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内爆准静态压力载荷对舱壁结构的毁伤效应研究

李旭东  
【摘要】:由于半穿甲反舰导弹爆炸当量大且能够穿舱内爆,对水面舰船的打击是致命的,会造成舰船内部大范围的破坏。半穿甲反舰导弹的主要毁伤元包括:冲击波、破片、准静态压力。半穿甲反舰导弹对舰船造成严重的毁伤效果主要是爆炸冲击波和准静态压力耦合作用的结果,冲击波的特点是峰值高、持续时间短,主要造成爆炸当舱舱壁的破坏;由于爆炸产物的后燃烧效应放热,导致舱内气体压力升高,形成高温高压的准静态压力,虽然其峰值低,但是持续时间长,累积冲量大,会造成邻舱舱壁的破坏,扩大了毁伤范围。可见准静态压力是造成舰船大范围破坏的重要载荷。为了研究内爆准静态压力对舱壁的毁伤效应,本文采用理论分析、模型试验和仿真计算的方法,从内爆准静态压力载荷特性及其对舱壁结构的毁伤效应两方面开展研究。研究内爆准静态压力载荷对舱壁结构的毁伤效应有助于精确评估半穿甲反舰导弹对舰船的毁伤效能。(1)基于对舱室内爆载荷特性的研究目的,针对内爆角隅冲击波汇聚效应,采用仿真计算和理论分析的方法,研究了不同长宽比舱室结构角隅冲击波汇聚机理,拟合了冲击波角隅汇聚导致的高压区域范围与长宽比的函数关系,可实现角隅汇聚高压区域范围计算。针对内爆准静态压力,采用NMQ法,考虑了炸药爆轰产物的影响,结合理想气体状态方程和BKW状态方程,得到了准静态峰值理论计算公式,并通过6次单舱室内爆准静态压力测量试验,验证了理论公式的准确性。提出的理论公式可在工程应用中计算准静态压力峰值。(2)为了研究邻舱准静态压力载荷特性,采用两个舱室之间夹持带孔隔板的方式,构建了邻舱环境,带孔隔板的开孔面积分别占隔板面积的3%、5%、10%、15%、20%。通过开展带邻舱的内爆试验,测量了邻舱的准静态压力,并针对试验工况进行了有限元仿真计算,与试验结果吻合较好。在以上研究基础上,掌握了爆炸当舱舱壁出现破口后,邻舱压力载荷特性。并推导了邻舱准静态压力上升时间理论计算方法,可实现内爆下邻舱准静态压力上升时间的预测。(3)为了评估舱壁结构抗内爆准静态压力性能,根据以上对内爆准静态压力特性研究结果,提出了准静态压力简化模型,基于该简化模型设计了以高压气体驱动的评估舱壁结构抗内爆准静态压力性能的试验装置。详细研究了试验装置使用过程中涉及到的两个关键技术:破膜技术和泄压时间预测。开展了爆炸破膜试验研究,并理论分析了泄压时间。设计的准静态压力发生装置可用于评估舱壁结构抗内爆准静态压力性能。(4)基于对舱壁结构在内爆准静态压力载荷作用下动态响应过程的研究目的,首先采用设计的准静态压力发生装置,依托AUTODYN 3D有限元仿真软件,建立了仿真模型,对准静态压力加载下舱壁结构的变形过程开展了研究。其次开展了真实舱内爆炸模型试验,通过改变爆距研究了内爆条件下爆距对舱壁变形挠度的影响规律,研究表明爆距增大,挠度反而增大,通过仿真计算给出了解释。基于试验得到了舱壁变形模态,采用模态近似法,建立了准静态压力加载下舱壁变形挠度的理论计算方法,并开展了可靠性验性。最后采用仿真计算的方式,以舱壁变形挠度作为毁伤程度指标,研究了准静态压力上升时间和准静态压力峰值对舱壁变形挠度的影响规律。(5)为了研究舱壁结构在准静态压力载荷加载下的破坏模式,开展不同爆炸当量带邻舱的内爆试验,得到邻舱舱壁的破坏模式。通过仿真计算分析了不同破坏模式下舱壁的破坏过程。最后基于量纲分析法,考虑了准静态压力上升时间和压力峰值的影响,得到了描述舱壁失效模式的无量纲损伤数,基于大量的仿真结果绘制了舱壁失效模式随损伤数的变化关系图谱,在给定准静态压力上升时间和压力峰值时,可实现舱壁结构失效模式的快速预测。


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