考虑船体结构的水中爆炸流固耦合研究

This application is proposed for Subject F3, Study of Fluid-Structure Interaction in Underwater Explosions with Hull Structures, of “Key Project” of the NSAF Joint Fund. The damage of modern underwater weapons on warships and submarines is caused mainly by the strong shock wave load in near-field explosions. To the present, studies have been rarely conducted on the attenuation characteristics in the propagation of near-field strong shock wave load and the mechanism of fluid-structure interactions between the load and structures of ships and submarines. The project intends to establish an analysis method of structure characteristics of ships and submarines and calculation procedures for underwater explosion load distribution considering boundary conditions through investigations into the propagation attenuation of shock wave load in underwater explosions and studies on typical ship structures. On this basis, calculation methods are to be established for the propagation of stress waves in the interactions of near-field underwater explosion shock wave and typical ship and submarine structures; coupling models are to be proposed for underwater explosion energy and structures of ships and submarines.

本申请针对NSAF联合基金“重点支持项目”的课题F3考虑船体结构的水中爆炸流固耦合研究提出。现代水中兵器对潜艇、舰船的毁伤主要通过近场爆炸产生的强冲击波载荷作用。而目前对近场强载荷传播衰减特性以及强载荷与潜艇、舰船结构的流固耦合作用机理研究较少。本项目拟通过对炸药水中爆炸近场冲击波载荷传播衰减规律研究和国内外典型舰船结构特性研究，建立典型潜艇、船体结构特征的分析方法和考虑边界条件的水中爆炸载荷分布计算方法。在此基础上，建立水中爆炸近冲击波与典型潜艇、舰船结构相互作用产生的应力波耦合规律，水中爆炸能量与潜艇、舰船结构的耦合模型和计算方法。

针对现代水中兵器对潜艇、舰船的毁伤主要通过近场爆炸产生的强冲击波载荷作用的应用需求，面对目前国内外对炸药水中爆炸近场强载荷传播衰减特性以及强载荷与潜艇、舰船结构的流固耦合作用机理研究较少的问题。本项目对典型舰船结构进行了系统分析，提出了典型舰船和典型潜艇的特征提取方法。利用激光干涉测试技术和同时超高速分幅扫描相机开展了炸药水中爆炸近场冲击波压力的测量，获得了近场冲击波压力数据，建立了近场冲击波压力模型和压力衰减模型。建立了超近边界水中爆炸气泡射流边界元模型与计算方法，揭示了近场水中爆炸对舰船结构局部毁伤的水射流聚能机制，解决了超近边界气泡射流载荷计算难题。引入结构加速度势隐式边界条件，建立了水中爆炸气泡与结构全耦合流固耦合数值模型，并开发了全耦合流固耦合计算方法。掌握了水中爆炸气泡脉动和射流载荷作用下水中结构流固耦合冲击响应规律，揭示了近场水中爆炸与典型船体结构能量耦合机理。通过小模型试验，研究了近场爆炸对典型板架结构的毁伤作用机制。采用耦合的欧拉-拉格朗日方法，开展了近壁面水中爆炸全过程数值模拟研究，揭示了近场水中爆炸与典型船体结构相互作用机理。本项目建立的水中爆炸能量与舰船结构的耦合计算方法，可以应用于舰船抗爆抗冲击设计。