水下爆炸作用下舰船整体弹塑性运动响应预测方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于舰船总体结构抗水下爆炸冲击变形技术领域，更具体地，涉及一种水 下爆炸作用下舰船整体弹塑性运动响应预测方法及系统。
【背景技术】
[0002] 现代海战中，舰船遭受的水下爆炸攻击多以近距作用为主，其中水下近距非接触 爆炸形成的冲击作用遍及整船，往往造成大范围设备破坏甚至造成舰船整体折断。2010年 3月26日发生的韩国"天安号"护卫舰遭水下爆炸攻击发生瞬间折断沉没事件，就可看作是 水下近距非接触爆炸造成舰船折断破坏的典型例子。
[0003] 对于水下近距非接触爆炸作用下的舰船而言，其最先受到冲击波的作用，随后爆 炸气泡脉动及辐射压力对结构产生后续影响。考虑到冲击波和气泡载荷发生的先后关系， 已有研究往往将两者分开研究或者直接忽视冲击波对结构整体变形的影响，但从物理过程 而言，冲击波造成的结构响应应当作为计算后续气泡造成的结构响应的初始输入条件，其 影响不应忽视。另外，水下近距爆炸作用会造成舰船发生明显的整体变形，根据爆炸工况的 不同，可能发生中垂或中拱弯曲破坏，这点已被实船爆炸或模型试验研究所证实。目前，国 内尚缺乏一套完整考虑爆炸冲击波和气泡联合作用，计算舰船发生反复中拱或中垂塑性变 形的理论计算方法。另外，基于所建立的舰船整体响应计算方法，进一步研究舰船整体响应 特点及损伤模式，对于提高舰船抗水下爆炸冲击防护设计水平，特别是对指导水中兵器攻 击效能优化设计及攻击方式选取等均具有重要意义。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术的缺陷和技术需求，本发明提供了一种水下爆炸作用下舰船整体弹 塑性运动响应预测方法及系统，本发明综合考虑冲击波和气泡载荷对舰船总体的冲击作 用，能合理反映舰船反复加载、卸载的响应过程，可以较为简便且准确地实现对近距爆炸作 用下舰船弹塑性运动变形的工程预报。
[0005] 为实现上述目的，按照本发明，提供了一种水下爆炸作用下舰船整体弹塑性运动 响应预测方法，所述方法包括步骤：
[0006] S1、将舰船等效为等截面自由船体梁，由此将对舰船运动响应的预测等效为对自 由船体梁运动响应的预测；
[0007] S2、将水下爆炸作用下自由船体梁载荷压力过程划分为五个时间阶段，采集冲击 波压力峰值Pm、气泡脉动阶段负压峰值Pb、气泡第一次脉动压力峰值Ps;所述五个时间阶 段为：0 < t < t" t < t 2、t2< t < t 3、t3< t < t 4、t4< t < t 5;其中 t 1= θ , Θ 为冲击波衰减常数
【主权项】
1. 一种水下爆炸作用下舰船整体弹塑性运动响应预测方法，其特征在于，所述方法包 括步骤： 51、 将舰船等效为等截面自由船体梁，由此将对舰船运动响应的预测等效为对自由船 体梁运动响应的预测； 52、 将水下爆炸作用下自由船体梁载荷压力过程划分为五个时间阶段，采集冲击波 压力峰值Pm、气泡脉动阶段负压峰值P b、气泡第一次脉动压力峰值Ps;所述五个时间阶段 为：0 < t < tp t < 12、t2< t < 13、t3< t < 14、t4< t < t 5;其中 t i= Θ，Θ 为 ,850 20 、/;, - P0 11/( 10.6 l.5l - R α = p〇=y~ η = ι1Α~^πτ+^ r = 7 Fo Γ() L， ratm ， r r ， ， Ptl为炸药处静水压力，P atD1为大气压，C为水中声速，r Cl为装药半径，R为爆距； 1/3 1/3 ?3 -2.11 (乃- 3290户〇.71，= 2.11(c ,,",)5/6，me为装药当量，P w为水的常度，g 为重力加速度6 =3290++心； 53、 求解自由船体梁在水下爆炸五个时间阶段内的运动位移w (X，t):
