水下爆炸对舰船结构毁伤机理与规律研究

随着精确制导武器的快速发展，如鱼雷等武器可贴近船体表面接触爆炸，对船体结构造成严重毁伤。但迄今为止，有关接触爆炸产生的瞬态、强冲击载荷作用下舰船结构的毁伤模式研究甚少，近边界爆轰、冲击波以及气泡与舰船结构瞬态耦合机理的相关研究十分罕见，而这些机理性问题恰恰直接关系到我国海军重点型号的研制。另一方面，由于现役舰船广泛使用高强度合金材料，采用多层壳体以及防护装甲设计，使舰船结构的抗打击性能得到了极大提高。因此，为应对这一发展趋势，提出水下非接触爆炸气泡毁伤新理念，对舰船结构总纵强度和局部强度造成一次性毁灭打击具有重要意义。针对上述问题，本项目为揭示接触爆炸对舰船结构的毁伤机理，提出水下非接触爆炸气泡毁伤新理念，重点研究以下内容：1）近边界水下爆炸及其载荷特性特；2）水下接触爆炸对舰船结构的毁伤机理；3）水下非接触爆炸瞬态流固耦合毁伤效应；4）水下非接触爆炸气泡对舰船结构的毁伤规律。

水下爆炸对舰船结构造成极为严重的毁伤，是国防领域、船舶与海洋工程领域的重点研究方向，过去研究人员在该领域取得了丰硕的研究成果，但由于水下爆炸的复杂性，其中仍有许多本质问题有待深入研究。特别是近年来，随着精确制导武器的快速发展，鱼雷、水雷等武器可贴近船体接触爆炸，这使得水下爆炸对结构的毁伤研究变得更为复杂，其中的力学问题更为深奥，传统的、单一的方法难以解决该问题，这就需要开发新的方法，对水下爆炸对结构的毁伤机理与规律进行研究，这也是本项目立项的依据。为此，本项目基于流体动力学理论、结构冲击动力学理论、流固耦合理论，从水下爆炸载荷特性以及爆炸载荷对结构的毁伤等方面，对水下爆炸及其对结构的毁伤进行了系统的研究，主要的研究方法与成果如下。.本项目首先依据可压缩流体动力学理论，建立了近边界爆炸爆轰、冲击波传播以及气泡运动模型，探究了近边界水下爆炸的载荷特性，为水下爆炸对结构毁伤提供输入。在此基础上，基于波动理论，构建了接触爆炸物面条件，研究了冲击波、气泡载荷耦合作用下的船体简单板架以及复杂双层结构的毁伤特性，并采用无网格SPH方法探讨了水下接触爆炸高速破片载荷的破坏机理。通过分析不同结构在接触爆炸载荷作用下的冲击响应、变形毁伤及动态响应，为船体结构抗冲击优化设计机理提供了基础性技术支撑。.其次，计入水面截断，海底反射以及片空化等强非线性效应，分别利用光滑粒子法（SPH）、边界元法（BEM）及其双渐近法（DAA）、有限元法（FEM）、谱单元法（SEM）以及这些方法间的耦合算法，建立了水下爆炸对结构的毁伤数值模型，探究了水下爆炸对结构的毁伤机理，形成了适用于舰船水下爆炸流固耦合分析的工程化计算方法。再次，基于热力学第一、二定律，建立计及热量交换的水下爆炸气泡运动方程，利用气泡运动规律，突破了气泡“人造波浪”一次性摧毁舰船结构总纵强度以及“气泡锤”对舰船局部结构损毁等关键问题，深入研究了装药形状及复杂边界对气泡载荷的影响规律。最后，依据上述理论与数值模拟结果，进行了水下爆炸对结构毁伤的机理实验与模型实验，验证了本项目提出的理论与数值计算方法的正确性，并与理论分析相结合，给出了水下爆炸冲击波与气泡对舰船结构的毁伤规律，初步提出了水下爆炸对舰船结构毁伤新理念，为舰船结构抗爆抗冲击防护设计提供了理论依据，同时为研制水中高效毁伤兵器提供参考。