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水下爆炸冲击载荷的SPH算法研究

陈娟  
【摘要】: 本文以舰船近场水下爆炸为研究背景,对近场和近边界水下爆炸问题进行了研究分析。近场和近边界水下爆炸问题涉及流场或结构的极大变形、运动物质交界面、冲击波与边界的相互作用和自由表面等特性,应用传统的基于网格的数值方法对此类问题进行模拟研究可能会由于网格发生严重的畸变而导致计算崩溃。而光滑粒子流体动力学(SPH)法是一种自适应、无网格、粒子形式,且具有拉格朗日性质的数值模拟方法,它避免了网格畸变等问题,适宜处理大变形和冲击荷载问题,为水下爆炸的模拟研究奠定了可靠的基础。 为此,本文在对SPH方法和水下爆炸的基本理论进行深入研究的基础上,应用SPH方法建立了二维水下爆炸数值模型,并编制了相应的SPH程序组,计算了水下爆炸冲击波载荷强度,求解结果达到了较高精度,验证了SPH方法对水下爆炸过程模拟计算的准确性,并研究了不同参数的变化对水下爆炸冲击载荷的影响。其次,对近边界水下爆炸问题进行了研究分析,包括对沉底水雷爆炸的数值仿真、复杂边界条件下的气泡脉动特性和近自由面水冢现象模拟,使水下爆炸冲击波在界面处的反射、透射现象得到了正确的再现,为研究水下爆炸冲击波与边界的相互作用机理提供了有价值的参考。最后,对传统SPH方法进行了改进,形成了CSPH和GSPH方法,并将其应用到激波管问题和炸药爆轰问题的研究中,通过对三种方法的计算结果的分析比较,表明修正的SPH方法同样适合于对冲击波问题的求解,且精度得到了提高,数值震荡有所减小。 本文将SPH方法成功地用于水下爆炸过程的模拟研究中,揭示了水中冲击波的传播规律和冲击波与界面的相互作用机理,旨在为水下爆炸问题提供一种新型的数值研究方法和准确的冲击波载荷模型,并为舰船结构抗爆抗冲击防护设计提供理论依据。


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