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近场水下爆炸载荷作用下结构防护数值模拟研究
| 论文题名： | 近场水下爆炸载荷作用下结构防护数值模拟研究 |
| 关键词： | 军用舰艇;防护结构;近场水下爆炸;气泡脉动;射流载荷;可靠性 |
| 摘要： | 随着鱼雷技术的不断发展，舰船和潜艇遭遇近场水下爆炸的可能性大大增加，需要选择合适的防护方法提高其战场生存率。在舰船和潜艇的外壳使用防护罩吸能减震，减轻水下爆炸载荷是结构防护的研究方向之一。但是，目前相关的结构防护数值模拟研究只考虑冲击波载荷的影响，忽略近场水下爆炸中气泡脉动及射流载荷造成的损伤。因此，需要更加合理的数值方法，增加结构防护仿真研究结果的可靠性。 本文采用数值仿真对自由场和近场水下爆炸全过程进行模拟，并在近场水下爆炸载荷下进行结构防护数值模拟研究，主要研究内容如下： 首先，基于数值模拟软件ABAQUS中的耦合欧拉-拉格朗日（CEL）算法，采用真实炸药爆轰模型和JWL状态方程，对自由场爆炸气泡体积形态变化进行模拟，通过与实验对比，验证了欧拉法的准确性。并且将刚性板间微量炸药爆炸气泡脉动阶段模拟结果与实验结果对比，验证了CEL方法的可靠性。 其次，近场水下爆炸可对船体造成严重局部破坏，贴在船体外表面的防护罩可以有效地减弱爆炸产生的冲击载荷。根据实验搭建有限元模型，模拟出圆形板上的防护罩在冲击波载荷下的减震效果。探讨不同结构参数下对防护罩防护特性的影响，最后验证防护罩在气泡脉动及射流载荷下的抗冲击效果。 然后，在前文基础上，基于隐身和抗蚀的考虑，在防护罩外层铺设高强度复合材料（GFRP）。对GFRP-聚氨酯-钢三种材料的夹芯圆柱壳结构进行冲击波载荷加载。通过改变爆距、药量和厚度比参数，分析结构的损伤情况、吸能和位移结果，并在气泡脉动及射流载荷下研究该结构抵抗变形和耗能能力。 最后，针对气泡射流带来的高速冲击损伤，仅仅依靠防护罩是不够的。根据现有实验研究成果，提出利用“异相气泡”进行结构防护，即利用炸药产生气泡改变攻击气泡射流方向，对结构物进行保护。通过开展水槽模型近场水下双炸药爆炸数值模拟，分析水下爆炸气泡对的相互作用机理，并验证“异相气泡防护”的可行性，为防护朝向结构物的高速水射流提供新方案。 |
| 作者： | 孙成 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 江旭东 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨理工大学 |
| 学位年度： | 2023 |
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