[发明专利]考虑阻尼效应的水下爆炸作用下舰船运动响应预测方法

说明书

本发明公开了一种考虑阻尼效应的水下爆炸作用下舰船运动响应预测方法，包括：将舰船简化为等截面自由船体梁；建立考虑结构阻尼的船体梁的强迫运动控制方程，根据强迫运动控制方程确定考虑结构阻尼时不同压力阶段内梁的运动位移函数；根据预置的无因次阻尼比参数以及不同压力阶段船体梁长度方向上的压力分布函数确定船体梁运动变形的主坐标函数；计算对应压力阶段内船体梁的运动位移函数，并根据所述运动位移函数求解船体梁在不同压力阶段的变形参数；确定船体梁在不同运动变形过程的运动幅值和相对转角；本发明在考虑阻尼效应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结构运动变形的工程预报，降低预测误差。

技术领域

本发明属于舰船结构抗水下爆炸冲击运动预测技术领域，更具体地，涉及一种考虑阻尼效应的水下爆炸作用下舰船运动响应预测方法。

背景技术

现代驱护舰船细长型的设计特点导致其一阶湿频率约为几个赫兹，与鱼、水雷等水中爆炸后的气泡脉动频率接近，爆炸气泡和舰船之间会形成强烈的耦合作用，并导致舰船发生整体鞭状运动响应。在中远场爆炸下，这种运动响应表现为耦合弹性共振；在近场爆炸下，舰船则会发生整体塑性大变形，造成船体板架撕裂、屈曲甚至整体折断、沉没，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案列。可见，实现对水下爆炸作用下舰船整体鞭状运动响应的准确预报，对于提升水中兵器攻击效能及舰船抗爆抗冲击设计水平均具有重要意义。而为了实现此目标，阻尼是不可忽略的重要影响因素。

在早期关于舰船整体运动响应的研究中，为简化问题，学者们一般忽略初始冲击波和阻尼的作用，重点关注水下爆炸气泡作用下舰船的一般运动规律。从物理过程而言，初始冲击波发生在气泡脉动之前，其造成的结构变形应当作为后续气泡所造成结构变形的初始计算条件，特别对于水下近场爆炸，更不应忽略冲击波对舰船整体变形的影响。申请号201510081205.1的发明专利“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”，其虽然公开了一种完整考虑爆炸冲击波和气泡联合作用的舰船整体弹塑性运动响应预测方法，但是在整个计算过程中并未考虑阻尼作用对结构整体变形的影响，导致舰船整体结构变形预测的准确性大大降低；研究人员发现，若忽略舰船结构响应时的阻尼效应，其整体变形预报误差将达到30％以上。

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，同时计及阻尼效应的水下爆炸下舰船鞭状运动响应预报的方法或模型。

发明内容

针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种考虑阻尼效应的水下爆炸作用下舰船运动响应预测方法，其目的在于解决现有预测方法存在的舰船结构变形预测误差大的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种考虑阻尼效应的水下爆炸作用下舰船运动响应预测方法，该方法包括：

S1：将舰船简化为等截面自由船体梁，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；其中，简化过程需满足以下两个原则：

保持原型和模型总纵惯性矩几何相似；

以及，舰船结构和炸药按相同尺度几何缩比后，保持模型一阶湿频率与缩比药量的爆炸气泡脉动频率吻合。

S2：将水下爆炸冲击波和气泡载荷压力曲线简化为不同的压力阶段，建立考虑结构阻尼的船体梁的强迫运动控制方程，所述结构阻尼包括材料阻尼和流体粘滞阻尼；根据所述强迫运动控制方程确定考虑结构阻尼时不同压力阶段内梁的运动位移函数；

S3：引入无因次阻尼比，根据预置的无因次阻尼比参数以及不同压力阶段船体梁长度方向上的压力分布函数确定船体梁运动变形的主坐标函数；

S4：基于水下爆炸作用下船体梁振动的固有振型函数以及不同压力阶段船体梁运动变形的主坐标函数计算不同压力阶段内船体梁的运动位移函数，并根据所述运动位移函数求解船体梁在不同压力阶段的变形参数，所述变形参数包括速度、加速度以及弯矩；