三体船水下爆炸载荷传递及冲击环境特征分析

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三体船作为一种新兴高性能船型,自诞生之日起就成为了各国海军船型发展的一个主要方向。得益于特殊的船体结构,三体船具有总体布置性好、可探测程度低、生存性强、高速适航性好等优点。目前针对三体船的研究内容主要集中在水动力与结构设计等方向,对该船型在水下爆炸载荷下冲击环境的分布特性却较少涉及。为评估三体船这类新船型在战场条件下的生命力,推动该类船型进一步向军用化、实战化迈进,对其冲击环境分布特征的研究将不可缺少。基于上述背景,本文使用声固耦合数值方法,针对三体船冲击环境分布特征展开研究,着重对比了三体船较常规船型在爆炸载荷传递、冲击环境分布以及舰载设备对舰船冲击环境的影响这三方面的差异性,从船体结构角度对造成差异的原因进行了一定的探究,并探讨了冲击环境不同参数对舰载设备抗冲击考核响应的影响。旨在为今后三体船及其舰载设备的抗冲击设计提供一定的参考,全文具体内容如下:首先,介绍了水下爆炸过程、相关载荷的计算方法以及三体船的特征情况。针对本文所要研究的水下爆炸载荷在水中结构传递以及爆炸载荷下结构动响应问题,分别建立有限元模型以验证其有效性。其次,为探究水下爆炸载荷沿船体特征方向的传递特性,基于应力波传递规律建立了船体多层板架等效结构,并分析爆炸载荷参数与结构参数对应力波在等效结构中传递特性的影响。为验证相关推论,建立了单体船与三体船在水下爆炸工况下的数值模型,通过对两船型典型剖面处各位置冲击响应进行经验模态分解,分析了两船型在爆炸载荷施加、传递路径以及分布特征上的差异性,认为三体船主结构较为细长、存在片体与连接桥结构是造成差异的主要原因。接下来分析了冲击环境计算中载荷种类、计算时长、结构阻尼以及响应信号截断频率这四类参数对计算结果的影响。在确定计算参数后,计算了单体船与三体船在非接触爆炸下不同攻角、冲击因子、爆炸位置等工况下冲击环境沿船体特征方向分布规律的差异性,结合典型位置处的经验模态分解结果,分析了载荷分布与冲击环境分布之间的关系。结合冲击环境分布规律与典型剖面应力云图,发现冲击环境恶劣区域与应力集中区分布一致,确定了三体船结构抗冲击的薄弱区域。最后,研究了基于舰船冲击环境的设备抗冲击考核问题,从舰载设备引起的谱跌现象、使用不同考核方法时计算结果的差异性以及输入载荷修正三个方面进行研究。通过将简化设备模型安装于三体船典型位置处,分析了不同设备参数对谱跌现象的影响程度;在确定影响程度后以某刚性安装的典型舰载设备为例,分析了舰船-设备耦合考核法与基于舰船冲击环境的非一体考核法在考核结果上的差异性及其原因。为修正考核结果差异性,分析了冲击环境中各参数对考核结果的影响程度,并给出了一组针对刚性安装设备考核时输入载荷的修正系数,并对该修正系数在中远场爆炸条件下的适用性进行了验证。
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