船舶舷侧结构的抗爆性能研究及优化设计.docx
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船舶舷侧结构的抗爆性能研究及优化设计
船舶舷侧结构的抗爆性能研究及优化设计
DissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofMaster
ResearchandOptimizationofSideStructurewithMechanicalPropertiesofBlast-resistance
万方数据
万方数据
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船舶舷侧结构的抗爆性能研究及优化设计摘要
随着国防科技的快速发展，各种水面作战武器的打击力度及打击精度都大幅提高，打击手段也不断丰富，在一线服役的舰船遭受武器攻击和破坏的风险随之不断升高。
为了能够对水下兵器的攻击做出有效的防护，保证水面舰船在受到攻击后仍然保有生命力，各个国家都在积极地开展水下爆炸载荷作用机理、结构在水下爆炸作用下的响应机理以及结构抗冲击性能理论、优化设计等领域的理论及实验研究，并不断探索和提出新型的抗冲击舷侧结构。
舰船舷侧结构在遭受水下爆炸载荷作用时，会在很短的时间内发生非常复杂的非线性动态响应，是一个强非线性问题。
想要通过数学模型来得到此类复杂问题的解析解是非常困难的，同时，试验研究也受限于其试验本身的不确定性和资金问题，无法大规模应用。
在这样的背景之下，本文采用数值仿真试验的方法，既解决了数学模型求解难的问题，也不存在过多资金成本的问题，从爆炸载荷特性、不同形式的舷侧结构对载荷的响应以及舷侧结构的优化设计几个方面入手对水下爆炸载荷下的船舶结构响应以及优化设计进行了研究，并讨论了不同形式结构抗爆性能的差异。
本文首先在研究了炸药爆轰理论的基础上，采用库尔半理论半经验公式，模拟了冲击波载荷在舰船舷侧结构上的作用，为计算结构的响应提供了理论基础。
在此基础上，本文通过显示非线性有限元求解技术，对结构简化模型的动态响应过程进行了仿真模拟，计算结果给出了结构在冲击波载荷下的加速度、速度、位移等结构响应以及各部分构件的吸能、比吸能水
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平等结构性能。
同时，本文还从结构抗冲击性能的角度给出了三种具有抗冲击性能的舷侧结构设计，并针对每种设计对上述的动态响应进行了分析和比较。
结构的动态响应与结构的设计参数息息相关，结构的板厚布置、结构的形状设计都或许会很大程度地影响到结构的力学性能。
为了探究结构中各个参数对结构抗冲击性能的影响，文章引入了试验设计对设计输入参数和结构响应输出的关系进行了研究。
同时使用智能优化算法对结构进行尺寸和形状两个层面上的优化，得到满足约束条件的结构最优解。
文章在优化过程中还引入了近似模型的概念，并以该模型来代替计算成本较高的有限元数值计算过程，很大程度地降低了优化设计方法中多次迭代造成的时间成本。
最后，文章给出了一个实际复杂问题的实例，对某舰船的三个舱段进行详细建模，并引入参数化建模技术，采用PYTHON语言编写可执行脚本，以便在优化过程中ABAQUS可以完成自动化建模过程。
在优化模型中，分别以舷侧结构的形式和板厚作为设计对象，按照预期性能设定目标函数，进行单目标和多目标的优化，得到了可行的优化设计。
关键词：
水下爆炸、舷侧结构、抗爆性能、优化设计
II
ResearchandOptimizationofSideStructurewithMechanicalPropertiesofBlast-resistance
ABSTRACT
Withtherapiddevelopmentofdefense-relatedscienceandtechnology,thestrengthandaccuracyofavarietyofsurfacewarfareweaponsaregreatlyimproved,aswellasthemeanstocombat.Consequently,theriskconstantlyincreasesthataservingvesselsuffersfromunderwaterexplosion.Inordertomakeaneffectiveprotectionagainstattackfromunderwaterweapons,ensuringthatthevesselcanstillmaintainvitalityaftertheattack,continuingtoexploreinnovativestructures,countriesallovertheworldareactivelyengagedinresearchesoftheoryandexperienceonmechanismofunderwaterexplosionandstructuralresponseunderunderwaterexplosionandtheoryofblast-resistanceandoptimizationdesign.
Sidestructurepresentsverycomplexandnon-lineardynamicresponseinaquiteshortperiodoftime,whichisastronglynon-linearmechanicalproblem.It’sextremelyhardtogetanalyticalsolutionsthroughamathematicalmodelforthiskindofproblems.Meanwhile,theexperimentstudyisalsolimitedandcannotbewidelyusedbecauseoffundingissuesandtheuncertaintyoftheexperiment.Inthiscontext,thisthesisusesnumericalsimulationmethodtoexplorethestructuralresponseandoptimizationunderunderwaterexplosion.Thestudymainlyincludesafewparts:
thestudyofcharacteristicsofexplosiveload,thestudyofdynamicresponsesofdifferentsidestructuredesigns,theoptimizationofeachdesignandthedifferencesofblast-resistancebetweenthem.
