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水下结构受爆炸冲击的响应分析是一个长期受到重视的问题,在国防科技中占有极其重要的地位。通过分析水下结构,如舰船、潜艇等受水下爆炸冲击的应力时间历程,可以预测该结构的抗冲击能力,也可用于优化结构以提高其可靠性和生命力。近些年来,已经有各种各样的理论应用于这一领域,但是,由于小型目标对冲击波的散射比较严重,这会对目标所受冲击载荷产生重要影响,使小型水下结构受爆炸冲击的响应分析比较复杂,至今未看到报道相关研究的文献。有必要对此类问题进行研究,因为某些水下设备可以看作悬浮在小型目标。
本文以某水下设备为应用背景,研究分析小型水下目标的抗爆性能的方法。要保证此设备受冲击后能正常工作,首先必须保证内部装置能继续工作,由于内部装置所能承受的冲击加速度有限,必须设计减振装置进行减振。因此,研究工作首先需要分析设备的冲击加速度环境,为减振装置的设计提供依据;其次,还要保证该设备外壳能够承受爆炸冲击而不被破坏。因此,还需要研究外壳受爆炸冲击后的应力时间历程,为外壳的结构设计提供必要的依据。
本文提出了一种冲击加速度及结构表面平均接收压力的近似计算方法,并采用该近似计算方法分析了此水下设备所承受的冲击加速度环境及应力时间历程。在数值计算的基础上,提出了此设备的结构的优化意见。本文主要工作如下:
第一章介绍了水中结构受水下爆炸冲击后的响应分析有关理论背景,并评价了各种理论的特点、应用范围及局限性。
第二章简单介绍了爆炸冲击波理论。
第三章是本文的核心内容,基于圆柱形结构散射场理论的载荷分析,提出了一种近似算法,并采用该方法分析了受爆炸冲击后小型水下设备的冲击加速度及表面平均接收压力。文中分析了该水下设备所受冲击载荷的特点,并分析了结构表面弹性变形对冲击载荷的影响。理论分析与数值计算表明,结构表面弹性变形对冲击加速度的影响较大,即在其它条件不变的情况下,当壁厚越小,表面弹性变形越大,则设备的冲击加速度越小。相反,结构表面弹性变形对表面平均接收压力的影响却不大,即改变外壳壁厚,设备表面平均接收压力变化并不显著。在分析结果的基础上,对该设备的减振装置提出了改进意见。
第四章应用有限元软件的瞬态分析功能、物理非线性和几何非线性功能分析了该设备的应力时间历程,发现了最初设计的设备在典型工况下工作时,无法承受爆炸的冲击,故对该设备的设计提出改进意见,进行优化。对改进设备重新进行应力时间历程分析,分析的结果表明,改进设备的抗冲击性能大大提高,能承受额定工况下的爆炸冲击。
第五章探讨了近水面扫雷具受水下爆炸冲击波作用后的响应分析,发现当采用线性声学分析此类处于有限介质空间的目标,会出现流体与目标表面脱离的现象,散射场分析的连续性条件已不成立,此时误差很大,需要采用非线性声学分析。
本文根据某型水下设备的结构特征,将其简化为圆柱状小型水下目标,采用耦合模态法分析了该设备的抗爆性能,并对该设备的结构设计提出了修改意见。在分析过程中,根据该小型水下设备抗爆炸冲击分析的特点,提出了一种冲击加速度及结构表面接收压力的近似计算方法,分析了扫雷具的冲击加速度环境,并求得了扫雷具表面平均接收压力,从而应用了普通有限元软件分析扫雷具受到爆炸冲击波作用后的应力时间历程,而没有采用专用的流固耦合分析软件,而且在分析该设备应力时间历程的过程中还考虑了塑性变形的影响。