侵彻载荷作用下舰船舱壁结构动态响应研究(附件)【字数：17567】
摘 要摘 要一直以来，中国与邻国的领海争端不断，钓鱼岛、南沙群岛等问题牵动着国民的神经。南沙群岛海域蕴含这丰富的矿物资源，其中油气资源尤其丰裕有“第二个波斯湾”之称并且渔业资源异常丰饶，具有极高的经济价值。随着陆地资源的消耗，南海等海域的战略意义愈发重要。舰船是海上攻击、防御以及运载、生活的主要平台，其建造成本高昂，需要众多技术支持，是船上人员生活、安全的保障。因此，对于侵彻载荷作用下舰船舱壁结构动态响应的研究有着重要意义。本文在分析、运用侵彻靶板理论的基础上利用瞬态动力学有限元分析软件MSC/DYTRAN进行数值模拟。先简单介绍侵彻靶板理论以及有限元技术发展，再对舱壁和破片进行网格划分建立模型，以不同的侵彻位置来确定多种计算工况，研究不同工况之下舱壁的动态响应、破坏特点和吸能特性以及破片侵彻舱壁后的剩余速度和剩余动能，然后从中选出最为危险的工况，再以侵彻速度不同来确定计算工况，比较分析计算结果并得出结论。关键词 有限元；破片；侵彻
目 录
第1章 绪论 1
1.1课题研究背景和意义 1
1.2侵彻国内外研究现状 2
1.2.1实验研究 2
1.2.2理论研究 3
1.2.3数值仿真研究 4
1.3本文研究内容 5
第2章 侵彻理论及数值模拟方法研究 6
2.1引言 6
2.2侵彻类型 6
2.3靶板分类 9
2.4靶板破坏形式 10
2.5弹体破坏形式 11
2.6有限元的发展历程 12
2.6.1 MSC/DYTRAN的由来 12
2.6.2显式时间积分法 13
第3章 破片侵彻舱壁的有限元分析研究 15
3.1引言 15
3.2破片和舱壁有限元模型 15
3.2.1本构模型的选取 15
3.2.2破片有限元模型 16
3.2.3舱壁有限元模型 18
3.3材料参数 19
3.4接触定义 19
3.5边界条件定义 19
3.6计算工况确定 20
3.7输出文件生成 21< *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
br /> 3.8本章小结 22
第4章 侵彻载荷作用下舰船舱壁结构动态响应研究 23
4.1引言 23
4.2计算结果分析 23
4.2.1舱壁结构破坏模式 23
4.2.2不同侵彻点处舱壁结构和破片动态响应分析 23
4.2.3不同初速度下舱壁结构和破片动态响应分析 31
4.3本章小结 36
结论 37
致谢 39
参考文献 40
第1章 绪论
1.1课题研究背景和意义
一直以来，中国与领国的领海争端不断，钓鱼岛、南沙群岛等问题牵动着国民的神经。南沙群岛海域蕴含这丰富的矿物资源，其中油气资源尤其丰裕有“第二个波斯湾”之称并且渔业资源异常丰饶，具有极高的经济价值。随着陆地资源的消耗，南海等海域的战略意义愈发重要。为了保卫我国海洋领土的独立、完整，开发、利用领海富饶的物产资源，我们必须要有强大的海军作为后盾。在现代海战中，舰船是海上攻击、防御以及运载、生活的主要平台，其建造成本高昂，需要众多技术支持，是船上人员生活、安全的保障。
舰船一般是由舰上设备、舰体结构、水下舱段以及探测、通信、动力和导航等系统组成，其中水下舱段又包括油水舱、武器弹药舱等主要舱室。因此，水下舱室的安全显得尤为重要，是舰船能够完成使命、保障人员安全的保证。目前，反舰武器是舰船的最大威胁，一方面现代反舰武器愈发先进，威力也越来越大，另一方面为了提高舰船在海上作战的移动速度，舰船结构改良，采用较薄型装甲，并且船上精密仪器也越来越多，此消彼长之下舰船的防护结构研发升级的重要性日益增长。
