声学覆盖层对潜艇抗水下爆炸能力的影响研究

为提高潜艇的隐身性能,潜艇壳体表面常敷设声学覆盖层结构.声学覆盖层常设有各类空腔等特殊结构形式,在受到水下爆炸冲击波时,空腔很容易产生变形并吸收能量,对潜艇的抗冲击性能产生影响.采用复合板单元的等效方法,针对敷设声学覆盖层的潜艇的抗冲击性能进行研究,得到了声学覆盖层对潜艇破坏环境、冲击环境的影响规律.研究表明,声学覆盖层将增加艇体结构对冲击波能量的吸收,使潜艇的破坏环境变坏,并使潜艇典型部位的设计冲击谱增大,但随着声学覆盖层的敷设方式不同,典型部位的设计冲击谱变化也各不相同.     

覆盖层加筋板结构水下抗爆性能对比试验研究

为提高潜艇的隐身性能,潜艇壳体表面常敷设声学覆盖层结构。声学覆盖层常设有各类空腔等特殊结构形式,在受到水下爆炸冲击波时空腔产生变形并吸收能量,对潜艇的抗冲击性能产生影响。分别对不同覆盖层及无覆盖层的加筋平板试件开展水下抗爆炸性能对比性试验研究。通过试验获取各加筋平板试件典型部位的加速度、应变响应。比较不同覆盖层对加筋平板结构的实际抗冲效果,为今后声学覆盖层的抗冲设计和研究提供参考。     

空气隔层对水下爆炸冲击波的缓冲效应

由于水下爆炸对结构的破坏能力比空中爆炸要强得多,因此针对水下结构的防护越来越受到重视。根据一维应力波在不同介质交界面的透射反射理论,从理论上分析了低波阻抗介质(如空气)对水下爆炸冲击波传播的影响。通过建立含空气隔层的水下爆炸全耦合模型,考虑水下爆炸冲击波与空气隔层及爆轰产物的动态相互作用,研究了空气隔层对水下爆炸冲击波的缓冲效应,揭示了空气隔层的运动发展过程。同时分析了空气隔层厚度及位置对水下爆炸冲击波缓冲效应的影响。结果表明:空气隔层距防护对象越近,防护效果越佳,具有重要的工程应用价值。     

软弱夹层对爆炸应力波传播过程的影响研究

针对含软弱夹层岩体爆炸应力波的传播过程,采用数值模拟的方法,探讨了软弱夹层厚度、位置及角度对爆炸应力波传播的影响规律。研究结果表明:爆炸应力波在软弱夹层界面处发生反射,产生的拉伸应力波使应力波能量在迎波面汇聚,加剧该部分岩体的破坏程度。随着软弱夹层厚度的增加,前方岩体拉应力峰值增长作用由近迎波面岩体向炮孔周边岩体传播,拉应力峰值增长率逐渐提高;同时,夹层阻隔作用增强,后方岩体有效应力峰值衰减加快。软弱夹层与起爆中心的间距减小使得夹层前方岩体拉应力峰值显著增长,而对夹层后方岩体的阻隔作用逐渐减弱。应力波能量主要汇聚在软弱夹层的垂直方向,致使岩体爆破产生的裂缝偏离水平测线方向而向软弱夹层法线方向发展。研究成果可用于指导类似地层隧道爆破施工设计。     

地应力对混凝土材料中爆炸应力波传播影响规律研究

为研究山体、坝体等自然环境下不同地应力水平对爆炸应力波传播的影响,采用数值模拟技术对不同地应力条件下混凝土试件进行爆炸模拟试验。通过对混凝土试件边界处施加不同大小的应力,观察了在不同地应力下试件承受爆炸荷载后的破坏现象;通过改变模型单边地应力数值设置对照组,随后对不同模型施加相同爆炸荷载,得到了试件中各预设的4个测点的峰值应力及质点运动速度。借助试验中测点峰值应力与质点运动速度等爆炸波特征参数的变化,进而分析了不同地应力大小对爆炸应力波传播的影响。结果表明：地应力对爆炸应力波的影响主要表现为在高地应力水平下的“抑制传播”与低应力水平下的“促进传播”。爆炸过程中,爆炸应力波与地应力的叠加耦合增大了测点峰值应力强度,反之,高地应力抑制了介质颗粒的位移,从而降低了质点运动速度。研究从不同地应力水平对爆炸应力波的传播影响角度入手,创新性地分析了地应力对应力波的抑制作用,其结果可为深地下钻孔爆破过程中破坏区的预判,地下结构抗爆防护等方面提供一定的理论依据。     

爆炸过程中的应力波

通过对爆炸过程进行分析,运用质量和动量守恒原理,导出了爆炸过程中应力波传播规律;随着介质质点距装药中心距离的增大,应力波幅值在衰减,应力波波形在变化,其传播速度也在减小。通过对球形装药爆炸后应力波传播过程的数值模拟,可以形象地说明上述传播规律。     