Firstly,thisthesisgivesabriefintroductionofexplosivedetonationtheory.Accordingtotheexplosivedetonationtheory,thisthesissimulatestheexplosionloadsonsidestructuresusingsemi-theoreticalsemi-empirical
III
formulaproposedbyCole.Thispartprovidesatheoreticalbasisforthefollowingcomputingofstructureresponses.
Onthisbasis,thethesisusesnon-linearfiniteelementsolvertosimulatethedynamicresponsesofasimplifiedmodel.Thesimulationresultshowsthedynamicresponses,suchasacceleration,velocity,displacementofthestructure,andalsothelevelofenergyabsorptionandspecificenergyabsorption.Besides,fromtheperspectiveoftheblast-resistanceofstructure,thisthesisproposesthreestructuraldesigns.Thedynamicresponsesmentionedaboveareanalyzedandcomparedforeachdesign.
Thedynamicresponseiscloselyrelatedtothedesignparameters.Eitherthethicknessarrangementofshellelementsortheshapeofthestructureisofgreatinfluencetothemechanicalproperties.DOE（designofexperiment）isintroducedtoexploretherelationshipamongthevariables.Intelligentoptimizationalgorithmsareusedtooptimizethesizeandshapetogettheoptimalsolutionwhichsatisfiestheconstraints.Also,theconceptofapproximatemodelisintroducedintheoptimizationprocess,whichisusedtoreplacethefiniteelementanalysiswithlittlecomputationalcost.
Intheend,thisthesispresentsapracticalexamplewhichismorecomplex.AdetailedthreecabinmodelofvesselisestablishedautomaticallyinABAQUSbyusingPYTHONandparametricmodelingtechniques.Thentakethethicknessandshapeofsidestructureasdesignparameter.Runmulti-objectiveandsingle-objectiveoptimizationforthicknessandshapeoptimizationrespectively.Finally,theoptimalsolutionisobtained.
KEYWORDS:
underwaterexplosions,sidestructure,blastresistance,optimization
IV
第一章绪论························································································
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1.1研究背景和研究目标······································································
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1.2国内外研究现状············································································
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1.2.1水下爆炸载荷研究现状·····························································
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1.2.2水下爆炸载荷作用下的舰船结构动响应研究现状·····························
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1.2.3舰船抗冲击结构优化设计研究现状···············································
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1.3船舶优化设计需要解决的两个问题····················································
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1.3.1计算成本较高·········································································
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1.3.2参数化建模较困难································································
···
6
1.4本文的主要研究内容······································································
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第二章水下爆炸载荷及计算方法研究························································
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2.1引言···························································································
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2.2冲击波及炸药爆轰基本理论····························································
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2.2.1冲击波理论···········································································
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2.2.2爆轰波的CJ理论····································································
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2.3水下爆炸载荷的半理论半经验计算方法·············································
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2.3.1冲击波作用阶段·····································································
