深水环境下聚能接触爆炸载荷及其对双壳体潜艇结构的毁伤机理研究
批准号:
52071109
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
明付仁
依托单位:
学科分类:
船舶工程
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
明付仁
中文摘要
水下聚能接触爆炸过程伴随着金属射流的高应变率流动、气泡的腔吸和对射流、复杂波系在多层结构间的传播以及结构的冲塞撕裂等非线性流固耦合现象,经常会造成潜艇结构穿透性破口、大面积塑性破坏乃至折断失稳。为此,本项目基于流固耦合动力学理论,首先建立深水聚能接触爆炸的瞬态流固耦合数值模型,通过模型试验验证其正确性;在此基础上,考虑金属射流产生的破口效应,探明金属射流、冲击波及气泡载荷的形成机理;进而计入舷间介质、结构敷设层等目标特性的影响,摸清深水聚能接触爆炸冲击载荷能量在多层结构和介质间的传递规律,掌握其时空分布特性;最后,计入深水压力的影响,揭示深水聚能接触爆炸全过程载荷对双壳体潜艇结构的毁伤机理。研究内容包括:1)深水聚能接触爆炸流固耦合模型研究;2)深水聚能接触爆炸的冲击载荷特性研究;3)深水聚能接触爆炸冲击载荷在多层结构和介质间传递规律研究;4)深水聚能接触爆炸对双壳体潜艇结构毁伤特性研究。
英文摘要
The underwater explosion process of shaped-charge is accompanied by nonlinear fluid-structure interaction phenomena such as high strain rate flow of metal jets, suction and convection of bubbles, propagation of complex wave systems between multilayer structures, and plugging and tearing of structures, which often causes penetrating ruptures, large-scale plastic damage and even broken or instability in the submarine structure. To this end, based on the fluid-structure interaction dynamics theory, firstly the numerical model of transient fluid-structure interaction of shaped-charge under deep-water contact explosion is established, and its accuracy is verified through model experimental results; and then considered the hole effect produced by the metal jet, the formation mechanism of loads such as metal jets, shock waves and bubbles is analyzed; further considering the influence of target characteristics such as inboard media and structural laying layers, the propagation law of the shock energy between the multi-layer structure and the medium during the deep-water shaped-charge contact explosion will be found and the characteristics of spatial and temporal distribution will be also summarized; finally, taking the effect of deep water pressure is into account, the damage mechanism of the double-hull submarine structure caused by the deep-water contact explosion will be revealed. The main studies are as follows: 1) the numerical model of fluid-structure interaction of shaped charge contact explosion under deep water; 2) the shock load characteristics of deep water shaped-charge contact explosion; 3) the propagation law of shock energy between multilayer structure and medium during shaped-charge contact explosion in deep water; 4) the damage characteristics of shaped-charge contact explosion in deep water to the double-hull submarine structure.
本项目聚焦于水下聚能装药接触爆炸载荷及其对潜艇结构的毁伤问题。聚能装药水下接触爆炸过程伴随着金属射流的高应变率流动、气泡的腔吸和射流、复杂波系在多层结构间的传播以及结构的冲塞撕裂等非线性流固耦合现象,经常会造成潜艇结构穿透性破口、大面积塑性破坏乃至折断失稳,严重威胁着潜艇结构的安全性。本项目基于流固耦合动力学理论,首先,提出了深水环境的无反射截断边界条件,开发了多尺度匹配模拟技术,建立了深水聚能接触爆炸的瞬态流固耦合SPH-RKPM数值模型,通过模型试验等数据验证其正确性;然后,考虑金属射流产生的破口效应,探明了金属射流、冲击波及气泡载荷的形成及其耦合作用机理;进而计入舷间介质、结构敷设层等目标特性的影响,探明了其对冲击载荷传递规律的影响,厘清了聚能接触爆炸冲击载荷能量在多层结构和介质间的传递规律,掌握了冲击载荷的时空分布特性;最后,开展了聚能装药水下爆炸金属射流、弹道波、冲击波和气泡载荷的耦合动力学试验以及聚能装药水下爆炸对平板/加筋板/圆柱壳结构的毁伤机理性试验,结合数值模拟结果,揭示了水下聚能接触爆炸的冲击载荷形成和发展机制以及冲击载荷对水下潜艇结构的毁伤机理,为潜艇目标的水下高效毁伤和新型潜艇抗爆抗冲击结构研制等奠定了坚实的基础。研究成果在JFM、POF、OE等期刊上发表论文20篇(其中SCI论文18篇),登记软件著作权3项,授权发明专利10项。成果支撑获得了海洋工程科学技术二等奖、教育部自然科学一等奖、国防科技进步三等奖、Moan-Faltinsen国际最佳论文奖、船舶与海洋工程行业专利优秀奖。做学术特邀报告/主持等4次。培养省优青1人、博新计划A类1人,青年教师学术骨干3人,培养研究生9人。总的来说,完成了全部研究内容,取得了预期研究成果,达到了研究目标。
水下爆炸毁伤后期舰船急速进水的空气效应及船体喘息式运动机理研究
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批准号:51879053
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项目类别:面上项目
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资助金额:60.0万元
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批准年份:2018
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负责人:明付仁
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依托单位:
水下接触爆炸作用下船体板架结构渐进损伤破坏机理研究
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批准号:51609049
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:20.0万元
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批准年份:2016
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负责人:明付仁
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依托单位:
国内基金
海外基金