反舰武器主要通过外部爆炸和内部爆炸对舰船造成损害，进而造成人员伤亡、舰船破坏。外部爆炸主要使舰船外体结构发生变形、破损，使船舶的浮稳性受损，对于人员、设备的损伤较小；内部爆炸则是破坏舷侧，进入船体内部爆炸，爆炸生成数以万计的高速破片侵彻四周舱壁，破片使舱壁产生变形、裂纹甚至破口，而由爆炸产生的冲击波则进一步破坏这些进而使舱壁整体破坏，然后破片、冲击波对相邻舱室进行破坏并且无法在短时间内恢复。内部爆炸以及破片侵彻对于船体结构的破坏相比外部爆炸威胁更大，对于舱内人员以及精密设备的损害则更是灾难性的。
因此被动防护结构成了舰船的最后一道防线[1]。良好的被动防护结构的设计可以有效的减少舰船受到的创伤，保护舱内设备。反之，则会产生无法估量的损失。海战历史上这样的例子比比皆是，二战期间美军在珍珠港遭受重创后建造了大量埃塞克斯级航空母舰，舰体进行升级加强使得其虽然在太平洋战争中数次遭受重创但是从未被打沉过。而在1982年的马尔维纳斯群岛战争[2]中，英国皇家海军的主力驱逐舰“谢菲尔德”号被首次亮相的飞鱼导弹击中并连穿两个舱室而导致沉没。这些历史上所真实发生的事例不断提醒着我们被动防护结构对于舰船的重要。
/
图1.1被击中的“谢菲尔德”号
所以本文采用数值模拟方法，运用有限元仿真软件MSC/DYTRAN对多种工况的高速破片侵彻载荷作用下舰船舱壁结构的动态响应进行研究。
1.2侵彻国内外研究现状
半穿甲爆破型反舰导弹穿透舷侧板架进入舱室内部爆炸产生大量高速破片，对舱壁结构造成侵彻作用，严重损伤舱壁结构。高速破片对靶板的侵彻问题属于穿甲力学研究范畴。钱伟长[3]在《穿甲力学》中总结了此前国内外研究进展，详细阐述了薄、中厚、厚靶板的侵彻。对于高速破片侵彻问题的研究，主要从实验研究、理论研究和数值仿真研究三方面进行。
1.2.1实验研究
弹体对靶体材料侵彻机理复杂，最直接有效的方法是进行原型实验[4]。特别是某些新型抗弹体侵彻防护材料以及一些材料不均匀、各向异性、本构关系复杂的材料只有通过实验才能验证其抗侵彻性能。许多学者提出并实践了各种实验方法，得出了各参量间的相互关系，总结出大量经验公式，为研究侵彻过程力学机理提供了平台，成为检验理论分析和数值计算的重要标准。
国外研究学者中Levy和Goldsmith[5]研究了半球头弹对铝板的侵彻，测试了撞击力、靶板和塞块变形、应变。观察到环向裂纹比径向裂纹早出现，从而形成了塞块轮廓。当侵入速度增加时，塞块从靶板中分离出来。Goldsmith[6]研究了在不同形状弹体侵彻下韧性金属薄板损伤机理。讨论了接近弹道极限速度时，钢板和铝合金在平头、锥头和球头三种弹体侵彻下的损伤机理。Orphal和Anderson[7]通过大量的弹体侵彻实验，得出了侵彻速度和撞击速度之间呈线性相关关系的结论。国内研究学者中，朱锡等[8]通过船用复合装甲板的抗破片侵彻实验研究得知：如果舰船采用由钢板和复合材料板所组成的复合装甲结构，那么舰船结构的抗破片侵彻能力会比普通装甲结构强很多。王晓强等[9]为了得到破片模拟弹对陶瓷/船用钢靶板的侵彻规律，通过实验探讨了10g破片模拟弹侵入不同厚度配比靶板时的弹道极限，分别分析了陶瓷面板和船用钢背板的变形情况及弹道极限随陶瓷厚度和船用钢厚的变化关系。陶瓷面板呈现完全贯穿横向的径向裂纹和向靶前喷射陶瓷碎粒，破口直径远远大于弹体直径。王晓强和朱锡[10]研究高速墩头弹侵彻中厚金属靶板时将过程分成简单压缩、压缩剪切和绝热剪切三个阶段，并预测了金属靶板抗弹能力和墩头弹侵彻能力，具有一定理论价值和工程应用价值。沈晓乐等人[11]进行水下弹道试验以探究水下爆炸所产生的高速破片侵彻机理。采取了水下弹道试验进行研究，研究使用的破片是立方体型，分析得到：破片的侵彻阻力系数受破片型式影响较大，靶板受压会形成压缩波，压缩波作用使破片发生墩粗、侵蚀，造成破片侵彻截面积变大、侵彻质量变小。所以高速破片水下侵彻能力较低速不但没有变强反倒减弱了，侵彻深度减小。
