非理想炸药水下爆炸载荷传输特性对气背板结构响应的不确定度研究

为准确评估非理想炸药水下爆炸载荷传输过程中不确定度对舰船结构的毁伤效果的影响程度,该文采用误差分析理论推导出非理想炸药水下爆炸载荷中峰值压力和时间衰减常数的不确定度对气背板结构初期响应的影响规律。结合理想炸药与非理想炸药水下爆炸试验数据,研究结果表明:非理想炸药水下爆炸冲击波峰值压力和时间衰减常数的不确定度明显高于理想炸药的载荷不确定度,并且能够对0.01 m厚度的气背钢板结构初期响应产生7%~9%的相对不确定度,在评估非理想炸药水下爆炸对舰船结构毁伤效果时值得注意。     

水下和空中爆炸时混凝土重力坝动态响应对比分析

由于水和空气的物理属性差异以及与爆炸产物的界面作用效应不同,使得水下和空中爆炸冲击波传播特性及其荷载作用下的大坝结构动态响应存在较大的差异。通过构建混凝土重力坝水下爆炸和空中爆炸的全耦合数值仿真模型,考虑炸药起爆、冲击波传播、冲击波与结构的相互作用以及结构的动态响应等复杂过程,在对比分析爆炸冲击波在水下和空中传播特性的基础上研究了水下和空中爆炸冲击波对大坝动态响应及损伤程度的影响。研究表明,水下爆炸冲击荷载作用下混凝土重力坝动态响应及损伤程度均较同等炸药量下空中爆炸冲击荷载作用时大;在研究水工大坝抗爆性能时,应重点关注水下爆炸冲击波传播的特性及大坝在水下爆炸荷载作用下的动态响应。     

水下爆炸作用下弹塑性船体梁整体运动模型及损伤特性

针对水下爆炸作用下舰船整体运动响应的理论预报问题,将船体结构简化为等截面直梁,以炸药在船体梁中部正下方爆炸工况为研究对象,将水下爆炸载荷压力曲线划分为5个典型阶段,建立了冲击波和气泡联合作用下船体梁整体运动的简化理论模型,分别研究了船体梁全弹性和弹塑性运动模式,特别分析了梁进入塑性运动后反复加载、卸载的响应过程,最后结合船体梁模型水下爆炸实验结果对该理论方法进行了验证,同时对比分析了爆距、梁长等参数变化对梁整体运动响应的一般影响特性。研究表明:所建立的水下爆炸作用下船体梁整体运动响应理论模型能够反映船体梁发生整体弹性和塑性运动时的响应特征;当水下爆炸近距发生于梁中部正下方,且爆炸气泡第一次脉动频率与梁一阶湿频率相近时,船体梁更容易发生整体中垂损伤。     

不同攻角舰船结构动态响应的数值模拟

运用通用有限元分析软件ABAQUS对某型舰进行全船冲击响应数值模拟,分析水下爆炸攻角对舰船结构动态响应的影响,并得出以下结论:水下爆炸载荷作用下舰船结构响应具有局部性,船体的受冲击范围和强度随爆炸攻角的增大而减小;在研究舰船冲击环境时,攻角在30°～60°范围内的测点应该多取;舰船外底板中心部位节点的垂向加速度峰值随爆炸攻角的增大而减小,且加速度响应的衰减速度随爆炸攻角的增大而下降。     

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。     

水下爆炸冲击波和气泡脉动载荷联合作用下舰船冲击响应研究

该文以水面舰艇为研究目标,采用ABAQUS软件作为数值模拟软件,分析舰船在水下爆炸冲击波载荷和气泡脉动载荷共同作用下的响应,解决ABAQUS计算大变形问题时的单元失效,获取舰船的加速度响应、应力响应和外板局部变形的规律。获得以下结论:爆炸载荷的垂向作用为舰船响应的主要施加者,爆炸后产生的冲击波最先接触到船底迎爆面,后沿垂向构件向顶部传递;由于垂向构件的隔振作用,导致舰船底部的响应会显著大于上层结构,且越往上响应越小。加速度响应总是由下至上逐渐减小,离爆点越近的区域加速度峰值越大,相同位置不同层甲板处测点的加速度峰值也各不相同。冲击载荷主要作用在舰船底部迎爆面处,舰船底部的应力要远大于上层结构,即船底外板中心处的应力最大;由于爆炸作用的区域比较大,舰艏和舰艉相对中部迎爆面来说要小得多。数值分析所得的舰艇在冲击波和气泡脉动载荷联合作用下的响应规律与理论分析情况吻合较好,可为舰艇抗冲击结构的设计提供参考。     

舰船柔性抗冲覆盖层抗爆机理研究

如何有效提高舰船受到水下爆炸时的生存能力是舰船设计需要考虑的重要环节。舰船柔性抗冲覆盖层技术通过在舰船水线以下的船体外板敷设具有柔性吸能特性的覆盖层来削减水中冲击波载荷并减缓船体结构的爆炸响应,已被试验证明能有效提高全船的爆炸防护能力。本报告围绕舰船柔性抗冲覆盖层对水下爆炸载荷的抗爆机理,从水下爆炸载荷特征、柔性覆盖层瞬态大变形机制、流固耦合面空化起始、扩展及闭合过程以及由此引起的冲击载荷加载机制等方面,给出了相应的理论建模、分析与试验研究工作,解释了柔性抗冲覆盖层抗爆作用机理,在此基础上给出了影响抗冲覆盖层防护效能的主要特征参数,研究结果为柔性抗冲覆盖层的全船敷设设计提供了理论支撑。     

