水下近场非接触爆炸下典型舰船垂向损伤理论模型及损伤特性研究

The hogging and sagging damage modes of warships subjected to underwater non-contact explosions in near-field were already confirmed by different ways. However, theirs damage mechanisms need to be studied further, and we still lack reasonable theoretical models of analyzing the vertical damages. The project will firstly continue to study the characteristics of shockwave wall-pressure load and low-pressure flow field caused by bubble oscillation, and obtain the essential loads to research the dynamic responses of the warships when underwater explosions occur closely. Considering the effects of mode coupling and damping, theoretical models will be set up to discuss how an elastic-plastic rectangular beam acts against underwater explosions. On the basis of the models, the effects of cross-section shapes and main structure parameters of hull girder on its global movements will be analyzed，aiming to establish a basic method in forecasting the responses of the girder with typical cross-section. Further, the project will study the relationships between impact intensities, ship structure strengths and its global damage modes，obtain the factors of impact intensities and structural strengths, and establish reasonable models to evaluate the global damages of typical slender warships with an atlas of the damage modes distribution.

水下近场非接触爆炸会造成舰船发生整体中拱或中垂损伤已得到多途径证实，但其损伤机理仍待深入研究，尚缺乏合理反映舰船整体垂向损伤特性的理论模型和分析方法。本项目拟从完善舰船典型结构处水下近场爆炸冲击波壁压和气泡运动引起的低压流场特性研究入手，获得研究典型舰船整体运动响应必不可少的载荷条件；考虑阻尼、多模态耦合等因素对船体梁整体运动的影响，建立水下爆炸冲击波和气泡联合作用下计及阻尼的弹塑性矩形截面梁多模态耦合响应理论模型；以该理论模型为基础，对比研究船体梁截面形状、主要结构参数等对其整体响应的影响特性，建立将矩形截面梁运动理论模型扩展应用于典型横截面船体梁整体响应预报的基本方法；研究水下爆炸强度参数、舰船结构强度参数与其整体损伤模式之间的关系，提出合理表征冲击强度和结构强度的函数变量（因子），建立一套水下爆炸作用下典型舰船（细长型）整体垂向损伤的分析计算方法，提出适于应用的损伤模式分布图谱。

水下近场非接触爆炸会造成舰船发生整体中拱或中垂损伤已得到多途径证实，但其损伤机理仍待揭示，尚缺乏预报舰船整体垂向损伤程度的有效方法。本项目以水下爆炸下典型舰船/船体梁整体损伤为研究对象，综合运用理论分析、数值仿真和模型实验等手段，阐明了近舰船结构边界下水下爆炸冲击波和气泡脉动载荷特性，建立了一种预报水下爆炸作用下舰船整体垂向损伤的理论方法，初步提出了舰船/船体梁整体损伤模式分布图谱，为舰船抗爆炸冲击总体结构优化、水中兵器攻击方位设计及效能评估等提供了技术支撑。主要研究成果如下：.（1）提出的考虑阻尼效应的水下爆炸下船体梁整体运动的理论模型能分析船体梁全弹性或弹塑性运动过程，特别是能捕捉梁进入塑性运动后反复加载、卸载的过程，对预报船体梁整体运动周期和幅值具有较好的精度，实验证实其对两者的预报误差均不超过10%。.（2）水下近距爆炸气泡运动形成的底部低压流场及气泡与结构耦合共振运动是导致舰船/船体梁发生垂向损伤的主要原因。当爆径比γ＜0.4时，舰船将发生整体中拱损伤并伴随底部板架局部凹陷变形；当0.4＜γ＜2时，气泡脉动形成的低压流场将对舰船整体造成明显的中垂损伤破坏,伴随中部结构失稳；当2＜γ＜4时，低压流场对船体的中垂损伤效果逐渐减弱，响应模式由中垂损伤演变为“鞭状响应”；当γ＞4时，舰船将仅发生弹性运动。.（3）首次提出了表征水下爆炸冲击强度的因子C4、表征舰船总体结构强度因子S。相比于分别以冲击波强度因子SF、爆径比γ为横坐标，结构强度因子S为纵坐标的船体梁整体损伤模式分布图谱一、二，以冲击因子C4和结构因子S表征的分布图谱三对舰船/船体梁整体损伤模式的区分更加清晰，分布区域划分更加合理，内容更直观，便于实现对不同爆炸工况下舰船/船体梁整体损伤模式的快速判断。