目 录
第1章 绪论 1
1.1课题研究背景和意义 1
1.2侵彻国内外研究现状 2
1.2.1实验研究 2
1.2.2理论研究 3
1.2.3数值仿真研究 4
1.3本文研究内容 5
第2章 侵彻理论及数值模拟方法研究 6
2.1引言 6
2.2侵彻类型 6
2.3靶板分类 9
2.4靶板破坏形式 10
2.5弹体破坏形式 11
2.6有限元的发展历程 12
2.6.1 MSC/DYTRAN的由来 12
2.6.2显式时间积分法 13
第3章 破片侵彻舱壁的有限元分析研究 15
3.1引言 15
3.2破片和舱壁有限元模型 15
3.2.1本构模型的选取 15
3.2.2破片有限元模型 16
3.2.3舱壁有限元模型 18
3.3材料参数 19
3.4接触定义 19
3.5边界条件定义 19
3.6计算工况确定 20
3.7输出文件生成 21< *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
br /> 3.8本章小结 22
第4章 侵彻载荷作用下舰船舱壁结构动态响应研究 23
4.1引言 23
4.2计算结果分析 23
4.2.1舱壁结构破坏模式 23
4.2.2不同侵彻点处舱壁结构和破片动态响应分析 23
4.2.3不同初速度下舱壁结构和破片动态响应分析 31
4.3本章小结 36
结论 37
致谢 39
参考文献 40
第1章 绪论
1.1课题研究背景和意义
一直以来，中国与领国的领海争端不断，钓鱼岛、南沙群岛等问题牵动着国民的神经。南沙群岛海域蕴含这丰富的矿物资源，其中油气资源尤其丰裕有“第二个波斯湾”之称并且渔业资源异常丰饶，具有极高的经济价值。随着陆地资源的消耗，南海等海域的战略意义愈发重要。为了保卫我国海洋领土的独立、完整，开发、利用领海富饶的物产资源，我们必须要有强大的海军作为后盾。在现代海战中，舰船是海上攻击、防御以及运载、生活的主要平台，其建造成本高昂，需要众多技术支持，是船上人员生活、安全的保障。
舰船一般是由舰上设备、舰体结构、水下舱段以及探测、通信、动力和导航等系统组成，其中水下舱段又包括油水舱、武器弹药舱等主要舱室。因此，水下舱室的安全显得尤为重要，是舰船能够完成使命、保障人员安全的保证。目前，反舰武器是舰船的最大威胁，一方面现代反舰武器愈发先进，威力也越来越大，另一方面为了提高舰船在海上作战的移动速度，舰船结构改良，采用较薄型装甲，并且船上精密仪器也越来越多，此消彼长之下舰船的防护结构研发升级的重要性日益增长。
反舰武器主要通过外部爆炸和内部爆炸对舰船造成损害，进而造成人员伤亡、舰船破坏。外部爆炸主要使舰船外体结构发生变形、破损，使船舶的浮稳性受损，对于人员、设备的损伤较小；内部爆炸则是破坏舷侧，进入船体内部爆炸，爆炸生成数以万计的高速破片侵彻四周舱壁，破片使舱壁产生变形、裂纹甚至破口，而由爆炸产生的冲击波则进一步破坏这些进而使舱壁整体破坏，然后破片、冲击波对相邻舱室进行破坏并且无法在短时间内恢复。内部爆炸以及破片侵彻对于船体结构的破坏相比外部爆炸威胁更大，对于舱内人员以及精密设备的损害则更是灾难性的。
