水下爆炸条件下不同装药对水面舰船冲击环境的影响试验研究

水下非接触爆炸产生的冲击往往会造成舰船设备的大范围破坏,从而影响舰船的生命力和战斗力。为此,对以船体结构动响应为输入条件的船用设备冲击环境的研究受到了各国海军的重视。其中,研究水下爆炸载荷与舰船冲击环境之间的联系对于舰船设备抗冲击设计以及提高水中兵器作战效能等都具有极其重要的意义。利用某型船的整体缩比模型进行水下非接触爆炸试验,通过自由场水下爆炸载荷和缩比模型冲击环境变化规律对比,得出了冲击环境主要参数与水下爆炸载荷之间的关系,试验结果具有参考价值。     

基于ARMA模型的水下爆炸冲击谱预测

针对舰船设备抗冲击设计冲击环境预测难的问题,提出了利用自回归滑动平均模型（ARMA模型）预测水下爆炸冲击响应谱的方法,并引入遗传算法优化ARMA模型阶数。理论介绍了舰船设备水下爆炸冲击谱模型及ARMA模型。建模所需样本数据通过对有限元软件仿真输出的冲击响应信号进行去趋势化和平稳化处理获得,根据该样本数据的自相关函数和偏自相关函数统计特性分析,验证了ARMA建模的可行性。在此基础上,利用遗传算法优化后的ARMA模型,对水下爆炸冲击响应信号进行预测,并通过分析预测误差特性评估预测效果。研究结果表明,基于遗传算法优化的ARMA模型可以很好的预测水下爆炸冲击响应信号,从而为舰船设备抗冲击设计提供帮助。     

基于相似理论的舰船结构模型爆炸试验

舰船抗爆炸冲击性能是船体设计的重要依据,由于试验难度大、周期长,涉及到巨额经费开支,在我国对每型首舰进行实船抗爆炸冲击试验考核是不现实的。利用相似理论分析船体结构对水下爆炸冲击的响应,是较为现实和有效的手段。介绍了水下爆炸试验中的相似理论,详细讨论了相似理论在船体抗水下爆炸冲击模型试验中的应用方法及局限性,并应用已有的试验结果加以验证。     

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。     

敷设超弹性覆盖层舰船水下爆炸冲击实验与仿真分析

针对在船体湿表面敷设超弹性覆盖层,对减少远场水下爆炸冲击对舰船造成的损伤具有较好效果,而覆盖层为薄壁结构与舰船尺度不匹配,在有限元分析中易造成较大困难甚至无法计算问题,提出具有较高计算效率的仿真近似方法。该方法基于超弹性覆盖层均匀化理论,考虑应变率相关性,将覆盖层实体结构替换成等效连续体模型,对全舰船进行水下爆炸冲击响应仿真分析。对敷设、未敷设覆盖层水面实船进行水下爆炸对比试验,通过试验数据与仿真结果比较研究、分析讨论,对超弹性覆盖层抗冲击性能进行深入阐述。     

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。     

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。     

浮动冲击平台对应实船冲击环境判别分析

由于浮动冲击平台自身结构与实船存在差异,使其在水下爆炸过程中提供给设备的冲击环境较难与实船建立对应关系。为使浮动冲击平台不同工况所得设备抗冲击能力能反应不同排水量舰船及舰船不同位置的设备抗冲击性能,对4艘不同排水量舰船在水中爆炸冲击波作用下垂向滤波效应进行研究;对不同工况下浮动冲击平台与设备连接处的冲击谱参数用Fisher方法与舰船内外底谱参数判别分析,并通过数值仿真验证判别结果的合理性。结果表明,排水量较大船体滤波效应较明显,无上层建筑一甲板较船体内部二、三甲板冲击环境恶劣。通过多元统计分析判别方法建立的实船与浮动冲击平台考核设备冲击环境对应关系,对舰船设备考核具有一定指导意义。     

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。     

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。     

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。     

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。     

近距非接触水下爆炸舰船动态响应的数值模拟

运用通用有限元程序ABAQUS对某型水面舰艇在水下爆炸冲击波作用下的动态响应进行了数值模拟,有效地解决了ABAQUS计算近场水下爆炸时单元破损和单元失效等问题,计算出了某型舰艇水下爆炸的冲击响应结果,获得了船体的应力响应、局部变形、加速度响应和速度响应4个方面的响应规律,并得出以下结论:在全船范围内,加速度和速度总是由下至上逐渐减小,离爆点最近的区域差距最为明显;船体上离爆点最近的区域应力是最大的,不同甲板在相同位置处的应力是不同的。数值模拟所得的舰艇在水下爆炸作用下的响应规律与实际分析规律相符,为舰艇抗爆、抗冲击的结构设计提供了依据。     

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.     

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。