水面舰船结构在水下近场爆炸作用下冲击响应研究

水面舰船结构爆炸毁伤是舰船生命力研究的重要内容,也是分析舰载设备及人员毁伤的基础。为提高对舰艇等目标的打击能力,各国大力发展精确制导技术。目前精确制导引信使鱼雷能贴近船体表面接触爆炸,对舰船的船体结构造成严重毁伤。由于兵器水下近场爆炸毁伤复杂性,使之成为国内外研究的热点。采用水中近场爆炸毁伤模型,利用自编程序和商业程序相结合的方法,将冲击波和气泡射流的联合载荷加载到近场结构上进行仿真计算;对舰船结构在水下近场爆炸作用下毁伤特性进行试验研究。仿真计算结果与试验结果吻合较好。     

兵器近场水下爆炸对目标的毁伤特性研究

近场水下爆炸气泡在壁面Bjerknes力和浮力的共同作用下产生朝向结构的高速射流。此时,气泡脉动由于受物面影响,其作用并不明显,所以近场兵器爆炸产生载荷主要为冲击波和气泡射流载荷。文中将气泡射流形状等效为水柱射流,基于水锤理论得到气泡射流载荷。同时采用GeersHunter半经验半解析模型得到冲击波载荷。将冲击波和气泡射流的总载荷加载到近场结构上,采用声固耦合原理计算舰船结构的响应,得到了兵器近场水下爆炸对目标的毁伤特性。     

水下爆炸近场压力特性及其与结构的流固耦合作用

鱼雷等水中兵器的水下近场爆炸是航母舷侧防护结构遭受的主要攻击。水下爆炸近场载荷与结构产生复杂的流固耦合作用,强非线性耦合作用下的流场载荷特性及其对结构的毁伤机理等问题仍有待于进一步认识,可靠的试验及数值模拟手段还很缺泛。基于LS-DYNA的ALE方法,建立水下爆炸流场与结构流固耦合作用的有限元计算模型,计算了近场流固耦合作用的全物理过程,以及冲击波、空化闭合脉冲、气泡脉动及水射流等载荷的时空特性。与试验结果对比,验证了计算模型具有较好的计算精度。     

水下爆炸冲击波和气泡载荷对典型圆柱壳结构的毁伤特性

为研究近场爆炸冲击波及气泡载荷对缩比后的鱼雷典型圆柱壳结构的毁伤特性,并探讨装药距离、装药方位等相关参数对圆柱壳结构变形特征及毁伤特性的影响规律,采用任意拉格朗日-欧拉算法对近场爆炸冲击波及气泡载荷对圆柱壳结构的毁伤特性进行了数值模拟分析。将壁面附近爆炸气泡演化过程的仿真结果和试验结果进行了对比,验证了数值模拟方法的有效性。利用该数值分析方法对多组不同装药距离和装药方位下的爆炸过程进行了研究,深入分析了冲击波、气泡脉动载荷及射流载荷等不同形式载荷对圆柱壳结构的毁伤作用机理。研究结果表明：冲击波对圆柱壳结构的毁伤效果受装药距离的影响较为明显,装药距离的增大会急剧削弱冲击波在圆柱壳上造成的破坏,而圆柱壳的方位改变对冲击波的毁伤作用影响较小;水射流载荷对圆柱壳结构产生的毁伤受方位因素的影响较为明显,当药包位于圆柱壳下方时圆柱壳迎爆面在气泡脉动及射流载荷联合作用下产生的塑性应变最大。     

水下爆炸冲击波毁伤鱼雷壳体结构的数值仿真研究

运用ANSYS／LS-DYNA程序对鱼雷壳体结构在近场水下爆炸冲击波作用下的毁伤过程进行了数值仿真，研究了鱼雷壳体的毁伤规律，分析了鱼雷内部构件的存在对于鱼雷壳体毁伤的影响，研究了鱼雷不同舱室壳体的易损性。仿真结果表明：在近场水下爆炸冲击波作用下，鱼雷壳体的毁伤具有局部性特点；内部构件对于鱼雷壳体的动态响应有显著影响，在仿真时必须考虑内部构件；鱼雷不同舱室壳体的易损性有较大差别，对于文中的鱼雷而言，在同样的冲击载荷作用下，鱼雷控制舱壳体的塑性变形较大，而后舱壳体更易产生等效应变。     