因此被动防护结构成了舰船的最后一道防线[1]。良好的被动防护结构的设计可以有效的减少舰船受到的创伤，保护舱内设备。反之，则会产生无法估量的损失。海战历史上这样的例子比比皆是，二战期间美军在珍珠港遭受重创后建造了大量埃塞克斯级航空母舰，舰体进行升级加强使得其虽然在太平洋战争中数次遭受重创但是从未被打沉过。而在1982年的马尔维纳斯群岛战争[2]中，英国皇家海军的主力驱逐舰“谢菲尔德”号被首次亮相的飞鱼导弹击中并连穿两个舱室而导致沉没。这些历史上所真实发生的事例不断提醒着我们被动防护结构对于舰船的重要。
/
图1.1被击中的“谢菲尔德”号
所以本文采用数值模拟方法，运用有限元仿真软件MSC/DYTRAN对多种工况的高速破片侵彻载荷作用下舰船舱壁结构的动态响应进行研究。
1.2侵彻国内外研究现状
半穿甲爆破型反舰导弹穿透舷侧板架进入舱室内部爆炸产生大量高速破片，对舱壁结构造成侵彻作用，严重损伤舱壁结构。高速破片对靶板的侵彻问题属于穿甲力学研究范畴。钱伟长[3]在《穿甲力学》中总结了此前国内外研究进展，详细阐述了薄、中厚、厚靶板的侵彻。对于高速破片侵彻问题的研究，主要从实验研究、理论研究和数值仿真研究三方面进行。
1.2.1实验研究
弹体对靶体材料侵彻机理复杂，最直接有效的方法是进行原型实验[4]。特别是某些新型抗弹体侵彻防护材料以及一些材料不均匀、各向异性、本构关系复杂的材料只有通过实验才能验证其抗侵彻性能。许多学者提出并实践了各种实验方法，得出了各参量间的相互关系，总结出大量经验公式，为研究侵彻过程力学机理提供了平台，成为检验理论分析和数值计算的重要标准。
国外研究学者中Levy和Goldsmith[5]研究了半球头弹对铝板的侵彻，测试了撞击力、靶板和塞块变形、应变。观察到环向裂纹比径向裂纹早出现，从而形成了塞块轮廓。当侵入速度增加时，塞块从靶板中分离出来。Goldsmith[6]研究了在不同形状弹体侵彻下韧性金属薄板损伤机理。讨论了接近弹道极限速度时，钢板和铝合金在平头、锥头和球头三种弹体侵彻下的损伤机理。Orphal和Anderson[7]通过大量的弹体侵彻实验，得出了侵彻速度和撞击速度之间呈线性相关关系的结论。国内研究学者中，朱锡等[8]通过船用复合装甲板的抗破片侵彻实验研究得知：如果舰船采用由钢板和复合材料板所组成的复合装甲结构，那么舰船结构的抗破片侵彻能力会比普通装甲结构强很多。王晓强等[9]为了得到破片模拟弹对陶瓷/船用钢靶板的侵彻规律，通过实验探讨了10g破片模拟弹侵入不同厚度配比靶板时的弹道极限，分别分析了陶瓷面板和船用钢背板的变形情况及弹道极限随陶瓷厚度和船用钢厚的变化关系。陶瓷面板呈现完全贯穿横向的径向裂纹和向靶前喷射陶瓷碎粒，破口直径远远大于弹体直径。王晓强和朱锡[10]研究高速墩头弹侵彻中厚金属靶板时将过程分成简单压缩、压缩剪切和绝热剪切三个阶段，并预测了金属靶板抗弹能力和墩头弹侵彻能力，具有一定理论价值和工程应用价值。沈晓乐等人[11]进行水下弹道试验以探究水下爆炸所产生的高速破片侵彻机理。采取了水下弹道试验进行研究，研究使用的破片是立方体型，分析得到：破片的侵彻阻力系数受破片型式影响较大，靶板受压会形成压缩波，压缩波作用使破片发生墩粗、侵蚀，造成破片侵彻截面积变大、侵彻质量变小。所以高速破片水下侵彻能力较低速不但没有变强反倒减弱了，侵彻深度减小。
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