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。     

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。     

箱形梁在水下近距非接触爆炸作用下的整体毁伤研究

为了研究舰船在水下近场爆炸作用下的整体毁伤模式,根据相似原则设计了两种箱形梁模型,将TNT炸药置于模型中部正下方爆炸,通过改变爆距和药量来研究试验模型在不同爆炸工况下的整体运动特性,并利用高速摄影仪观察模型的动态响应过程.试验研究发现:在梁模型一阶湿频率与气泡脉动频率相近的条件下,气泡脉动会激起结构明显的整体弯曲运动;当爆距与最大气泡半径之比为1～1.5时,梁结构会发生中垂破坏,形成一个或两个塑性绞;当爆距与最大气泡半径之比为2～4时,梁结构会发生鞭状运动响应;水下爆炸气泡对水面结构的整体毁伤作用大于初始冲击波。     

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。     

EPS缓冲材料衰减水下爆炸能量的实验研究

为了研究缓冲材料EPS对水下爆炸能量的衰减作用,在爆炸水池内起爆有EPS包裹的雷管,采用压力传感器测量水下固定爆心距点爆炸冲击波,采用振动传感器测量实验水池近地面固定点振动。结果表明：EPS缓冲柱体半径按梯度增大,压力测点冲击波超压、比冲击波能以及振动测点竖直方向振动速度都衰减显著;在缓冲柱体半径R≥80 mm时,水下爆炸脉动波弱化或消失;增加EPS缓冲材料的密度,可有效衰减压力测点爆炸能量,但对振动测点速度衰减影响较小;压力测点爆心距增加,测得爆炸能量减小,但能量衰减率不一定因有EPS材料缓冲而提升。导出式(1)可根据实际防设点的爆心距和药包半径来近似设计水下爆炸EPS缓冲材料厚度和密度。     

深水爆炸载荷数值仿真研究

为了更好地研究水下爆炸载荷的特点,应用AUTODYN有限元程序,通过数值仿真得出深水水下爆炸冲击波载荷、气泡脉动载荷以及冲量,并与经验公式计算结果比较,同时分析了近场水下爆炸条件下圆形壳体结构的损伤。数值模拟得到的二次脉动压力、气泡大小、脉动周期等均与经验值接近,水下冲击波和气泡脉动的冲量大小相当,表明应用AUTODYN是研究水下爆炸现象的有效手段之一。     

基于AUTODYN的乳化炸药水下爆炸能量分布的数值研究

基于AUTODYN软件建立了水下爆炸一维楔形模型,对空气不耦合装药结构下爆炸能量的输出进行研究。首先获得炸药冲击波压力以及气泡脉动随时间的变化曲线,进一步获知径向不耦合状态下水下爆炸的冲击波峰值压力、气泡最大半径以及脉动周期等数据,并最终得到了不耦合系数下冲击波能以及气泡能的变化情况。将计算结果与已有的水下爆炸实验结果进行了比较分析。结果表明,该计算结果与实验数据吻合较好,证明了利用数值计算手段可以实现定量化表征炸药输出能量随不耦合装药结构的变化规律。     

基于AUTODYN的乳化炸药水下爆炸能量分布的数值研究

基于AUTODYN软件建立了水下爆炸一维楔形模型,对空气不耦合装药结构下爆炸能量的输出进行研究。首先获得炸药冲击波压力以及气泡脉动随时间的变化曲线,进一步获知径向不耦合状态下水下爆炸的冲击波峰值压力、气泡最大半径以及脉动周期等数据,并最终得到了不耦合系数下冲击波能以及气泡能的变化情况。将计算结果与已有的水下爆炸实验结果进行了比较分析。结果表明,该计算结果与实验数据吻合较好,证明了利用数值计算手段可以实现定量化表征炸药输出能量随不耦合装药结构的变化规律。     

垂直刚性面边界条件下水下爆炸气泡运动的理论研究

为研究垂直边界面对水下爆炸气泡脉动的影响，根据势流理论建立了垂直边界面奈件下水下爆炸气泡运动的理论模型，编制计算程序进行求解。对水下爆炸气泡脉动运动的特点、流场的速度及压力的分布、气泡引起的栽荷形式进行了分析，结果表明，此模型能够反映水下爆炸气泡和周围流体介质的运动规律，并能进行定量的计算。     

模拟不同海拔水下爆炸气泡动态特性研究

不同海拔高度进行水下爆破工程时,因水体表面气压随海拔的升高而线性降低,其装药爆炸产生的气泡脉动过程及气泡大小将会发生一定的变化。通过爆炸载荷的测试以及高速摄影2种测试方法对气泡脉动进行了研究。结果表明:在海拔0～4 500 m范围内随着气压降低,气泡脉动周期按二阶多项式规律显著增大,2种方法所得数值误差小于3.8%,数据一致性较好;在海拔0～3 500 m范围内气泡最大半径随海拔升高而线性变大,而4 000 m和4 500 m有突跃变化。将研究结果与水下爆炸气泡周期理论公式进行了比较,并对理论公式在低气压这一特定条件下进行修正,得出的气泡脉动周期系数由原来的2.11修正为1.995,而气泡最大半径系数是一个与海拔有关的一次函数。     

