箱形梁在水下近距非接触爆炸作用下的整体毁伤研究

为了研究舰船在水下近场爆炸作用下的整体毁伤模式,根据相似原则设计了两种箱形梁模型,将TNT炸药置于模型中部正下方爆炸,通过改变爆距和药量来研究试验模型在不同爆炸工况下的整体运动特性,并利用高速摄影仪观察模型的动态响应过程.试验研究发现:在梁模型一阶湿频率与气泡脉动频率相近的条件下,气泡脉动会激起结构明显的整体弯曲运动;当爆距与最大气泡半径之比为1～1.5时,梁结构会发生中垂破坏,形成一个或两个塑性绞;当爆距与最大气泡半径之比为2～4时,梁结构会发生鞭状运动响应;水下爆炸气泡对水面结构的整体毁伤作用大于初始冲击波。     

水下爆炸球面冲击波作用下船体梁的刚塑性动响应特性

将船体整体结构简化为理想刚塑性等截面直梁,推导了梁上冲击波壁压的理论公式,并对其进行试验修正,给出了修正系数的经验公式。以炸药在船体中部正下方爆炸的工况为研究对象,提出了一种计算船体梁在球面冲击波作用下发生刚体运动或塑性运动的近似理论方法,并通过船体梁模型试验验证了理论方法的正确性,最后利用该理论方法深入讨论了船体梁的塑性运动特性。结果表明:在冲击波作用时间内,船体梁的塑性运动过程是在整体刚体运动的基础上叠加了一个塑性变形转动;相比减小爆距而言,通过增加药量来增大塑性变形的效果要偏小;就舰船整体结构安全而言,适当减小船长比增加船宽会有更好的抗冲击变形效果。     

基于双渐进方法的水下爆炸气泡载荷作用下舰船的动态响应分析

通过建立一套有限元方法与双渐进方法（DAA）相结合的计算程序,研究了水下爆炸气泡作用下舰船模型的动态响应。阐述了水下爆炸气泡与水面舰船结构之间的流固耦合理论分析。分别建立了一个考虑气泡迁移,自由面效应和气泡阻力的气泡模型和一个水面舰船船体模型。研究了气泡作用下船模的总体响应和局部响应。得到了不同位置的加速度,速度和位移时程曲线。详细讨论了水下爆炸气泡作用下船模总体响应和局部响应的特征与机理。     

船体梁在近距爆炸冲击波作用下动态响应的相似律研究

以船体梁在爆炸冲击波作用下发生整体塑性运动响应的理论方法为基础,首先确定了影响梁整体结构最终塑性变形的相关物理量,利用定律对该问题进行相似性分析,给出相似参数和准确相似条件。研究了考虑结构应变率强化效应造成的相似畸变问题,分析了模型缩比尺度、模型应变率大小以及不同结构材料对相似误差的影响。研究发现:随着缩比尺度的减小,或结构应变率响应值的增大,预报误差将增大;所用结构材料的应变率敏感度越高,模型预报原型的误差越大。结论可用于指导船体梁在水下爆炸冲击波作用下动态响应的模型试验设计。     

冲击波作用下舰船刚体运动响应

在非接触水下爆炸冲击波载荷作用下,较小的船体或者刚度较大的船体会产生很大的刚体运动响应。以Taylor平板公式为基础,考虑横剖面运动的附加质量,建立二维横剖面在非接触水下爆炸冲击波作用下的运动方程。在此基础上,计算某艇在水下爆炸冲击波作用下的刚体响应,与实验结果比较一致,表明该方法可用于预报水下爆炸冲击波作用下船体的刚体响应。     

爆炸荷载作用下承重柱的弹性动力响应分析

为了建立爆炸荷载作用下承重柱构件的弹性动力响应分析方法,进一步奠定研究承重柱非线性抗爆响应和破坏形态的理论基础,该文将承重柱简化为承受轴向荷载的约束梁构件,并基于经典Timoshenko梁理论,通过建立等效频率矩阵、等效荷载向量矩阵以及修正的等效质量矩阵,采用变量分离法联立方程求解,推导出承受恒定轴力的Timoshenko梁在任意横向爆炸荷载作用下的弹性动力响应的解析解;并以此弹性解析方法为基础,进一步分析讨论了爆炸荷载作用下,长细比、初始轴向应变、端部约束条件及荷载参数等因素对承重柱弹性动态响应的影响,研究结果对钢柱或钢筋混凝土柱(RC柱)的抗爆分析与设计有参考作用。     

垂直刚性面边界条件下水下爆炸气泡运动的理论研究

为研究垂直边界面对水下爆炸气泡脉动的影响，根据势流理论建立了垂直边界面奈件下水下爆炸气泡运动的理论模型，编制计算程序进行求解。对水下爆炸气泡脉动运动的特点、流场的速度及压力的分布、气泡引起的栽荷形式进行了分析，结果表明，此模型能够反映水下爆炸气泡和周围流体介质的运动规律，并能进行定量的计算。     