水下爆炸载荷下舰船双层底部结构的毁伤特性

为研究舰船双层底部结构在水下爆炸载荷下的毁伤特性,进行电火花气泡与带破口双层结构模型相互作用实验,使用高速摄影机捕捉气泡在带破口双层结构下方的脉动特征,并使用LS-DYNA软件对该实验工况进行模拟,通过实验验证数值模型的有效性。在此基础上建立实尺度舰船双层底舱段有限元模型,通过改变爆距和双层板间水位,设置15个模拟工况,深入分析冲击波和气泡载荷对舰船双层底部结构的毁伤特性。研究结果表明：爆距较小时,外底板出现破口,内外底板之间的内气泡的膨胀作用加剧外底板破口的撕裂,同时使内底板出现塑性变形;爆距较大时,外底板仅发生变形,并与内底板接触,同时带动内底板的变形。双层板间水位较低时,冲击波载荷衰减较大,对内底板毁伤作用较小,此时内气泡的膨胀对内底板的变形起到主要作用;双层板间水位较高时,冲击波载荷衰减较小,冲击波和气泡脉动二次压力波载荷通过水介质共同作用到内底板,使内底板产生变形。     

深水条件下TNT炸药的爆炸特性

炸药在水下爆炸过程中,炸药能量主要以冲击波能和气泡能的形式释放,炸药种类及爆炸工况不同,炸药的爆炸特性也会发生变化。用AUTODYN数值模拟软件对水深100~2 000 m范围内50 g TNT球形药包的爆炸过程进行计算,获得了水下爆炸冲击波压力衰减过程和气泡脉动过程。分析结果表明:深水爆炸气泡最大半径和脉动周期均变小,符合经验公式描述。在计算深水爆炸冲击波能量时,对已有的公式进行了修正,得到了稳定的爆炸总能量。计算结果表明,随着药包入水深度的增加,冲击波能减少,气泡能增加。     

球型密闭容器内水下爆炸载荷特性研究

通过加压容器进行深水爆炸模拟试验是一种经济、有效的研究手段,但加压容器内的复杂试验环境对深水爆炸研究造成较大影响。为了获得球形密闭加压容器内水下爆炸的载荷特性,通过在球型压力罐内进行了不同药量、不同加压条件下的水下爆炸试验,获取了典型位置处富含冲击波入射、反射汇聚及气泡脉动等基本特征的载荷时程曲线,并对其进行了初步分析。基于试验结果,采用Ls-dyna软件对装药在压力罐中的水下爆炸进行了数值仿真研究,详细分析了冲击波载荷的演化过程,揭示了壁面反射波导致气泡脉动特性改变的机理。分析了环境压力、加压气腔体积等参数对气泡脉动的影响规律。研究结果表明,壁面反射冲击波会产生汇聚效应,其对气泡的压缩作用改变了气泡脉动特性;当壁面反射冲击波在气泡膨胀阶段作用于气泡时,对气泡脉动特性的影响最大。此外,加压气腔体积对气泡脉动周期也有较大影响。     

基于ABAQUS软件的舰船二维水下爆炸空化效应研究

水下爆炸作用下结构冲击响应的模拟与仿真是一个多学科交互的复杂领域,诸如炸药水下爆轰过程、冲击波传播、气泡特性和脉动载荷、空化效应、自由面效应和流固耦合等。利用ABAQUS软件对舰船中横截面进行了二维水下爆炸空化效应研究,模拟了空化对结构的二次加载过程。     

水下爆炸载荷作用下MK46鱼雷结构动态响应分析

通过对美国MK46鱼雷进行数值仿真,设置不同的工况,应用ABAQUS中的声固耦合算法对鱼雷在水下爆炸冲击波作用下的动态响应及其冲击环境进行仿真计算,分析了鱼雷在不同工况下的毁伤效果,以及不同部位各节点的加速度响应及冲击环境。有限元计算结果表明:MK46鱼雷首部为薄弱部分,首部加强筋首先失效破坏,当壳体冲击因子为1.33时鱼雷壳体发生破损;迎爆面和背爆面节点加速度响应有较大区别,通过节点的冲击谱参数可对鱼雷内部设备的抗冲击性能进行分析。本文结果可对相关鱼雷的毁伤效果分析及结构设计提供参考。     

