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。     

边界条件对水下爆炸气泡运动特性的影响分析

在近距爆炸条件下,受到边界的影响,水下爆炸气泡会出现非球状运动情况。为了得到球状气泡假设的适用条件,对深水自由场、近自由液面、近刚性壁和弹性边界等不同边界条件下水下爆炸气泡的动态特性进行了仿真计算。通过对气泡最大半径和脉动周期仿真结果的对比分析,可以得到如下结论:当爆心距离边界约等于气泡最大半径时,自由表面会使气泡的最大半径略有减小,周期缩短,刚性壁的影响与之相反,弹性边界的影响介于二者之间;在近自由边界条件下爆距大于2倍气泡半径,近弹性结构和刚性壁边界条件下爆距大于3倍气泡半径时,水下爆炸气泡可近似认为球状脉动。     

两装药水下爆炸毁伤目标振动信号时频分析

针对某水下目标抗水下爆炸试验数据,研究两装药水爆炸下冲击波的相互作用及气泡脉动的相互作用现象,分析非平稳结构响应信号时频特征,分别提取前爆冲击波、后爆冲击波及前爆气泡脉动三个不同时段信号进行能量与频率分析,并由此确定不同时段对目标毁伤的影响。结果表明,后爆冲击波能量最大,前爆冲击波与后爆冲击波均处于较宽频率范围,主要作用在780 Hz以上,前爆气泡脉动能量主要作用在100～400 Hz内。与结构自振频率频段重合,因此前爆气泡脉动作用不可忽视。     

;近距水下爆炸作用下箱形梁模型中垂破坏试验研究

利用大型室内爆炸筒对两个水面箱形梁模型进行近距水下爆炸试验,用高速摄影记录模型在气泡作用下的运动变形及中垂破坏过程。试验发现,气泡收缩时,近距船底边界阻碍流体运动并在气泡上方产生空化区域,增加了气泡负压的作用强度和作用时间,是模型发生中垂破坏的主要原因。同时,当模型垂向振动频率与气泡脉动频率接近时,冲击波引起的模型垂向振动与气泡负压作用叠加,增加了模型发生中垂破坏的可能。试验研究了爆距的改变对气泡负压作用以及冲击垂向振动幅值的影响。试验结果表明,只有当爆距小于2倍气泡最大半径时,近距边界效应不可忽略。     

水下爆炸载荷作用下加筋圆柱壳结构弹塑性动力响应研究

以加筋圆柱壳模型为分析对象,应用MSC—DYTRAN非线性瞬态有限元分析软件建立水下爆炸载荷作用下流固耦合数值分析模型,对冲击因子为1.1的典型试验工况进行数值模拟,分析了加筋圆柱壳在爆炸载荷作用下的破坏机理,并将数值计算结果与试验结果进行对比,验证了数值模拟方法的正确性和有效性,进一步通过大量数值试验,分析了爆炸攻角、模型浸深对加筋圆柱壳弹塑性响应的影响,最后对气泡脉动载荷的二次毁伤效应进行了探讨。数值结果表明：同等当量炸药在相同爆距、相同浸深下,90°攻角总是最危险的爆炸角度,0°攻角与其他攻角相比,毁伤效果总是最小;模型浸深对结构的响应影响显著,模型浸深愈深,毁伤程度愈严重;当考虑气泡脉动载荷后,对于结构具有二次破坏作用,在相同药量相同爆距下、不同浸深下的二次破坏效果并不相同,呈现出浸深愈大,二次破坏效果愈显著的现象。     

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。     

水下爆炸问题的数值模拟及离心机试验验证

数值模拟是研究水下爆炸非常重要的一种方式,但由于爆炸试验条件的限制,许多数值计算缺少试验背景,从而降低了数值结果的普适性。该文以离心机水下爆炸试验为基础,验证水下爆炸理论基础-相似准则在数值计算上的合理性,通过多模型工况下的计算结果对比,研究影响水下爆炸数值计算精度的相关参数,并提出取值建议,最后将数值计算结果与水下爆炸试验结果相结合,共同验证在水下爆炸中冲击波及气泡脉动规律。结果表明:水的多项式状态方程计算出的冲击波峰值较Shock状态方程小,水的状态方程对气泡脉动影响不大;当一次项人工粘性系数小于0.02时,峰值增加已不明显。人工粘性系数对气泡脉动影响不大;二维模型下,测点的爆距越大,要到达计算精度要求,需要的网格尺寸越小。三维模型下,当网格尺寸取与炸药半径相近的尺寸时,能很好地模拟气泡脉动的全周期,且与试验数据的误差最小。     

