魚(yú)雷由水面或空中發(fā)射平臺(tái)發(fā)射并安全入水后,相比于遠(yuǎn)場(chǎng)水下爆炸,魚(yú)雷近場(chǎng)水下爆炸載荷特性及其對(duì)結(jié)構(gòu)的毀傷特性更為復(fù)雜。魚(yú)雷近場(chǎng)水下爆炸主要通過(guò)水下爆炸沖擊波載荷、爆炸彈片載荷及氣泡射流載荷共同作用于艦船結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn),結(jié)構(gòu)往往產(chǎn)生大變形、大破口等非線(xiàn)性破壞。當(dāng)水下爆炸氣泡與已產(chǎn)生破口的結(jié)構(gòu)相互作用時(shí),氣泡的動(dòng)態(tài)特性及其引起的射流特性較完整結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大差異。鑒于魚(yú)雷入水過(guò)程全非線(xiàn)性、近場(chǎng)水下爆炸載荷的復(fù)雜性及其對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)破壞性,開(kāi)展魚(yú)雷入水及其近場(chǎng)水下爆炸流固耦合研究對(duì)提高艦船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及抗打擊能力具有重要的意義�；谏鲜鰡�(wèn)題,本文從魚(yú)雷入水沖擊水動(dòng)力特性及近場(chǎng)水下爆炸三類(lèi)載荷(沖擊波、彈片、射流載荷)基本特性研究入手,同時(shí)開(kāi)展不完整邊界條件下氣泡射流特性試驗(yàn)研究,對(duì)魚(yú)雷近場(chǎng)水下爆炸載荷作用下艦船毀傷模式及艦船設(shè)備一體化抗沖擊進(jìn)行研究。本文首先從魚(yú)雷武器特點(diǎn)、水下爆炸基本現(xiàn)象及分類(lèi)入手,對(duì)魚(yú)雷頭部入水及其近場(chǎng)水下爆炸對(duì)艦船毀傷特性的流固耦合基本現(xiàn)象進(jìn)行闡述,并從理論、數(shù)值及試驗(yàn)三方面回顧國(guó)內(nèi)外入水沖擊水動(dòng)力、近場(chǎng)水下爆炸載荷、水下爆炸氣泡與復(fù)雜邊界耦合特性、近場(chǎng)水下爆炸對(duì)艦船結(jié)構(gòu)毀傷及艦船設(shè)備抗沖擊一體化四方面的研究歷史及現(xiàn)狀,總結(jié)上述理論、試驗(yàn)及數(shù)值等研究工作中的不足,為本文后續(xù)的工作奠定了研究基礎(chǔ)�；赟PH方法及耦合的歐拉-拉格朗日方法,建立本文魚(yú)雷近場(chǎng)水下爆炸載荷及其對(duì)結(jié)構(gòu)毀傷特性數(shù)值模擬方法。針對(duì)于魚(yú)雷入水沖擊問(wèn)題,基于勢(shì)流理論和邊界元法,引入拓展坐標(biāo)系技術(shù)和輔助函數(shù)方法,建立了魚(yú)雷入水過(guò)程的全非線(xiàn)性數(shù)值模擬方法,研究了魚(yú)雷垂直入水時(shí)和斜向入水時(shí)自由液面變化及魚(yú)雷頭部表面壓力分布特性。針對(duì)于水下爆炸沖擊波載荷及其對(duì)結(jié)構(gòu)的毀傷問(wèn)題,基于SPH方法建立了魚(yú)雷接觸爆炸載荷對(duì)艦船舷側(cè)液艙毀傷數(shù)值模型,首先研究了水下自由場(chǎng)、沉底爆炸沖擊波分布特性,分析了壁面、海底對(duì)沖擊波反射及截?cái)嘈?yīng);在此基礎(chǔ)上,研究了水下爆炸沖擊波的產(chǎn)生及其在結(jié)構(gòu)中的傳播規(guī)律,給出了液艙寬度、外板厚度設(shè)計(jì)的參考依據(jù),總結(jié)了魚(yú)雷遠(yuǎn)場(chǎng)、近場(chǎng)及接觸爆炸工況下沖擊波對(duì)液艙結(jié)構(gòu)的毀傷規(guī)律。針對(duì)高速爆炸彈片與射流載荷對(duì)艦船結(jié)構(gòu)的毀傷與防護(hù)問(wèn)題,基于SPH方法分別建立了魚(yú)雷爆炸高速?gòu)椘媾c傾斜碰撞艦船舷側(cè)液艙的數(shù)值模型及高速射流對(duì)艦船舷側(cè)液艙的沖擊毀傷計(jì)算模型,首先研究了不同液艙寬度、不同外板厚度、有無(wú)液艙外板和不同彈片入射角度對(duì)彈片速度和沖擊波壓力的衰減規(guī)律,給出了液艙寬度和外板厚度的設(shè)計(jì)參考依據(jù)。