水下爆炸对双壳体结构破坏的数值研究

针对水下爆炸试验困难的问题，利用有限元方法对双层板壳结构在水下接触爆炸作用下的破坏进行数值仿真模拟，得出了爆炸载荷情况下双层板壳结构的破口形状，位移、应力和压力随时间变化曲线等数值模拟结果，对比了相同爆炸载荷下不同板壳结构的响应，为提高舰船和潜艇整体防护能力以及鱼雷战斗部的设计提供了参考依据。     

黑索今基含铝炸药水下爆炸性能的实验研究

为研究黑索今（RDX）基含铝炸药水下爆炸性能,在户外水池中开展了不同药量和含铝量的RDX基炸药水下爆炸实验。采用水下高速摄影技术拍摄水下爆炸气泡脉动全过程,通过压力传感器对水中压力进行实时测量。在该实验条件下,首次拍摄到RDX基含铝炸药水下爆炸过程中二次反应现象,证明铝粉的二次反应是毫秒量级的。根据实验数据,对比分析了不同含铝量下RDX基含铝炸药水下爆炸过程中气泡脉动特性和水流场压力特性。实验结果表明：在气泡膨胀初期和收缩末期都发生了铝粉的二次反应;铝粉的二次反应显著增大了RDX基含铝炸药气泡的脉动能力;铝粉的二次反应对冲击波峰值的影响很小,对气泡脉动压力峰值的影响很大;铝粉的二次反应明显影响了水下爆炸的能量结构分布。     

水下接触爆炸下防雷舱舷侧空舱的内压载荷特性仿真研究

为研究水下接触爆炸下防雷舱舷侧空舱的内压载荷特性,在水下爆炸气泡第1次脉动周期的约3倍时间范围内,利用LS_DYNA软件对水下爆炸气泡与防雷舱舷侧空舱的相互作用过程和舷侧空舱的内压载荷特性进行了仿真分析,并通过模型试验对仿真结果及分析进行了验证。研究结果表明：伴随着水下爆炸气泡膨胀或收缩,爆炸产物气体从外板破口处流入或流出舷侧空舱,外板也相应地向里凹陷或向外凸出运动;舷侧空舱内部空间被外板花瓣隔成两个区域,舷侧空舱的内压载荷在花瓣前面和花瓣背面具有不同特性;采用有限元方法评估舷侧空舱外板的最大破坏程度时,可将计算时间取为气泡第1次脉动周期的5%.     

水下爆炸两气泡相互作用的数值计算研究

基于MSC.DYTRAN有限元软件中的EXINIT及EXFLOW2接口分别开发、定义了三维流场静水压力与边界条件的子程序;以Frost提出的气泡体积加速度模型为基础,确定了水下爆炸气泡脉动的初始条件,对水下爆炸单一气泡脉动过程进行了数值模拟;通过将气泡脉动半径、周期与经验公式对比,验证子程序开发的正确性与计算结果的准确性。以单一气泡运动模型为基础,建立水下爆炸两气泡运动的计算模型,研究两气泡水平距离、竖直距离及初始角度等参数对气泡运动与融合、射流角度、射流速度的影响规律。气泡运动建模思路、计算方法与结果对水下爆炸两气泡运动特性的研究具有一定参考价值。     

一种新型水下爆炸冲击等效加载实验方法

针对传统水下爆炸冲击响应实验研究中存在的问题,提出了一种实验室仿真水下爆炸冲击的等效加载方法,通过飞片撞击的方式来获得水下爆炸冲击等效载荷.同时建立了等效理论模型与流固耦合数值仿真来进行对比分析.结果表明,数值仿真结果与理论分析结果吻合较好,通过调节飞片的撞击速度与撞击比质量可以获得不同水下爆炸冲击所需要的等效载荷,进而为鱼雷爆炸对典型舰船结构的冲击响应研究提供一种新的思路.     