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。     

水下爆炸气泡脉动的数值研究磁

利用AUTODYN软件模拟PETN药柱和TNT球形装药水下爆炸气泡脉动的过程,分析了脉动周期与最大半径随装药量、爆炸深度的变化规律。结果表明：当炸药所处的爆炸深度一定时,气泡膨胀最大半径与初始半径的比值、气泡脉动周期与初始半径的比值均为一个定值;一定质量的TNT装药水下爆炸时,气泡最大半径随爆炸深度呈指数形式变化且该变化规律与装药量无关;在不考虑重力的影响下,装药的爆炸深度一定时,当装药的初始半径成倍增加时,气泡脉动最大半径亦成相同倍数增加。     

圆柱壳结构水下爆炸所致鞭状运动特性研究

针对水下爆炸产生的周期性气泡脉动载荷诱导潜艇等细长体结构鞭状运动危及总强度问题,对鞭状运动特性进行研究。采用Morison相对速度模型与船体梁显式积分法,建立圆柱壳结构水下爆炸载荷的鞭状运动工程计算模型,并用试验结果对模型进行验证;通过对水下爆炸诱导的鞭状运动时、频域特性分析,获得爆点水深、轴向偏移、爆距等工况参数对其影响规律,可为潜艇抗冲击设计、研究提供参考。     

潜艇典型舱段水下爆炸动态响应分析

基于显式动力学分析程序ANSYS-LSDYNA,对潜艇典型舱段受到水下近场爆炸冲击作用下的非线性动态响应进行了研究。根据水下爆炸理论和数值计算结果,详细探讨了单壳体潜艇水下近场爆炸现象的持续过程,并讨论了冲击波、局部孔穴、气泡运动造成的滞后流等在单壳体潜艇受到水下近场爆炸不同阶段所起的作用。计算了单壳体潜艇受到水下近场爆炸冲击波作用下的响应并与双壳体潜艇的结果进行了对比。本研究对正确理解水下爆炸现象和潜艇的水下爆炸抗冲击设计有重要意义。     

潜艇艇体结构在水下爆炸冲击载荷作用下损伤研究

采用数值计算和试验手段相结合的方法,对潜艇艇体结构在水下爆炸载荷作用下的损伤进行了研究。利用试验手段确定了潜艇艇体用钢的材料动态性能参数和潜艇典型单元结构在爆炸冲击载荷作用下的开裂判据。采用双层壳体建模方案对潜艇结构进行整艇有限元建模,运用MSC.DYTRAN程序对整艇结构进行水下抗爆仿真。分析了三种不同工况下潜艇艇体结构的损伤形式。本文计算方法和仿真结果可供潜艇水下抗爆设计和潜艇结构生命力评估参考。     

Damage prediction of concrete gravity dams subjected to underwater explosion shock loading

The damage prediction of concrete gravity dams under blast loads has gained importance in recent years due to the great number of accidental events and terrorist bombing attacks that affected engineering safety. It has long been known that an underwater explosion can cause significantly more damage to the targets in water than the same amount of explosive in air. While the physical processes during an underwater explosion and the subsequent response of structures are extremely complex, which involve lots of complex issues such as the explosion, shock wave propagation, shock wave-structure interaction and structural response. Hence a sophisticated numerical model for the loading and material responses would be required to enable more realistic reproduction of the underlying physical processes. In this paper, a fully coupled numerical approach with combined Lagrangian and Eulerian methods, incorporating the explosion processes, is performed. The RHT (Riedel–Hiermaier–Thoma) model including the strain rate effect is employed to model the concrete material behavior subjected to blast loading. Detailed numerical simulation and analysis of a typical concrete gravity dam subjected to underwater explosion are presented in this study. In terms of different TNT charge weights, the structural response and damage characteristics of the dam at different standoff distances are investigated. Based on the numerical results, critical curves related to different damage levels are derived.     

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。     

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。     

水中爆炸实验装置结构设计与冲击波防护措施研究

建设相对条件固定的水中爆炸实验装置,为开展水中工程结构和装备进行抗爆性能实验研究提供了重要保证。本文设计和建设了具有多种功能的水中爆炸大型实验装置,该装置由爆炸水池、轻钢滑动提升装置、储气加压装置、筛网架、水中爆炸压力测试系统与测试室等组成。根据一维弹性平面波理论,对该装置爆炸水池结构设计的主要问题和抗爆隔震性能进行了分析,研究了纵波入射时水池结构内部不同介质应力波传播情况和破坏模式。并运用气泡帷幕防护技术,对降低水中爆炸冲击波防护措施可行性进行了初步试验研究和探讨,验证了该水中爆炸实验装置结构设计的合理性和降低水中冲击波防护措施的有效性。     

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。     

抗冲瓦的优化设计研究

敷设于舰船湿表面上的抗冲瓦可以有效提高舰船的抗水下爆炸冲击性能。本文从抗冲瓦的结构拓扑参数方面来研究其抗冲击特性,讨论了不同强度冲击载荷下抗冲瓦的优化设计区域,提出了拓扑结构、应力平台与结构密度三参数优化设计方法,最终给出了一种较为优化的结构形式。