冲击波作用下结构物面空化及毁伤特性的全介观尺度研究

Underwater explosion shock wave can cause serious damage to the ship structure. When shock waves reach the structure, initial cracks will appear on the surface, meanwhile, the structure gets great acceleration. The reflected waves on the surface, together with the incident waves can cause cavitation. The cavitation collapse will produce the secondary loading. Strong coupling relationship exists in the above phenomena. The crack growth can influence the cavitation development and its secondary loading feature. At the same time, the secondary loading will lead to the regeneration of the initial crack growth. Not only the non-linear problems such as stronge discontinuity and large deformation, but the micro and transient characteristics of cavitation inception and crack growth are included in the process. For the traditional macroscopic methods, there is a huge challenge in solving the process, and the classic molecular dynamics method is limited in the calculating scale. Therefore, based on the fluid-structure and the damage mechanic theories, the following works will be carried out by combinating the mesoscopic lattice Boltzmann method and the mesoscopic peridynamic method. The main research contents include: 1) the mesoscopic transient fluid-structure coupling dynamic model considering the effect of cavitation induced by shock waves and crack growth; 2) the study on physical characteristics near the structure surface with cavitation effects; 3) the study on coupling mechanisms between crack growth and cavitation dynamics under the structure damage case; 4) experimental investigation on crack growth and cavitation dynamics under the effect of shock waves.

水下爆炸产生冲击波，对舰船结构造成严重毁伤。冲击波到达结构物面，造成初始裂纹；同时，使结构瞬间拥有极大加速度并反射稀疏波形成空穴，空穴溃灭会产生二次加载。上述现象存在强烈的耦合关系，即裂纹生长会影响空穴发展及其二次加载特性，而空穴的二次加载，又会造成初始裂纹的再生长。由于涉及强间断、大变形等非线性问题，以及空化初生、裂纹生长等微观、瞬态特性，传统宏观方法在求解该过程，揭示其内部机理时面临巨大挑战，而经典分子动力学方法在计算尺度上受到限制。为此，本项目基于流固耦合和损伤力学基本理论，联合介观尺度上的格子Boltzmann方法和近场动力学方法，开展以下主要工作：1）建立介观层面上冲击波作用下计入物面空化和裂纹生长的三维瞬态流固耦合动力学模型；2）计入空化特性影响的物面附近物态特征研究；3）结构毁伤情况下裂纹生长与空穴动态特性间的耦合机理研究；4）冲击波作用下物面裂纹生长及空穴动态特性实验研究。

近场水下爆炸产生冲击波，对舰船结构造成严重毁伤。冲击波到达结构物面，造成初始裂纹；同时，使结构瞬间拥有极大加速度并反射稀疏波形成空穴，空穴溃灭会产生二次加载。上述现象存在强烈的耦合关系，即裂纹生长会影响空穴发展及其二次加载特性，而空穴的二次加载又会造成初始裂纹的再生长。由于涉及强间断、大变形等非线性问题，以及空化初生、裂纹生长等微观、瞬态特性，传统宏观方法在求解该过程，揭示其内部机理时面临巨大挑战，而经典分子动力学方法在计算尺度上受到限制。. 本项目基于流体力学和断裂力学等基本理论，联合介观尺度上的格子Boltzmann方法和近场动力学方法，建立了介观层面上冲击波作用下结构损伤和流固耦合的三维瞬态流固耦合动力学模型；开展了考虑空化效应的近物面气泡运动和载荷特征研究；计及初始裂纹损伤的影响，研究了裂纹与气泡动态特性的相互作用机理；开展了不同物面附近气泡运动、载荷特征及损伤特征的机理性实验研究。. 通过该项目研究，在《Ocean Engineering》，《Journal of Computational Physics》，《Ships and Offshore structures》，《International Journal of Modern Physics B》,《爆炸与冲击》，《计算力学学报》等国内外期刊上发表了19 篇高水平学术论文，其中被 SCI 检索8篇，被 EI 检索 4篇。申请国家发明专利20余 项，协助培养博士研究生、硕士研究生6名，形成自主开发的相关计算程序2套。