金属板在水下爆炸加载下的动态响应研究进展

金属板是舰船等大型工程结构的最基本结构元素,其抗爆性能、爆炸响应及破坏特性一直都是人们关注的基本问题。该文综述金属板的水下爆炸加载试验技术和动态响应研究现状。介绍非装药水下冲击试验加载方法、水箱/开放水域爆炸加载方法和锥形激波管爆炸加载方法的基本原理和特点,分析各加载方法的优点和局限性。简要讨论水下爆炸冲击载荷作用下金属薄板的失效模式,及其与空中爆炸的异同。总结处理相似实验的无量纲分析方法,给出3类主要的中心挠度预测公式,并对其适用性进行讨论。该文可以为水下爆炸实验研究提供一定的参考。     

水下爆炸作用下潜艇冲击环境影响因素研究

潜艇结构在其生命周期内不可避免会遭受水下爆炸冲击载荷作用,水下爆炸载荷引起的潜艇板架结构冲击响应往往是引起舰载设备破坏的主要因素,为保证潜艇结构安全性和舰载设备正常使用,有必要对潜艇设备冲击环境进行深入研究。潜艇在水下爆炸载荷作用下冲击环境计算涉及到攻角、炸药类型、冲击因子、水深以及舰载设备安装位置等多方面因素影响。采用数值仿真方法,对影响潜艇设备冲击环境的多方面因素分别进行研究,为潜艇结构抗冲击设计提供参考。     

圆柱壳水下爆炸冲击响应信号的小波分析

圆柱壳是船舶、潜艇和海洋工程结构物的重要组成部分,研究其在水下爆炸载荷作用下的响应对提高结构物的使用周期有着重要的作用.基于商用有限元软件ABAQUS对圆柱壳水下爆炸进行了数值模拟,得到水下爆炸载荷作用下圆柱壳关键部位的冲击环境,为结构冲击响应信号的分析提供输入条件,然后对仿真数据进行了一维离散小波分析,提取了信号的细节特征.分析结果表明:小波分析是分析水下爆炸信号的有效方法,能提取信号变化的细节特征.运用小波来分析水下爆炸信号较传统分析方法更能适应水下爆炸信号突变快、衰减快的特征,同时为进一步认识水下爆炸机理、破坏原因的确定提供了新的途径.     

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。     

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。     

A finite element analysis of ship sections subjected to underwater explosion

This paper presents numerical simulations of dynamic responses of a ship section to non-contact underwater explosion using ABAQUS. The finite element model of the ship section including the size of fluid mesh, initial and boundary conditions etc. has been built up. Comparisons of the acceleration and velocity response between the experimental and numerical results have been investigated. The numerical results agree well with the measured results. Furthermore, the effect of the mass proportional damping factor on the velocity response have been investigated numerically. The dynamic response modes of the ship section subjected to a side-on non-contact underwater explosion are discussed.     

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。     

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。     

一种改进的水下爆炸冲击波信号修正方法

爆炸载荷是舰船抗冲击设计和分析的基础,爆炸冲击波是表征炸药威力的一个关键物理量。在水下爆炸试验中,由于PCB138A50型电气石水下传感器在高频段存在失真,使得水下爆炸自由场压力信号存在上升沿、峰值失真的情况。当爆源与测点的水平距离远大于测点深度时,测点接收的信号需考虑反射波影响,一般会出现水面截断,形成驼峰现象。这都会使压力信号的冲击波能量计算产生误差,进而影响舰船的抗冲击分析。文章用Jensen提出的方法修正峰值,使用Cole函数对冲击波进行拟合修正。经对比,Cole函数拟合法比传统的指数拟合法修正后的冲击波能量更接近于试验炸药冲击波能量的理论值。     

水下爆炸中压力载荷测量与分析

对水下爆炸中自由场压力的水面截断效应及冲击载荷与船体相互作用的船体壁压进行了分析,得出了自由场压力的水面截断效应及早期的船体壁压计算近似公式,并与实际水下爆炸试验测量结果进行了对比.从试验测量中还可以看出,在迎爆面上同一点的舰体壁压峰值约为自由场压力峰值的1.4到1.8倍,舰体壁压反射系数与冲击波的入射角度有关.     

Configuration design of a lightweight torpedo subjected to an underwater explosion

The response of a lightweight torpedo when subjected to an underwater explosion (UNDEX) is an important criterion for multidisciplinary design. This paper investigates the effect of structural stiffeners on the performance of a lightweight torpedo. The finite element package ABAQUS was used to model the UNDEX and the fluid–structure interaction (FSI) phenomena, which are critical for accurate evaluation of torpedo stress levels. The pressure wave resulting from an underwater explosion was modeled using similitude relations and it was assumed to be a spherical wave. Various explosive weights and explosion distances were explored to determine the critical distance both for an un-stiffened and a stiffened torpedo. Once it was established that the stiffened torpedo performed better under explosive pressure loads, various configurations were studied to determine the optimal number of ring and longitudinal stiffeners. A final configuration was obtained for the torpedo that had minimum weight and was least sensitive to small manufacturing variations in the dimensions of the stiffeners. This paper presents details of the torpedo and fluid models and the finite element analysis method for FSI.     

水下爆破破冰爆炸冲击波传播规律数值分析

利用动力分析软件ANSYS/LS-DYNA模拟研究水下爆破破冰过程中爆炸冲击波压力的作用特征和传播规律,对比分析在冰体覆盖的相对封闭条件和常规水下爆炸时水中压力变化的差异性。研究表明:爆炸冲击波产生的水压力以炸药为中心向四周传播,对冰面破碎起主要作用,被扰动冰体主要发生振动折裂。炸药周围近区压力初始峰值大体上相同,爆源远区相差较大,冰盖的存在减弱了爆破能量的耗散。对于相同集中药包,入水深度直接影响爆破破冰效果。和常规水下爆炸相比,在冰体覆盖的相对封闭条件下水中峰值压力较小,衰减速度较慢。