舰船静置爆炸气泡时总纵强度计算方法研究

新型“大气泡能”概念武器在水下爆炸能产生大气泡，对船体总纵强度造成很大影响，有可能使舰体发生纵向折断或倾覆。为研究这种作用，建立了舰船静置爆炸气泡时总纵弯曲强度的理论计算方法。采用静置爆炸气泡的假设，将气泡产生的浮力损失和压力差转化为等效载荷，计算气泡作用后船体的总纵弯矩和剪力并进行强度校核。以某舰艇为例进行计算，结果表明，爆炸气泡作用下船体的剪力和弯矩比静浮状态增大很多，船体发生纵向折断破坏的危险性也随之增大。     

基于CEL法的破损边界附近气泡动力学特性研究

为研究船舶受到水下爆炸冲击波打击后遭受气泡二次冲击,对船体产生破损甚至折断这一类问题,气泡与破损边界的相互作用机理。将破舱壁面简化为具有圆形破口的弹性壁面,基于耦合欧拉-拉格朗日法建立了破损边界附近水下爆炸气泡动力学模型,将数值结果与模型试验结果进行对比,验证了所建立方法的有效性。在此基础上,研究了气泡射流、气泡体积、脉动周期,以及气泡对壁面冲击损伤的影响,探明了不同破口参数下气泡的脉动规律和射流穿透破口、撕裂等特征规律。为高能武器的研发和舰船破损后安全防护提供理论和技术支撑。     

水下爆炸载荷作用下细长体圆柱壳结构鞭状响应

采用2阶DAA流固解耦技术,对水下爆炸载荷作用下细长体圆柱壳结构的鞭状响应进行分析研究。经模型试验验证后,对细长体圆柱壳梁模型随不同药包爆炸方位、不同爆距及不同低频振动频率耦合程度变化时的鞭状响应进行计算,揭示圆柱壳梁模型在水下爆炸载荷作用下的总体低频运动特性及鞭状响应规律,为研究细长体圆柱壳结构在水下爆炸载荷作用下的鞭状效应总体损伤提供试验基础及理论方法。     

水下爆炸冲击波作用下舰船总纵强度工程预报方法

水中兵器战斗部在水面舰船和潜艇附近爆炸对船体的总纵强度毁伤是目前国际上研究的前沿和热点。基于Taylor平板理论,计及自由液面截断效应,对船底表面处的耦合压力进行修正,推导并建立船体梁爆炸冲击弯矩的理论与计算方法,提出一套用于水下爆炸作用下船体梁总纵强度估算方法。通过实验数据验证理论方法的正确性。结合理论方法开发相应的总纵强度预报软件,为舰船在冲击波载荷作用下的总纵强度工程化预报提供参考。     

远场水下爆炸作用下舰船设备冲击响应一体化动力学模型

提出了一种远场水下爆炸作用下舰船设备冲击响应一体化动力学模型。该模型将动态设计分析方法(DDAM)与Taylor平板理论相结合,使得对舰船设备冲击响应分析更为高效。将船体外壳看做平板,将船体各层甲板和设备看做附加在平板上的多个质量,将水下爆炸冲击波看做指数衰减波,形成了一维分析模型。能够根据水下爆炸当量、爆距、舰艇吨位、总尺度、结构和设备质量与支撑刚度等参数预测舰船与设备的冲击响应。预测结果与舰船缩比模型水下爆炸试验结果进行了对比。从总体上看,船体冲击响应谱的趋势和量级一致。     

等效爆炸载荷下FRP船体结构的性能比较

水下爆炸对船体的作用一是直接压力,另一个是使船体产生加速度,而且,不仅仅是船体产生加速度,其附加质量(也称附连水质量)也产生相应的加速度,即:爆炸要同时改变船体和附加质量的动量和动能。水下爆炸作用下结构物的相应研究极其复杂,计算量极大。该文以复合材料船体结构形式选型为目的,根据能量原理、动量原理和达朗贝尔原理,将爆炸载荷等效为静载。研究5种船体构造形式对此等效静载的响应,据此选择船体结构形式。5种船体型线相同,结构形式分别为单板横向加筋、单板纵向加筋、单板双向加筋、硬壳式和夹层式结构,在船体所受外载相同,船体重量相等的条件下,通过有限元法,分析等效水下爆炸载荷下船体的响应与性能。根据船体的应力与变形分析,对其强度、刚度、剖面模数及综合性能进行比较,为结构选型提供数值分析依据。挑选出既符合结构性能,又能满足使用要求的结构形式。     

Dynamic plastic response of a submerged free-free beam to an underwater gas bubble