分析了射流沖擊波產(chǎn)生及傳播規(guī)律,得到了不同射流形狀及速度對(duì)液艙結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。針對(duì)復(fù)雜邊界條件下水下爆炸氣泡脈動(dòng)特性及射流特性問(wèn)題,采用低壓電火花式氣泡發(fā)生試驗(yàn)裝置,結(jié)合高速攝影拍攝技術(shù),對(duì)自由液面及復(fù)雜邊界破口附近水下爆炸氣泡動(dòng)態(tài)特性開(kāi)展了試驗(yàn)研究。首先研究了近自由液面下單層壁面破口附近水下爆炸氣泡特性,得到了不同破口尺寸、不同爆距、不同爆炸角度及距自由液面不同深度對(duì)氣泡脈動(dòng)周期、射流速度及自由液面變化的影響規(guī)律,探索了近場(chǎng)水下爆炸氣泡與自由液面、破口結(jié)構(gòu)三者之間的耦合效應(yīng)。在此基礎(chǔ)上,為模擬艦船舷側(cè)不同艙室在受到魚(yú)雷攻擊后艙室流場(chǎng)狀態(tài),選取滿(mǎn)艙、半艙及空艙三種典型工況,研究了不同流場(chǎng)狀態(tài)下帶有破口的雙層壁面附近水下爆炸氣泡運(yùn)動(dòng)特性,得到了雙層壁面和單層壁面破口附近氣泡脈動(dòng)特性差異規(guī)律及不同液艙狀態(tài)下射流變化規(guī)律。針對(duì)魚(yú)雷近場(chǎng)水下爆炸對(duì)大型艦船多層結(jié)構(gòu)毀傷特性問(wèn)題,基于水錘理論得到氣泡射流載荷,采用GeersHunter半經(jīng)驗(yàn)半解析模型得到?jīng)_擊波載荷,將沖擊波和氣泡射流的總載荷加載到近場(chǎng)結(jié)構(gòu)上,對(duì)不同爆距下大型艦船局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度校核,分析了不同板架的破壞模式,得到了魚(yú)雷近場(chǎng)水下爆炸對(duì)目標(biāo)艦船的毀傷特性,得到了設(shè)備及人員沖擊環(huán)境安全區(qū)域,最后給出了艦船設(shè)備一體化抗沖擊分析結(jié)果。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類(lèi)】：U674.70
【部分圖文】：

魚(yú)雷是一種可以自動(dòng)推進(jìn)，按照預(yù)定的航向和深度進(jìn)行航行，或自動(dòng)導(dǎo)向所攻擊目標(biāo)，當(dāng)命中目標(biāo)或距離目標(biāo)較近時(shí)能自動(dòng)爆炸，用以攻擊目標(biāo)水下部位的一種水中兵器。魚(yú)雷通常由水面艦艇或水下潛艇攜帶，用以攻擊敵方水面戰(zhàn)斗艦艇和潛艇，也可由飛機(jī)或火箭攜帶，用于反潛或反艦作戰(zhàn)，還可以用于攻擊敵方港口和海岸重要的的水下設(shè)施，是各國(guó)海軍現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)及未來(lái)海洋作戰(zhàn)中不可代替的主戰(zhàn)攻擊武器，如圖 1.1 所示。相對(duì)于水雷、導(dǎo)彈等其他海軍武器，魚(yú)雷武器具有如下特點(diǎn)：（1）自主攻擊性強(qiáng)，特別是自導(dǎo)魚(yú)雷，一旦捕獲到攻擊目標(biāo)，能自動(dòng)追擊目標(biāo)；（2）隱蔽性好，無(wú)論是何種發(fā)射平臺(tái)，魚(yú)雷絕大部分是在水下航行的水中兵器，可實(shí)施隱蔽打擊；（3）破壞威力大，在同樣當(dāng)量炸藥的情況下，水下爆炸時(shí)比空中爆炸威力要大得多。魚(yú)雷戰(zhàn)斗部裝藥量一般為200～500kg，打擊艦艇的水下防護(hù)較為薄弱的部位和關(guān)鍵要害部位，易造成艦艇的沉沒(méi)，如圖 1.2 所示。特別在現(xiàn)代魚(yú)雷采用自導(dǎo)、非觸發(fā)引信后，其命中目標(biāo)概率得到大大提高。（4）使用范圍廣，魚(yú)雷可以用于反潛、攻擊水面艦艇及航母、破壞海洋運(yùn)輸線(xiàn)、攻擊重要水下設(shè)施。對(duì)于由水面艦艇、直升飛機(jī)、固定翼飛機(jī)及火箭助飛作為發(fā)射載體的魚(yú)雷，從發(fā)射到攻擊到目標(biāo)過(guò)程中，涉及魚(yú)雷入水和近場(chǎng)水下爆炸兩個(gè)強(qiáng)非線(xiàn)性流固耦合問(wèn)題，本文以此作為研究?jī)?nèi)容，重點(diǎn)關(guān)注魚(yú)雷的水下爆炸載荷及其對(duì)艦船的毀傷效果。