椭圆柱空腔吸声覆盖层的声学特性

采用波导有限元方法（WFEM）分析了共振腔型吸声覆盖层内轴向波的传播和损耗特性,以椭圆柱空腔吸声层为例,在保持穿孔系数不变的前提下,分别从轴向波传播和波型转换的角度分析了空腔形状改变吸声覆盖层声学特性的机理。在此基础上,结合波导有限元方法和传递矩阵（TM）建立了变截面空腔吸声覆盖层的分析模型,以圆台空腔吸声层为例,与二维解析方法对比验证了WFEM-TM方法的正确性,并讨论了椭圆台空腔吸声层的声学特性。     

分层多孔抗冲覆盖层水下爆炸响应分析

针对芯层为分层多孔泡沫的抗冲覆盖层在水下非接触爆炸冲击波作用时的响应进行了理论分析。对比了分层覆盖层与均匀覆盖层的冲击防护效果。结果表明:在同样的入射冲击波作用下,分层多孔覆盖层能有效降低覆盖层的厚度,抵抗更强的冲击波;但是,分层多孔覆盖层传递到被保护结构的应力要大于均匀覆盖层。该研究结果能为梯度覆盖层的设计提供参考。     

敷设覆盖层圆板水下爆炸响应理论计算方法研究

为研究敷设覆盖层圆板水下爆炸响应,提出一种理论计算方法。敷设覆盖层对圆板水下爆炸响应影响包括两方面:一为对冲击载荷的影响,二为在冲击载荷作用下对响应的影响。该理论计算方法运用波在多层介质传播理论得到湿表面压力,并积分得到冲量,运用等效均一化理论得到覆盖层与钢板整体结构的等效参数,根据圆板振动理论得到圆板真空振动方程,通过考虑水附加质量的影响修正圆板振动频率,最后根据初始条件得到圆板的响应。将理论方法的结果与有限元结果通过实例进行对比,证明该理论计算方法可以很好地预测圆板振动的位移响应。     

机械激励下的板件声学包装中频段插入损失研究

提出了一种混合FE-SEA模型用于预测机械激励下声学包装的中频段插入损失,与验证试验进行对比,其准确性得到了验证。基于此模型,通过改变两种典型的声学包装的设计参数,得到了其插入损失随设计参数变化的规律,即决定插入损失峰谷值频率特性的敏感要素是对整体模态特性影响最大的参数;最后给出结论,当机械激励下的结构声传播为主要传播路径时,板件应选择覆盖层为均匀质量层的声学包装     

含铝炸药近场水下爆炸冲击波的实验及数值模拟

含铝炸药能改善能量的输出结构,增强爆轰产物的做功能力,将其应用于水下爆炸,能显著提高水中兵器的爆炸威力和毁伤能力。基于电测法采用PVDF压力传感器开展含铝炸药RL-F和TNT近场水下爆炸冲击波实验,并采用耦合欧拉-拉格朗日(CEL)法对其进行模拟;通过将仿真结果与实验值及经验值对比,结果表明采用合理的边界条件、计算参数和有限元模型,CEL方法能准确地模拟含铝炸药和TNT近场水下爆炸冲击波的传播过程;含铝炸药近场水下爆炸冲击波压力衰减速率相对于TNT较缓慢。在验证数值模型合理性的基础上,将数值结果拟合得到TNT近场水下爆炸冲击波峰值压力在6倍装药半径内以及含铝炸药峰值压力在一定比例距离范围内的近似回归公式。     

水下爆炸气泡载荷在加筋板塑性变形中的作用

水下爆炸产生的冲击波载荷和气泡载荷都会对水中结构产生毁伤作用。为研究水下爆炸气泡载荷在加筋板塑性变形挠度中所占的比例,利用通用有限元软件Abaqus/Explicit对加筋板模型在水下爆炸载荷作用下的动态响应进行了一系列数值仿真。载荷计算采用了Geers-Hunter模型,材料本构采用了Johnson-Cook模型,将部分计算工况与试验结果比较,两者吻合较好。通过分析计算结果可以看出在气泡载荷在加筋板塑性变形中的比重主要受爆距影响,爆距越小,所起的作用越大。所以,在水下近场爆炸计算中,气泡载荷引起的塑性变形不容忽视。     

基于SPH-FEM方法的水下近场爆炸数值模拟研究

针对结构水下近场爆炸载荷作用响应求解难点,通过改进的三维轴对称光滑粒子流体动力学方法(Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH)计算获得近场爆炸载荷后传输给非线性有限元软件ABAQUS,利用声固耦合模型对结构响应进行时域非线性计算,形成预报水下近场爆炸载荷对结构毁伤的SPH-FEM模型,实现从药包起爆、结构大幅变形、局部撕裂直至完全剪切破坏的全过程模拟,对载荷时历曲线进行试验验证。计算背空矩形钢板在近场爆炸载荷的响应表明,数值结果与试验值吻合良好。SPH-FEM模型计算效率高、可操作性强,易推广至大型复杂结构受水下近场爆炸毁伤的分析与评估。     