超重力场下球形炸药水下爆炸实验及数值模拟

常重力条件下,Mach数和Froude数无法同时满足相似。采用离心模型实验,研究水下爆炸冲击波特性及气泡脉动规律,并采用数值模拟方法重现了超重力场下的水下爆炸过程。实验及数值模拟的结果表明,重力的改变基本不影响冲击波的峰值,COLE理论在超重力环境下仍然适用,而超重力场下,小当量炸药可以模拟气泡的脉动迁移过程,其结果可以用于预测大当量炸药深水爆炸的特性。此外,为减少计算时间并提高计算精度,采用将二维冲击波作为初始条件映射到三维模型的建模方法。对于冲击波计算,网格尺寸宜取药包半径的1/20¹/10;对于气泡脉动,宜取药包半径的1/21/10;对于气泡脉动,宜取药包半径的1/2¹。     

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。     

基于高速摄影技术模拟深水爆破环境下气泡脉动规律研究

采用GX-8高速摄影机在水下爆炸罐中进行0.8~2.4gTNT当量炸药爆炸试验监测,运用注水加压方式在模拟深水环境中实拍出气泡脉动过程。分析气泡半径、脉动周期与药量、水深之间的关系得到:脉动周期和同一周期内最大脉动半径随着水深的增加呈对数衰减趋势;同一水深条件下最大脉动半径随药量增加明显增大,且脉动周期随之增加。将实测结果与经验公式计算值进行比较,验证了库尔公式在深水环境下的适用性。     

;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。     

超重力场下球形炸药水下爆炸实验及数值模拟

常重力条件下,Mach数和Froude数无法同时满足相似。采用离心模型实验,研究水下爆炸冲击波特性及气泡脉动规律,并采用数值模拟方法重现了超重力场下的水下爆炸过程。实验及数值模拟的结果表明,重力的改变基本不影响冲击波的峰值,COLE理论在超重力环境下仍然适用,而超重力场下,小当量炸药可以模拟气泡的脉动迁移过程,其结果可以用于预测大当量炸药深水爆炸的特性。此外,为减少计算时间并提高计算精度,采用将二维冲击波作为初始条件映射到三维模型的建模方法。对于冲击波计算,网格尺寸宜取药包半径的1/20~1/10;对于气泡脉动,宜取药包半径的1/2~1。     

基于高速摄影技术模拟深水爆破环境下气泡脉动规律研究

采用GX-8高速摄影机在水下爆炸罐中进行0.8².4gTNT当量炸药爆炸试验监测,运用注水加压方式在模拟深水环境中实拍出气泡脉动过程。分析气泡半径、脉动周期与药量、水深之间的关系得到:脉动周期和同一周期内最大脉动半径随着水深的增加呈对数衰减趋势;同一水深条件下最大脉动半径随药量增加明显增大,且脉动周期随之增加。将实测结果与经验公式计算值进行比较,验证了库尔公式在深水环境下的适用性。     

舰船缩比模型水下非接触爆炸载荷测量与分析

合理设置舰船缩比模型海上毁伤试验工况,有效考核舰船抗冲击性能和兵器毁伤效能的同时,减小舰船模型的毁伤程度。通过测量和分析模型在不同装药量和不同爆炸初始深度的爆炸载荷试验数据,确定爆源布放深度与表面反射及海底边界条件等对冲击波压力和气泡脉动影响的关系,为分析舰船冲击环境及水下非接触爆炸数值仿真数据输入提供思路。     

不同长径比柱形装药水下爆炸冲击波演化规律

为分析药柱形状对水下爆炸冲击波演化的影响。针对圆柱形装药中心起爆问题,在理论上建立了炸药与水交界面上初始冲击波压力及其传播方向的二维计算方法,借助于AUTODYN有限元计算程序开展了长径比1:2～10:1的圆柱形TNT在无限水域爆炸的数值模拟,并开展了长径比为1:1和2.6:1的圆柱形TNT的水下爆炸试验;对比理论、仿真和试验结果,验证了理论模型的合理性和数值模拟的有效性,分析了柱形装药水下爆炸冲击波的传播规律,重点分析了药柱长径比对不同爆距处冲击波压力分布及传播方向的影响。结果表明：圆柱形装药水下爆炸后,冲击波波阵面逐渐从柱形趋向椭球型再趋向球型,当冲击波传播至10倍无量纲爆距时高压区的转移结束;当长径比大于1:1时,炸药轴向(端面)的冲击波压力衰减速率大于径向(圆柱面)的衰减速率,冲击波峰值压力随着方向角的增大而单调增长;在1:1～5:1的长径比和20倍无量纲爆距范围内,增大药柱长径比可定向增强炸药径向的冲击波压力,药柱的形状对冲击波压力分布影响随着爆距增大而减小。     

水下爆炸气泡脉动试验研究

采用水中爆炸压力测量系统对不同工况下的水下爆炸压力进行了测量,得到了装药在近水底、自由场和近水面爆炸条件下气泡脉动特性的试验数据,并将试验结果与已有的水下爆炸理论公式进行了比较分析。分析结果表明:TNT炸药在自由场爆炸条件下气泡脉动周期测量结果与理论公式计算结果吻合较好,用试验验证了理论计算公式的正确性;在近水底爆炸条件下,爆炸气泡脉动周期较自由场条件下长;RDX炸药在自由场条件下和近水面爆炸,测量的爆炸气泡脉动周期与理论公式计算结果相比较小。