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原文传递大型水面舰船舷侧复合多层防护结构研究

论文题名：	大型水面舰船舷侧复合多层防护结构研究
关键词：	复合多层防护结构;反舰导弹;爆炸冲击波;随机破片;防护液舱;数值仿真;舰船舷侧
摘要：	海军是维护国家海权，保护海上活动安全的中坚力量。在历次海战中，大型水面舰船起着举足轻重的作用。如今，随着反舰武器，尤其是反舰导弹的快速发展，大型水面舰船由于目标大，航行速度有限，战斗力强，易于受到敌方攻击。大型水面舰船自身的具有防护功能的结构系统，是维护生命安全的最后一道防线。一个优良的防护结构，可将敌方费尽周折侥幸突防成功的反舰武器“消化吸收”，从而保持大型水面舰船的战斗力和生命力。　　复合多层防护结构利用舰体较大纵深的特点，采用“以柔克刚”的方式，“消化”反舰武器的攻击。在国外各海军强国建造的大型水面舰船中，舷侧均普遍采用复合多层防护结构。在二战时期，复合多层防护结构主要设置于水线以下，防护水雷、鱼雷的攻击；当前，由于反舰导弹对大型水面舰船的威胁剧增，复合多层防护结构设置范围增加，如美国的“尼米兹”级航母的后续舰，复合多层防护结构防御范围增至机库甲板。复合多层防护结构通常由外板、空舱、液舱以及防御纵壁构成，层数有三层、四层、五层等。然而，如何设置复合多层结构层数、每一层的防护功能、防护结构的较优设计、防护效果等在国内研究较少，也无法得到国外的相关资料。　　本文采用理论分析和数值仿真的方法，对大型水面舰船舷侧的复合多层防护结构的机理、不同结构形式的防御效果进行研究，这对指导复合多层防护结构设计、提高我国大型水面舰船的生命力和战斗力具有重要的意义。研究的具体内容如下：　　（1）研究导弹穿透靶板的机理。通过数值计算方法，实现了截锥形弹体正、斜穿甲薄板的数值模拟，计算结果与相关的实验研究结果吻合较好；分析了锥形弹正穿甲靶板孔体成形为花瓣的机理，穿透靶板消耗能量后弹体的运动特性；研究修订了Zaid和Paul提出的锥形弹斜击薄板三种破坏类型的区分界线；运用理论分析方法，推导了锥形弹体低斜角和高斜角穿甲薄板的剩余速度公式。　　（2）研究舰舷板架结构抵抗反舰导弹穿甲性能。确定了数值仿真所用的舰用945钢J-C强度模型参数；实现飞鱼反舰导弹穿甲舰舷板架的数值仿真过程。对比研究了6个典型着弹点的正穿甲特性和加筋处的斜穿甲特性，研究结果表明：加筋可有效降低反舰导弹穿甲的剩余速度。增加板厚对降低弹头穿甲后剩余速度收效甚微；对降低弹翼穿甲后的剩余速度效果显著。舷侧型深方向的斜穿甲，弹头和弹翼穿甲剩余速度均随着入射角的增加而减小。对研究结果的比较分析，提出了舷侧外板抗穿甲的设计思想为：第一，在反舰导弹掠海攻击高度设置一道舷侧纵桁，增大导弹撞击强构件的概率。第二，在舰船舷侧空间允许的情况下，增大外板与内部结构的距离，当弹头撞击外板触发引信，可使导弹战斗部尽可能停留在舷侧空舱内爆炸。第三，尽可能设置倾斜舷侧外板，或者在水线附近设置倾斜甲板。　　（3）整理归纳了自由大气爆炸冲击波参数计算公式，并对这些公式进行了比较和分析。优选了计算爆炸冲击波参数的最合适的公式。对比了Dytran和Autodyn中不同求解方法对空中爆炸冲击波传播的数值模拟，确定了相对计算精度较高的数值仿真方法。　　（4）在假设板架在冲击载荷作用下板和加筋具有相同挠度的条件下，推导了矩形板架在冲击波作用下与时间相关的位移表达式。运用Autodyn模拟了板架在空爆载荷下的响应，讨论了自接触对仿真结果的影响。分析了加筋位于迎爆面和背爆面时板架的变形，提出舰船复合多层防护结构的纵向舱壁上的加筋方向尽量指向舰心的设计思想。　　（5）运用Dytran中的一般耦合算法对舷侧复合多层防护结构内爆炸进行了数值仿真。对比了有泻爆孔和没有泻爆孔的横舱壁角隅压力峰值，证明了横舱壁泻爆孔对减小角隅压力汇聚效果显著。为了减小横舱壁角隅整体撕裂破坏的发生，设计了三种加强角隅结构，并对缓解角隅压力峰值和减小结构应力的效果进行了比较，确定斜板结构为相对合理的角隅加强结构型式。　　（6）应用Autoddyn实现了舰舷功能液舱在内爆炸作用下响应的数值仿真，解决了液体的状态方程及模型的边界条件等关键技术。用数值仿真技术展现了液体的空穴效应，内板的变形影响着空穴的大小变化。研究表明液舱中装满液体对抵御爆炸冲击波有利。对内、外板角隅进行加强设计，有效缓解了角隅撕裂的发生。在应用Autodyn模拟战斗部爆炸时随机破片形成的仿真中，提出了用调节网格尺寸和节段长度的办法来控制破片的质量。将液体的粘性效应引入到了压力经验公式中，在此阻力公式基础上推导了破片运动的时间和距离公式。此公式在预知破片的质量、初速和液舱内板的弹道极限速度情况下，可以确定防护液舱的最佳吸收破片的宽度，方便指导防护液舱设计。
作者：	徐双喜
专业：	船舶与海洋结构物设计与制造
导师：	吴卫国
授予学位：	博士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2010
正文语种：	中文