水下冲击波作用的铝合金蜂窝夹层板动力学响应研究

为研究铝合金蜂窝夹层板水下爆炸冲击波载荷作用的动态响应及抗冲击性能,利用非药式水下爆炸冲击波加载装置对气背固支5A06铝合金夹层板及具有相同面密度的单层板进行水下冲击波加载试验。利用高速相机结合三维数字散斑技术(DIC)对夹层板后面板动态响应进行实时测量,获得夹层板气背面受水下冲击波作用的动态响应历程及变形毁伤模式,比较分析铝合金蜂窝夹层板抗冲击防护性能。结果表明,较相同面密度的单层板,蜂窝夹层板受水下冲击波载荷作用的芯层压缩能有效减少气背面板的塑性变形,提高夹层结构整体抗冲击性能。     

多次水下爆炸钢制圆板应变与挠度增长规律分析

在海上战争中,水面舰艇以及潜艇可能会受到多枚水中兵器的攻击,产生的累计损伤问题影响着水面舰艇以及潜艇的持续作战能力和生命力。对膨胀直径为390 mm,厚度为5 mm空气背衬钢制圆板,在50 g药量下,进行持续多次水下爆炸加载试验,对板中心应变、挠度以及厚度减薄率进行测量,试验结果分析表明:第一次爆炸加载时,局部空化使钢板产生的应变是冲击波加载的1倍,当钢板被炸弯后,再次爆炸加载局部空化的二次加载现象不明显。此外,气泡脉动及气泡射流会使钢板发生明显的弹性应变,应变值是初始冲击波作用的10%。对中心挠度和厚度减薄率的数据分析发现,钢板厚度减薄率是随着中心挠度呈线性增加的。该研究对舰船持续作战能力及生命力的评估提供了一定的试验支撑。     

多次水下爆炸作用下钢板与焊接钢板冲击损伤特性

为了研究舰船结构在多次水下爆炸载荷作用下的抗爆抗冲击能力,基于水下爆炸鼓胀试验分别开展了5 mm、12 mm的船用A32背空钢板及焊接板的多次水下爆炸试验,得到了钢板与焊接板的塑性变形历程,测量并计算了钢板与焊接板受冲击区域沿半径各点处的挠度及厚度减薄率,分析了钢板与焊接板的塑性变形规律。结果表明:多次水下爆炸载荷作用下,焊接板与钢板的塑性变形形貌呈类球冠形,二者的厚度减薄率从中心位置到边界处呈先减小再增大的趋势,但焊接板的挠度小于钢板的挠度。A32钢板的变形模式主要为弯曲和拉伸变形,焊接板以弯曲变形为主。持续增加的水下爆炸载荷导致钢板中心位置与边界处拉伸断裂,而焊接板的焊缝及其热影响区发生脆性断裂。     

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。     

碳纤维增强复合材料层合板Lamb波衰减特性研究

为提取适用于碳纤维增强复合材料层合板声发射故障诊断的模态信号,利用三维弹性理论及传递矩阵法获得Lamb波的频散曲线。以碳纤维增强复合材料层合板为研究对象搭建实验平台,改变断铅激励位置从而获得不同声发射信号。对采集的声发射信号进行小波尺度谱分析,结合频散曲线分离出不同模式的Lamb波,分别研究其不同频率的幅度及能量衰减特性。实验结果表明,较其它信号,低频率S0波幅度信号衰减速度较低,对碳纤维增强复合材料层合板的声发射故障诊断研究具有较大优势。     

空气层对RDX水下爆炸性能影响的实验研究

为了探究空气层对RDX爆炸性能的影响,采用水下爆炸实验测出含不同体积空气层的RDX水下爆炸参数,结果表明,空气层对水下爆炸参数的衰减作用显著。在相同不耦合系数K下,R_1和R_2处的比气泡能大小近似相等,分析认为比气泡能仅与炸药产生的爆生气体有关,与冲击波传播的距离无关。在R_1=0.8 m处,不耦合系数K为1～7时,峰值压力显著降低,通过实验结果拟合得到RDX的峰值压力经验公式;当K为7时,对RDX药柱冲量的影响较小,相反地,峰值压力、比冲击波能、比气泡能、水下爆炸总能量分别降低了46.62%、42.98%、37.26%、40.03%。同时,对空气层衰减RDX水下爆炸性能机理进行了分析,总结并提出一种全新的水下冲击波调节方法。