聚集气泡对舰船内部结构的载荷加载特性，在上述试验研究基础上，对带破口的双层板结构附近的底部爆炸气泡载荷特性进行了系统的试验研究。采用单一变量法开展了大量的机理试验，考察了孔径参数，舷间距参数和距离参数三个主要参数对气泡形态特征和气泡载荷的影响，发现了“涌入气泡”分离、撕裂、坍塌和“舷外气泡”对射流等特殊气泡运动特征。根据试验结果得到了带破口双层板的内板壁压的变化规律、载荷冲量成分及特性，可为后续的双层结构气泡载荷分布特征研究提供基础。　　在充分揭示近物面载荷特性后，为窥探冲击波和气泡载荷对结构的动态毁伤过程，首先对单层板在近场底部爆炸作用下的局部毁伤进行系统的理论及试验研究。试验结果表明，结构在近场及接触爆炸下极易产生破口，当破口后面是背空条件时，破口附近聚集的爆炸气泡会向结构内部产生多次高速射流。为了进一步揭示近场爆炸时双层结构的内层结构局部毁伤机理，以舰船结构的组成单元——双层加筋板结构为主要研究对象。一方面通过高速摄影捕捉复杂边界条件下的气泡形态特征及一些特殊现象（爆轰气体、水射流等），另一方面通过应变片测量内层结构的动态响应，根据应变响应分析载荷加载特性。试验结果表明，当外侧结构产生破口后，冲击波和爆轰气体就会进入到舱室内，后期穿过破口产生的溅射流会对内层结构产生毁伤。　　最后，计及局部加载效应和附连水质量的影响，基于结构的刚塑性假定和结构的变形基函数，本文给出了近场底部爆炸作用下矩形板、弧度板和双层弧度板等结构的毁伤预报方法，并开展了小当量水下爆炸模型试验研究。试验结果表明本文提出的预报方法可预报近场爆炸作用下不同结构形式的破口大小和塑性毁伤区域。同时试验研究表明，在双层弧度板舷间水中可能会产生一些特殊的气泡动力学行为——“舷间诱导空泡”和“涌入气泡”。分析结果表明，“舷间诱导空泡”的尺度分布几乎为“舷外气泡”最大半径的3/4，其非对称性溃灭可能会对结构造成破坏。“涌入气泡”可加速“舷外气泡”对射流的产生并有效减缓气泡载荷对内壳板结构的毁伤效果。
作者：	陈莹玉
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	姚熊亮
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2019