其中，X为自由船体梁任意点处的横坐标值，欠，k2= t 2-1^， e-I 丨丨=士，& = ?=329()τ^_，为自由船体梁第一阶固有振形， 炉办)=〇丨11(+)-^^(+) +咖+)-咖|)]，其中41为振形幅值，111为梁运 动频率参数，1为自由船体梁长度；α丨、6丨、af、6/1、411、纪11、<、4"、< 为五个时间阶段的积分常数，O1为自由梁的一阶振形固有频率；φ A积分常 ? ρ(λ-)^, (Λ-)?/χ ~；-，m为考虑附连水质量的单位梁长度质量，P(X)为自由船 γηιφ[ {x)dx 体梁不同时间阶段压力分布特征函数，对于O彡t < ti、ti彡t < t2时间阶段，
54、 根据船体梁在五个时间阶段的弹性运动位移w(x，t)，求解船体梁在不同阶段的速 度和弯矩值； 55、 当所述船体梁中点弯矩绝对值超过船体梁塑性极限弯矩Ms绝对值时，船体梁进入 正向塑性运动，求解船体梁正向塑性运动时的运动幅值H'（t)和相对转动的转角a (t):
ξ1= λ JD-A1(IA), ξ2= λ 2(1)-λ2(1/2)-λ"1) · 1/2， ξ 3= η ^1/2)-1(1), ξ 4= η 2(1/2)-1^(1)+1 ⑴· 1/2 ; ψχ(x)cLx = A1 (χ), [ φ^χ^,?χ??χ = λ?(χ) , J p(x)dx = /7,(χ) > ?〇 p(x)(/xdx = η^(χ)； 56、 当所述船体梁正向塑性变形达到最大即α (t)达到最大值时，其正向塑性变形阶 段结束，进入反向弹性卸载，根据公式{^卜:':::+ ^::广^::"細船体梁反 |α(〇(χ-/ / 2) + 〇\(x)If U) = φ,(λ-)//(/) 向弹性卸载过程的运动幅值H(t); 57、 在船体梁反向弹性变形过程中，当梁中点弯矩绝对值超过塑性极限弯矩Ms绝对值 时，船体梁进入反向塑性运动，求解梁进入反向塑性变形后的运动幅值H/ (t)和相对转动 的转角a i⑴：
58、 当所述船体梁反向塑性变形达到最大即ai(t)达到最大值时，其反向塑性变形阶 i Ori (t)(x -1 / 2) + φ, (x)ift (t) = φ. (χ)//. (r) 段结束，进人正向弹性卸载，根据/ A 求解船体梁正向弹 I?, (〇(x- / / 2) + φχ(X)N1 (/) - (X)Zfl(I) 性卸载阶段的运动幅值H1 (t)。
2.-种水下爆炸作用下舰船整体弹塑性运动响应预测系统，其特征在于，所述系统包 括： 第一模块，用于将舰船等效为等截面自由船体梁，由此将对舰船运动响应的预测等效 为对自由船体梁运动响应的预测； 第二模块，用于将水下爆炸作用下自由船体梁载荷压力过程划分为五个时间阶段，采 集冲击波压力峰值Pm、气泡脉动阶段负压峰值Pb、气泡第一次脉动压力峰值Ps;所述五个时 间阶段为：〇 < t < t < t 2、t < t 3、t < t 4、t < t 5;其中 t i= Θ， 850 20 & -尸 " , 10.6 1.51 -R 0为冲击波衰减常数；匕=(^-$ + ").丁尸。=^ ? = 11.4-i + ^Γ r =; ro "n I， ratm， r r ， Γο， Ptl为炸药处静水压力，P atD1为大气压，C为水中声速，r C1为装药半径，R为爆距； m1/3 r mm 匕=2·丨丨W/p 3290T^f; /4=2·Π ^/ρ ，叫为装药当量，P w为水的密度，g 为重力加速度；^ =329g^T + W 第三模块，用于求解自由船体梁在水下爆炸五个时间阶段内的运动位移w(X，t):
