【摘要】：當(dāng)水下爆炸發(fā)生時(shí),除產(chǎn)生沖擊波和氣泡載荷以外,還會(huì)產(chǎn)生空化現(xiàn)象,空化區(qū)域潰滅時(shí)產(chǎn)生的二次加載作用會(huì)對結(jié)構(gòu)響應(yīng)產(chǎn)生較大的影響。對于金屬材料,其力學(xué)性能是與應(yīng)變率相關(guān)的,材料的本構(gòu)關(guān)系與水下爆炸等現(xiàn)象仿真的精度直接相關(guān)。為了準(zhǔn)確預(yù)測艦船結(jié)構(gòu)在水下爆炸載荷作用下的結(jié)構(gòu)變形和損傷模式,研究船用鋼在沖擊載荷下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能并建立本構(gòu)模型顯得尤為重要。因此,考慮空化效應(yīng)和應(yīng)變率的影響,對準(zhǔn)確評估水下爆炸作用下艦船結(jié)構(gòu)的動(dòng)響應(yīng)具有重要意義。本文對應(yīng)變率效應(yīng)和水下爆炸空化效應(yīng)對近水面艦船結(jié)構(gòu)沖擊響應(yīng)的影響開展了全面深入的研究。采用MTS拉伸和Hopkinson壓桿技術(shù)開展EH36高強(qiáng)度鋼的抗沖擊性能的試驗(yàn)研究,獲得沖擊狀態(tài)下材料的本構(gòu)模型。在此基礎(chǔ)上,對典型船用加筋板結(jié)構(gòu)和艦船結(jié)構(gòu)進(jìn)行了水下爆炸數(shù)值模擬,對比分析了考慮和不考慮空化效應(yīng)兩種情況下結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。具體研究內(nèi)容如下:(1)根據(jù)Arons方法計(jì)算得到任意當(dāng)量的不同類型炸藥在任意爆炸深度下形成的空化區(qū)域邊界,為水域有限元模型范圍的選取提供理論依據(jù)。運(yùn)用聲-固耦合法模擬水下爆炸沖擊波產(chǎn)生的空化效應(yīng),計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果吻合度較好,驗(yàn)證了運(yùn)用流固耦合聲學(xué)有限元方法計(jì)算空化效應(yīng)的準(zhǔn)確性。(2)運(yùn)用MTS材料試驗(yàn)機(jī)和分離式霍普金森壓桿(SHPB)試驗(yàn)裝置對EH36鋼進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn),獲得了EH36鋼在低應(yīng)變率和高應(yīng)變率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線,發(fā)現(xiàn)EH36鋼為應(yīng)變率敏感性材料,具有明顯的應(yīng)變率硬化效應(yīng)。通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析,基于Cowper-Symonds模型擬合了其粘性參數(shù)和應(yīng)變率硬化參數(shù),建立EH36鋼的本構(gòu)模型。利用有限元軟件ABAQUS對試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬,與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析,驗(yàn)證了本構(gòu)模型的準(zhǔn)確性。(3)以艦船典型位置的加筋板結(jié)構(gòu)為研究對象,采用聲-固耦合法分析了典型加筋板遭受水下沖擊波載荷的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。對比分析了考慮空化效應(yīng)與不考慮空化效應(yīng)兩種情況下加筋板結(jié)構(gòu)的位移、加速度、速度等響應(yīng),分析了水域中沖擊波傳播及水域壓力變化,討論了空化現(xiàn)象以及空化效應(yīng)對加筋板的二次加載作用。結(jié)果表明,二次加載持續(xù)時(shí)間為沖擊波持續(xù)時(shí)間的數(shù)倍,二次加載引起的加速度峰值甚至大于沖擊波引起的加速度峰值;考慮空化效應(yīng)時(shí),速度衰減時(shí)間變得緩慢,增加了載荷對結(jié)構(gòu)的作用時(shí)間,結(jié)構(gòu)的垂向位移明顯增大。(4)選取某艦船典型艙段,建立結(jié)構(gòu)的有限元模型,研究艦船結(jié)構(gòu)在水下爆炸作用下的動(dòng)力響應(yīng)特性。討論了水域中沖擊波的傳播及空化區(qū)域隨時(shí)間的變化情況,對比分析了考慮與不考慮空化效應(yīng)兩種情況下艙段結(jié)構(gòu)典型位置的動(dòng)響應(yīng)。結(jié)果表明,空化區(qū)域潰滅產(chǎn)生的二次加載作用會(huì)對結(jié)構(gòu)響應(yīng)產(chǎn)生較大影響,二次加載作用下結(jié)構(gòu)振動(dòng)更劇烈,載荷作用時(shí)間更長。在考慮空化效應(yīng)的前提下,分別研究了藥包在不同深度、不同舷側(cè)角度爆炸時(shí),艙段結(jié)構(gòu)典型位置的加速度、速度、位移等響應(yīng)量的時(shí)歷曲線,討論了艙段典型位置各響應(yīng)量峰值的變化規(guī)律。
【學(xué)位授予單位】：江蘇科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：U674.7

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本文編號(hào)：2603408