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2.3.2气泡脉动阶段········································································
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2.4本章小结····················································································
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第三章船舶舷侧结构抗爆性能研究·························································
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3.1传统双壳舷侧结构水下爆炸载荷下的响应··········································
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3.1.1有限元模型概述·····································································
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3.1.2模型响应··············································································
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3.2具有抗冲击性能的舰船舷侧结构设计················································
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3.2.1水平分叉型结构·····································································
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3.2.2Y型结构···············································································
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3.2.3半圆型结构···········································································
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V
3.2.4布置几种不同形式纵向隔板的舷侧对比········································48
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第一章绪论
1.1研究背景和研究目标
近年来，我国的领海权益不断遭受一些邻国的侵犯，甚至有部分争端还在不断升级。
与日本在东海上领海区域的争议从2003年被提及就未曾间断，2010年钓鱼岛海域的撞船事件更让中日关系一度紧绷；与韩国在东海和黄海都存在领海争端，相比于与日本的争端，争议面积还要大2万平方公里；与越南、菲律宾、马来西亚和文莱等国在南沙群岛的领土争端更是可以追溯到十九世纪七十年代，目前被侵占的岛屿多达40多个。
作为一个不主张武力解决争端问题的大国，军事力量作为一种震慑力量在掌控领海争端问题的格局上起着至关重要的作用。
对海上军事力量最直接的认识就体现在航母、战斗舰艇等水上作战工具的实力。
在军事冲突期间，在一线执行战斗任务的舰队可能会遭到各式各样的水面战斗武器的攻击，其中以反舰导弹、反雷达导弹以及鱼雷为威胁水面舰艇生命力的主要杀伤武器。
当受到这些武器攻击的时候，即使结构距离爆炸中心有一定距离，其舰船的结构、设备和人员也可能会承受不同程度不可逆的伤害。
特别是近年来，随着科技发展，水下兵器的打击力度、打击精度、打击手段都逐渐强化和丰富，一旦设备或结构遭到破坏，轻则丧失战斗力，重则舰毁人亡。
军事力量在面对这些战争中的主要威胁时，作战能力是一方面，更重要的是遭受此类冲击载荷作用时船体的抵抗能力。
举一个例子，1982年英国驱逐舰谢菲尔德号在马岛海战中被一枚掠海飞行的导弹击中了舷侧，并因此舰沉大海，而在二战时美国的一艘小排水量舰艇在遭受了日本四颗炸弹和五架装满炸弹的神风飞机击中仍旧顺利返航。
由此可见，开展水下爆炸载荷作用机理、结构在水下爆炸作用下的响应机理以及结构抗冲击性能理论、优化设计等领域的理论及实验研究对提高舰船生命力至关重要，具有举足轻重的现实意义和应用价值。
水下爆炸是指在水下发生的作用时间极短的，且在极小体积内发生极大能量转化的过程，主要可以分为接触爆炸和非接触爆炸。
接触爆炸主要是会造成结构的局部破损，影响舰船生命力，如错误！
未找到引用源。
所示；非接触爆炸主要是导致结构发生重大变形、各类设备严重及大范围破坏，严重时会产生舰船结构的破坏，是目前造成舰船失效的重要模式，如图1-2所示。
水面舰船及设备在受到此类载荷时
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的破坏方式主要体现在三个方面：
第一，冲击加速度过大，是设备及人员受到损伤；第二，冲击所引起的结构位移过大，破坏设备的正常工作环境，导致设备失效；第三，爆炸强度大，致使结构损坏。
因此，对结构速度、加速度、结构位移等动态响应特征的研究对于优化舰船的性能和生命力有着十分重要的作用。
与此同时，舰船的抗冲击防护和优化研究也是舰船抗冲击性能研究的一个非常重要的内容，它主要涵盖了舰船结构抗爆的防护机理和试验研究以及新型的抗冲击结构研究两个部分。
事实证明，吸能效果好、制造工艺简、结构质量轻并且能够满足强度等各方面设计要求的新型结构能够很大程度地提高舰船的抗冲击能力。
而如何设计出这样的结构是目前舰船研究的一个热点问题。
图1-1水下接触爆炸产生的局部毁伤
Figure1-1LocalDamageCausedbyContactExplosion
图1-2水下非接触爆炸产生的大面积变形及局部毁伤
Figure1-2DeformationandDamageCausedbyNon-contactExplosion
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目前对于水下爆炸及对结构作用的方法主要有三种：
理论研究、实验研究以及数值仿真。
对于舰船来讲，水下爆炸载荷会使结构在极短的时间内承受巨大的冲击。
在这种冲击之下，结构会产生复杂的非线性动态响应，属于强非线性的大变形问题，同时，由于水下爆炸冲击波和舰体结构存在耦合且水下爆炸问题自身就存在许多复杂影响因素，企图使用解析法通过建立精确的数学模型来研究此类问题是十分困难的。
相反，通过实验法的研究可以获取相对精确可靠的实验数据，但鉴于舰船自身昂贵的造价以及单个样本对于普遍适用性结论极其局限性的贡献，实验法的研究也无法系统进行。
不过近几年来，计算机技术有了快速发展，硬件性能也有大幅度的提升，高精度的数值仿真得到了越来越多学者的关注，逐渐成为水下爆炸冲击响应研究的最主要的方法。
本文主要针对实际工程问题，综合考虑水下爆炸问题和优化问题。
一方面对于舰船舷侧结构在瞬时载荷作用下的响应进行研究，同时对已提出的抗冲击结构进行研究和对比，解决满足强度稳性要求下的船舶抗冲击性能的优化问题；另一方面展开对于舰船舷侧抗冲击结构形状优化的研究，探索新型轻量化的舷侧抗冲击结构，这对于提高舰船的各项性能具有重要意义。
1.2国内外研究现状
1.2.1水下爆炸载荷研究现状
在水下爆炸的理论研究方面，RobertHughCole于1948年出版的《UnderwaterExplosion》[1]一书揭开了人们对水下爆炸研究的序幕。
书中以1941年到1946年间美国的相关研究成果为基础，详细地解释了水下爆炸的基本现象、物理和化学变化特性、水下爆炸载荷的传播过程和分布特点、水下爆炸的试验研究方法以及水下爆炸的破坏过程，除此之外还在理论层面探讨了水下爆炸的机理。
B.V.Zamyshlyaev紧接其后，于1973年出版了著作《DynamicLoadsinUnderwaterExplosion》[2,3]，其中Zamyshlyaev推导给出了不同情况水下爆炸的载荷公式。
在实验数据缺乏的环境之下，Cole和Zamyshlyaev的半理论半经验公式被沿用至今，仍然是现今理论研究的一个重要基础。
与理论并
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