Summary.  The dynamic plastic response of a submerged free-free beam to an underwater explosion bubble is studied in this paper. A fluid-structure analysis is given to find the fluid force acting on the beam. Assuming that the beam is made from rigid, perfectly plastic material, we obtain the hydroplastic equation governing the dynamic plastic deflection of such a beam. The equation is analytically solved. Examples are given to discuss the features of the dynamic plastic response. It is observed that longer beams sustain larger plastic deformations than shorter beams, but shorter beams undergo larger rigid body motion than longer beams. Most of energy is consumed on plastic deformation rather than on rigid body motion. It is impossible, however, for more than three hinges to form on the beam. Received May 23, 2002; revised October 22, 2002 Published online: April 17, 2003     

水下爆炸气泡运动对水面形态影响的数值模拟

为了研究水下爆炸气泡运动对水面形态的影响,使用LS-DYNA软件,基于ALE算法,建立了水下爆炸气泡运动模型,讨论了不同装药水深距离参数条件下,不同类型水冢的形成过程及其特性、气泡运动特性和产生的水面波动特征。结果表明:在水下爆炸过程中,随水深距离参数的增大,水下爆炸形成的水冢类型依次为零碎型、飞溅型、酒杯型、皇冠型;同时爆炸产生的气泡最大半径也是随着水深的增大而减小,气泡脉动周期则相反;水面波动的特征主要与水冢的形成过程密切相关,不同类型的水冢所产生的水面兴波的机理不同。     

船体箱形截面梁设计及抗爆性能分析

在船体构件上应用箱形梁设计,能提高结构的纵向强度,具有利于保护重要管道和线缆、提高建造速度、利于质量控制和方便维修等优点。但是,国内外目前都是局部运用箱形梁结构,并未全船性设计使用,在此以某常规船体为基础,针对提高船舶抗爆性能和保持生命力的设计要求,全船性使用箱形梁。这种船体结构使钢制箱形梁承担全部的总强度,而船体型线和必要的使用刚度由轻质高强的复合材料板材来保证,实现局部强度与总体强度的解耦。在ABAQUS软件中基于声固耦合法,对船体水下爆炸响应进行分析,证实箱形梁结构具有较好的抗爆性能。最后对船体箱形梁进行优化设计,进一步提高抗爆能力。     

水下爆炸载荷作用下加肋圆柱壳应变响应研究

采用加肋圆柱壳结构模型模拟潜艇结构,对其在水下爆炸冲击载荷作用下的响应过程进行试验研究。结果表明:采用应变测量的方法对结构进行模态分析是可行的;受附连水质量的影响,加肋圆柱壳结构的低阶湿模态频率较干模态频率显著下降;在爆炸载荷作用下,距离爆炸点越近结构承受的冲击作用越严重,越容易产生塑性破坏;应变的最大响应是冲击波载荷和一次脉动压力载荷共同作用的结果,第二次脉动压力对结构的动态应变响应贡献不明显。     

水下爆炸船舱冲击响应时频特征的小波包分析

设计了带设备双层隔振系统的双层底船舱抗爆结构,进行了水下爆炸冲击试验。应用小波包分析方法,研究了水下爆炸压力和船舱冲击响应的时频分布规律,得到了船舱冲击响应时频特征与冲击环境之间的关系。研究结果表明:水下爆炸压力出现冲击波、滞后流和二次压力波过程,含有丰富的频率成分;冲击波主要作用在1kHz以上的高频段,易造成舰船局部结构的破损;滞后流主要作用在10Hz―1kHz的中频段,是舰船设备隔离系统产生冲击振动的主要来源;二次压力波主要作用在100Hz以下的低频段,会加速设备隔离系统的冲击响应;带设备双层隔振系统的双层底船舱抗爆结构,能有效提高船舶的抗爆性能。     

敷设不同覆盖层圆板结构水下抗爆响应特性

在舰船壳体湿表面敷设柔性覆盖层是一种能有效提高其抗冲击性能的方法。多孔蜂窝覆盖层受爆炸冲击波载荷作用后胞元孔壁易于压溃,有效地分散冲击波能量,大幅度减少响应前期阶段的入射冲量,屈曲变形会吸收大量能量。水下爆炸试对于揭示模型的抗冲击机理起着重要的作用。总结对敷设不同覆盖层-圆板结构的水下爆炸响应特性的试验研究。考察有无柔性覆盖层对结构响应的影响,同时解释水下冲击波、气泡对柔性覆盖层的作用过程及覆盖层的抗冲机理。     

动水压下减震连续梁桥随机优化及减震性能研究

地震作用下,跨海桥梁桥墩和周围水体的动力相互作用将对桥梁结构的动力响应产生较大影响。建立了考虑动水压力的2自由度连续梁桥简化分析模型,推导了其组合刚度和附加质量;提出了以墩顶位移方差最小为目标的黏滞阻尼器参数随机优化的Lyapunov方法。在此基础上,通过对设置黏滞阻尼器的某跨海连续梁桥简化模型进行了阻尼器参数优化,研究了动水压力和地震耦合作用下连续梁桥的减震性能。研究结果表明:动水压力增大了桥梁的地震反应,对桥梁的动力响应特性有较大影响。采用黏滞阻尼器可有效减小跨海连续梁桥的地震反应,改善桥梁结构抗震安全性能。