柱形装药气泡动态特性及射流冲击毁伤研究

【摘要】：首先，论文研究的柱形装药是水中兵器常用的装药形式，在近场水下爆炸问题中，球形装药假设不再适用，装药形状和起爆时状态是需要考虑的两个影响因素。其次，水下爆炸是舰船生命力的重要威胁，其载荷来源主要是冲击波和气泡的运动，其中冲击波及其破坏机理是以往的研究中人们关注较多的方面，而气泡运动产生的载荷直到近年来才逐渐引起人们的重视。气泡运动所产生的载荷包括：气泡脉冲载荷、气泡脉动产生的滞后流载荷以及气泡坍塌形成的射流载荷，气泡脉冲和滞后流载荷呈低频特征，对舰船造成总体破坏，危及舰船的总纵强度，而气泡坍塌形成的高速射流可能引起舰船局部结构的剧烈毁伤。目前射流冲击方面的研究开展得较少，特别是缺乏对气泡现象、射流、载荷性质与结构破坏响应全过程的机理认识。 为此，论文以柱形装药水下爆炸气泡为研究对象，以舰船安全性为研究目标，采用实验和数值模拟相结合的方法，主要研究气泡的动态特性和射流冲击载荷引起的船体结构破坏。概括起来，论文的主要研究工作有： （1）从实验、理论和数值模拟三个方面综述了舰船非接触水下爆炸的研究和发展状况。对气泡动力学研究的方法、内容和进展进行了较为全面地总结，指出了爆炸气泡与空化气泡之间存在的重要区别，分析了研究非球形装药水下爆炸气泡的必要性和可行性； （2）对比分析了球对称气泡模型和广义气泡动力模型的特点和局限性。分析表明，初始参数的确定方法制约了广义气泡动力学模型在非球形装药和不同起爆状态情况下的应用； （3）建立了实验室尺度的水下爆炸实验方法，包括实验装置的设计、气泡产生源的选取、测试技术以及影响因素的分析。建立了实验数据处理方法，并论证了论文所采用实验方法的可行性； （4）将多物质ALE有限元模型与边界元模型接合，建立了非球形水下爆炸气泡动力学模型，该模型能够模拟从炸药爆轰到气泡在水中发展运动的跨时间尺度问题，并计及了装药的形状和起爆时状态等因素。通过实验验证了数值模型的有效性和适用性； （5）应用实验和数值模拟方法获得了柱形装药水下爆炸气泡在自由场中整体和局部运动特性的基本现象和规律，并对气泡坍塌形成射流的过程进行了分析，发现气泡运动形成射流的过程与气泡的非球形坍塌有着密切的联系，得到了非球形气泡的坍塌过程与初始气泡表面局部曲率半径有关的坍塌机制； （6）采用非球形水下爆炸气泡动力学模型得到了边界附近气泡的周期、半径或形态演变、迁移和射流等基本性质。发现在实际装药情况下，影响柱形装药水下爆炸气泡射流性质的因素主要包括：起爆时状态、气泡所处深度、边界类型和气泡距边界的距离。其中，起爆时状态主要对射流的形状、影响区大小产生影响；气泡所处深度主要对射流的形状、速度产生影响；边界类型和气泡距边界的距离主要对射流的方向产生影响； （7）采用理论和数值模拟方法研究了射流的载荷特性，并根据射流冲击的性质建立了计算模型，对水下爆炸气泡射流冲击船体典型板架结构的变形和破坏问题进行了计算分析，研究结果表明射流冲击载荷对船体典型结构造成严重的局部破坏。射流冲击船体板架结构时，主要存在两种破坏模式：射流冲击弱构件（外板）时，形成十字花瓣形破口，仅对局部结构的完整性造成较大影响。射流冲击强构件（加强筋、肋板、纵桁等）时，形成对称的六边形破口，在造成局部板格破坏的同时，还将对船体梁的总体强度产生严重影响。