低能量导爆索水中爆炸气泡的脉动现象

为了推动爆炸气泡帷幕减震技术的研究,揭示低能量导爆索水下爆炸气泡脉动规律,采用高速摄影系统对水平和竖向放置的单根及两根低能量导爆索水下爆炸气泡脉动特性进行了实验研究,得到了其不同放置方式下的气泡脉动特性。结果表明,水平放置单根低能量导爆索水下爆炸首次气泡脉动形状保持圆柱形,第一次气泡脉动周期为11.5 ms,最大直径为6.9 cm;水平放置两根低能量导爆索第一次气泡脉动周期为14 ms,22 ms时两气泡开始相互融合,形成一气泡帷幕层,比单根水平放置低能量导爆索第一次气泡脉动周期长。竖向放置两根低能量导爆索第一次气泡脉动周期为27.5 ms,比单根低能量导爆索第一次气泡脉动周期长,79.5 ms时形成完全融合的气泡帷幕,323 ms时该气泡帷幕仍清晰可见。将低能量导爆索竖向布置缠成网状,气泡脉动持续时间长,有利于爆炸气泡帷幕的形成。     

近场水下爆炸作用下箱形梁整体损伤特性研究

当水下近距爆炸载荷对舰船产生耦合激励作用时,舰船的总体损伤特点是一个值得深入研究的问题。以水面箱形梁模型为研究对象,建立了梁模型在水下近距爆炸载荷作用下动态响应的有限元仿真方法,最后利用数值仿真和具体试验相结合的方法,对自由梁在水下特定爆炸工况下的整体损伤特性进行了研究。结果发现：数值计算结果和试验结果具有较好的一致性;在爆炸气泡脉动频率与梁模型一阶湿频率相近的条件下,随着爆径比的增大,梁的整体响应状态由整体中垂塑性弯曲转变为鞭状运动。     

水下爆炸冲击波对圆柱形壳体结构叠加效应的数值模拟

为研究水下多点起爆冲击波的叠加效应,采用ANSYS/LS-DYNA有限元软件的流固耦合算法,首先将固支方板在水下爆炸载荷作用下的数值模拟与试验数据进行对比,将水中爆炸冲击波的超压计算值与理论值进行对比,证明了流固耦合算法的设置及相关材料参数的选取是合理的。在此基础上,针对鱼雷模拟器,进行了同一当量下单装药和四装药起爆下的系列数值运算,初步分析时差对叠加效应的影响。结果表明:当TNT当量一定时,冲击波超压值随炸距和模拟器直径的增加呈指数形式衰减; 炸距越远,模拟器直径越小,冲击波的叠加效应越强; 对于1.63 g TNT,认为多装药同时起爆的时间间隔最大不超过11 μs。给出了超压放大倍数与模拟器直径和炸距间的关系式。研究结果为大口径弹水下爆炸冲击合成毁伤鱼雷提供了理论指导。     

基于效应靶的装药水下近场爆炸威力评估方法

为了评估装药水下近场爆炸威力, 将威力评估与结构毁伤联系起来,提出了效应靶方法。通过对边界可滑移圆板的试验和理论研究,建立并验证了靶板变形计算方法,获得了近场爆炸能量时序分配特性。提出了无量纲化的威力损伤因子,用以建立不同靶板的等效关系。在此基础上,初步设计了基于效应靶的装药近场威力评估试验设计和试验方法。试验结果表明,在近场爆炸范围内,随着爆炸距离增加,冲击波和气泡两个作用阶段的变形能比例为先快速减小再趋于平缓变化。与常规威力评估方法相比,效应靶评估方法更能体现装药水下近场爆炸威力的破坏作用。     

水中爆炸对鱼雷壳体的毁伤准则和判据研究

研究水中爆炸鱼雷壳体的毁伤准则与判据。根据水中爆炸冲击波特征参量的一般形式,提出了一种毁伤准则,给出了基于毁伤律为“0-1”概率分布函数的毁伤准则与判据的获取方法。针对重型鱼雷1∶2环肋圆筒缩比模型进行了两种药量的海上爆炸试验,结合相似性变换得到了重型鱼雷壳体毁伤的定量判据。以该判据分析了各毁伤等级下的峰值超压和比冲量阈值。结果表明,在相同毁伤等级下,随着装药量增加,峰值超压阈值减小,而比冲量阈值增大;装药量越小,两种特征参量阈值的变化幅度越大。