其中，X为自由船体梁任意点处的横坐标值，4 =-- ? k2= t 2-?!， β--丄 β = ?ρ[2 ^ ~=/t、=32%+，q(x)为自由船体梁第一阶固有振形， 灼(x) = 〇in(+)-cos(+) + .s'/z(^·)-r/2(f )]，其中为振形幅值，μ i为梁运 动频率参数，1为自由船体梁长度；〇丨、W、《丨1、#、α〖π、6/11、<、#、<、￥ 为五个时间阶段的积分常数，O1为自由梁的一阶振形固有频率；φ A积分常 f P(X)灼(Λ.)?τ 数，《~;-，m为考虑附连水质量的单位梁长度质量，ρ(Χ)为自由船 ^ηιφ[ {x)dx 体梁不同时间阶段压力分布特征函数，对于〇彡t < ti、ti彡t < t2时间阶段， jj^l.13 厂⑴二Γ~?- 、丨.丨;对于第t2< t < t 3、t3彡t < t 4、t4< t < t 5时间阶段， Jr- +(x-i /2)- ,、 ,.2x -/' 「 2.x - I. ^ . 2.x - I \ ,2/ -2x、i<； 2.x - I. /;⑴=(I - --)-exp[-8(^-)- +4(-^-) ] + (-^-V 第四模块，用于根据船体梁在五个时间阶段的弹性运动位移w(x，t)，求解船体梁在不 同阶段的速度和弯矩值； 第五模块，用于当所述船体梁中点弯矩绝对值超过船体梁塑性极限弯矩Ms绝对值时， 判断船体梁进入正向塑性运动，求解船体梁正向塑性运动时的运动幅值H'（t)和相对转动 的转角a⑴：
第六模块，用于当所述船体梁正向塑性变形达到最大即α⑴达到最 大值时，判断船体梁正向塑性变形阶段结束，进入反向弹性卸载，根据公式 ? a(t)(x-l / 2) + φΛχ)ΙΙ (t) = φ, (x)Il(t) . /VV/V求解船体梁反向弹性卸载过程的运动幅值H(t); (a{t)(x -1! 2) + φ, (x)/1 (〇 = φγ {χ)Π (/) 第七模块，用于在船体梁反向弹性变形过程中，当梁中点弯矩绝对值超过塑性极限弯 矩札绝对值时，判断船体梁进入反向塑性运动，求解梁进入反向塑性变形后的运动幅值 H/ (t)和相对转动的转角Ci1 (t):
弟八模块，用十当所述船体梁反冋塑性变形达到最大即a i (t)达到 最大值时，判断船体梁反向塑性变形阶段结束，进入正向弹性卸载，根据 卜T 7^ = ^ .求解船体梁正向弹性卸载阶段的运动幅值H1⑴。 [GT1 (t)(x-112) +Φ,(X)Ifl (J) = φ,(X)Iii(t)
【专利摘要】本发明公开了一种水下爆炸作用下舰船整体弹塑性运动响应预测方法及系统，方法包括步骤：S1、将舰船简化为等截面自由船体梁；S2、将水下爆炸作用下自由船体梁载荷压力划分为五个时间阶段；S3、求解自由船体梁在水下爆炸五个时间阶段内的运动位移；S4、求解船体梁的弯矩；S5、求解船体梁正向塑性运动参数；S6、求解船体梁反向弹性卸载运动参数；S7、求解船体梁反向塑性运动参数；S8、求解船体梁正向弹性运动参数。本发明还提供了实现上述方法的系统。本发明在综合考虑冲击波和气泡载荷对舰船总体的冲击作用的基础上分析舰船塑性运动过程，可以准确且简便地实现对水下爆炸作用下舰船整体弹塑性运动变形的工程预报。
【IPC分类】G06F19-00
【公开号】CN104657611
【申请号】CN201510081205
【发明人】李海涛, 朱石坚, 何其伟, 牟金磊, 楼京俊, 王晓强, 刘锦春
【申请人】中国人民解放军海军工程大学
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2015年2月14日