内部流体域对水下爆炸载荷及结构动响应的影响规律研究

Internal fluid domain widely exist in ship building and ocean engineering field. During the study on structure dynamic response subjected to underwater explosion, the influence of internal fluid domain is mainly manifested in the following two aspects: one is the influence of wave effect of bubble internal gas on bubble load, the other is the influence of internal fluid domain on dynamic response of structure with internal fluid. But, the influence of internal fluid domain on underwater explosion load and structure dynamic response is still unclear. In addition, because of the low frequency dilatational motion of internal fluid domain, the classic doubly asymptotic approximation method can’t be used to solution internal fluid domain. Therefore, considering the disadvantage of classic doubly asymptotic approximation method, the late time approximation for internal fluid domain is obtained based on retarded potential formula at first, then the doubly asymptotic approximation method for internal fluid domain is established through asymptotic expansion matching method. On basis of these, the investigation on the influence of internal fluid domain on underwater explosion load and structure dynamic response is carried out through establishing fluid-structure interaction numerical model. The main research contents include: 1) the influence of internal fluid domain on dynamic response of structure subjected to underwater explosion shock wave; 2) the load of bubble considering the wave effect of internal gas; 3) the interaction between bubble considering the wave effect of internal gas and structure. The study aims to provide theoretical reference and technical support to related research of ship shock resistance evaluation.

内部流体域广泛存在船舶与海洋工程领域。在水下爆炸作用下结构动响应研究中，内部流体域的影响主要体现在以下两个方面：一是水下爆炸气泡内部气体波动效应对气泡载荷的影响，二是内部流体域对具有内部流体域结构动响应的影响。而内部流体域对水下爆炸载荷及结构动响应的影响规律还不甚清楚。另外，由于内部流体域存在低频膨胀运动，导致经典双渐近法不能用于求解内部流体域。为此，本项目针对经典双渐近法的不足，从延迟势方程出发，得到内部流体域的后期近似，通过渐近展开匹配建立求解内部流体域的双渐近方程。在此基础上，建立流固耦合数值模型，研究内部流体域对水下爆炸载荷及结构动响应的影响规律。本项目的主要研究内容包括：1)内部流体域对水下爆炸冲击波作用下结构动响应的影响特性；2)考虑内部气体波动效应的气泡载荷特性；3)考虑内部气体波动效应的气泡与结构相互作用，旨在为舰船抗爆抗冲击评估等相关研究提供理论参考及技术支撑。

在水下爆炸作用下结构动响应研究中，内部流体域的影响主要体现在以下两个方面：一是水下爆炸气泡内部气体波动效应对气泡载荷的影响，二是内部流体域对具有内部流体域结构动响应的影响。另外，由于内部流体域存在低频膨胀运动，导致经典双渐近法不能用于求解内部流体域。为此，本项目针对经典双渐近法的不足，从延迟势方程出发，得到了内部流体域的后期近似，通过渐近展开匹配建立了求解内部流体域的双渐近方程。在此基础上，建立了考虑内部流体域的液-固-液流固耦合数值模型，研究了内部流体域对结构动响应的影响规律；建立了考虑内部气体波动效应及初始速度的可压缩气泡模型，研究了内部气体波动效应及初始条件对气泡载荷特性的影响规律，建立了可压缩流场中气泡与结构相互作用数值模型，研究了可压缩流场中气泡对结构的毁伤。研究表明,内域的存在减弱了水下爆炸载荷作用下圆柱壳的鞭状运动幅值，并使圆柱壳中心最大相对位移的最大值减小。随着内部流体密度、声速的增大，圆柱壳中心最大相对位移的最大值减小，声速对圆柱壳中心最大相对位移的影响大于密度的影响。考虑内部气体波动效应的气泡半径、径向速度、迁移位移、射流速度及总能量比不考虑内部波动效应时的小。初始速度的存在一方面使第一个周期的气泡半径、径向速度、迁移位移、射流速度及总能量有所增加，另一方面加剧气泡半径、径向速度、迁移位移、射流速度及总能量在后续气泡脉动过程中的衰减。采用建立的数值模型研究了不同距离参数下水下爆炸气泡与圆柱壳的相互作用，发现随着距离参数的减小，气泡对圆柱壳的毁伤效果越明显。