魚(yú)雷是一種可以自動(dòng)推進(jìn)，按照預(yù)定的航向和深度進(jìn)行航行，或自動(dòng)導(dǎo)向所攻擊目標(biāo)，當(dāng)命中目標(biāo)或距離目標(biāo)較近時(shí)能自動(dòng)爆炸，用以攻擊目標(biāo)水下部位的一種水中兵器。魚(yú)雷通常由水面艦艇或水下潛艇攜帶，用以攻擊敵方水面戰(zhàn)斗艦艇和潛艇，也可由飛機(jī)或火箭攜帶，用于反潛或反艦作戰(zhàn)，還可以用于攻擊敵方港口和海岸重要的的水下設(shè)施，是各國(guó)海軍現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)及未來(lái)海洋作戰(zhàn)中不可代替的主戰(zhàn)攻擊武器，如圖 1.1 所示。相對(duì)于水雷、導(dǎo)彈等其他海軍武器，魚(yú)雷武器具有如下特點(diǎn)：（1）自主攻擊性強(qiáng)，特別是自導(dǎo)魚(yú)雷，一旦捕獲到攻擊目標(biāo)，能自動(dòng)追擊目標(biāo)；（2）隱蔽性好，無(wú)論是何種發(fā)射平臺(tái)，魚(yú)雷絕大部分是在水下航行的水中兵器，可實(shí)施隱蔽打擊；（3）破壞威力大，在同樣當(dāng)量炸藥的情況下，水下爆炸時(shí)比空中爆炸威力要大得多。魚(yú)雷戰(zhàn)斗部裝藥量一般為200～500kg，打擊艦艇的水下防護(hù)較為薄弱的部位和關(guān)鍵要害部位，易造成艦艇的沉沒(méi)，如圖 1.2 所示。特別在現(xiàn)代魚(yú)雷采用自導(dǎo)、非觸發(fā)引信后，其命中目標(biāo)概率得到大大提高。（4）使用范圍廣，魚(yú)雷可以用于反潛、攻擊水面艦艇及航母、破壞海洋運(yùn)輸線(xiàn)、攻擊重要水下設(shè)施。對(duì)于由水面艦艇、直升飛機(jī)、固定翼飛機(jī)及火箭助飛作為發(fā)射載體的魚(yú)雷，從發(fā)射到攻擊到目標(biāo)過(guò)程中，涉及魚(yú)雷入水和近場(chǎng)水下爆炸兩個(gè)強(qiáng)非線(xiàn)性流固耦合問(wèn)題，本文以此作為研究?jī)?nèi)容，重點(diǎn)關(guān)注魚(yú)雷的水下爆炸載荷及其對(duì)艦船的毀傷效果。

導(dǎo)引和控制下準(zhǔn)確的命中預(yù)設(shè)目標(biāo)。魚(yú)雷戰(zhàn)斗部?jī)?nèi)裝有高能炸藥，以水下爆炸沖擊波、爆轟產(chǎn)物、氣泡射流等為主要的毀傷元素。魚(yú)雷戰(zhàn)斗部炸藥引爆方式通�？煞譃閮煞N：（1）撞擊爆炸，即發(fā)生水下接觸爆炸，魚(yú)雷在其戰(zhàn)斗部?jī)?nèi)裝有觸發(fā)引信，當(dāng)魚(yú)雷撞擊艦船時(shí)會(huì)產(chǎn)生的巨大動(dòng)能而觸發(fā)引信發(fā)生爆炸；（2）抵近目標(biāo)后自動(dòng)爆炸，即發(fā)生水下近場(chǎng)爆炸，現(xiàn)代先進(jìn)魚(yú)雷多采用自導(dǎo)、非觸發(fā)引信，當(dāng)魚(yú)雷從艦底穿行或艦舷一側(cè)通行時(shí)，魚(yú)雷引爆裝置內(nèi)部接收器感應(yīng)的物理場(chǎng)不同，隨即輸出引爆信號(hào)，引爆魚(yú)雷。魚(yú)雷戰(zhàn)斗部發(fā)生水下爆炸后，產(chǎn)生高速的爆炸彈片及高達(dá)數(shù) Gpa 沖擊波，沖擊波向四周傳播并不斷衰減；隨后形成的爆炸氣泡先膨脹到最大后回縮，并不斷脈動(dòng)上浮直至完全塌陷，同時(shí)產(chǎn)生氣泡脈動(dòng)載荷及射流載荷。當(dāng)魚(yú)雷水下爆炸沖擊波到達(dá)艦船結(jié)構(gòu)表面時(shí)會(huì)發(fā)生明顯的反射、折射及繞射現(xiàn)象，艦船結(jié)構(gòu)在魚(yú)雷水下爆炸產(chǎn)生的彈片載荷、沖擊波載荷和氣泡脈動(dòng)載荷及射流載荷的作用下會(huì)產(chǎn)生剛性位移、彈性變形或塑性破壞。水下爆炸的力學(xué)效應(yīng)可用來(lái)破壞水面戰(zhàn)斗艦艇及水下潛艇等，對(duì)艦艇生命力構(gòu)成嚴(yán)重的威脅，受到各海軍強(qiáng)國(guó)的重視，圖 1.3 和 1.4 給出典型的水下近場(chǎng)爆炸和水面艦船遭遇水下爆炸破壞現(xiàn)象。
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本文編號(hào)：2871096