舰船静置爆炸气泡时总纵强度计算方法研究

新型“大气泡能”概念武器在水下爆炸能产生大气泡，对船体总纵强度造成很大影响，有可能使舰体发生纵向折断或倾覆。为研究这种作用，建立了舰船静置爆炸气泡时总纵弯曲强度的理论计算方法。采用静置爆炸气泡的假设，将气泡产生的浮力损失和压力差转化为等效载荷，计算气泡作用后船体的总纵弯矩和剪力并进行强度校核。以某舰艇为例进行计算，结果表明，爆炸气泡作用下船体的剪力和弯矩比静浮状态增大很多，船体发生纵向折断破坏的危险性也随之增大。     

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。     

遭受水下爆炸的舰船缩比模型毁伤评估

对某型舰船缩比模型遭受水下爆炸的弹塑性动力响应进行数值仿真与实爆试验研究,基于总纵强度毁伤和局部塑性变形的表征参数进行毁伤等级评估。结果表明,加速度响应和毁伤等级随冲击因子增大而增大,局部响应与船体振型相关,局部塑性变形毁伤等级最高时总纵强度毁伤等级并不是最高。研究成果可为实船爆炸试验评估提供参考。     

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。     

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。     

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。     

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。     

水下爆炸球面冲击波作用下船体梁的刚塑性动响应特性

将船体整体结构简化为理想刚塑性等截面直梁,推导了梁上冲击波壁压的理论公式,并对其进行试验修正,给出了修正系数的经验公式。以炸药在船体中部正下方爆炸的工况为研究对象,提出了一种计算船体梁在球面冲击波作用下发生刚体运动或塑性运动的近似理论方法,并通过船体梁模型试验验证了理论方法的正确性,最后利用该理论方法深入讨论了船体梁的塑性运动特性。结果表明:在冲击波作用时间内,船体梁的塑性运动过程是在整体刚体运动的基础上叠加了一个塑性变形转动;相比减小爆距而言,通过增加药量来增大塑性变形的效果要偏小;就舰船整体结构安全而言,适当减小船长比增加船宽会有更好的抗冲击变形效果。     

水下爆炸气泡射流对船体破坏效应研究

兵器水下爆炸时,由于船体边界存在影响了气泡自由膨胀,使气泡上升过程中会朝船体方向运动,气泡被船体吸引破裂后形成的高速水射流是舰船结构毁伤的重要因素。基于GeersHunter理论,将射流形状等效为水柱射流,采用数值仿真计算方法研究气泡射流对舰船结构的破坏效应。研究结果表明:气泡射流对船体结构的二次加载压力能使船体外板出现较大范围的塑性变形,使船体结构受到严重二次毁伤。     

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。     

舱内爆炸载荷下箱型梁结构提高舰船极限承载能力的研究

采用数值模拟方法对含箱型梁结构和等重量常规结构舰船舱段在舱室内部爆炸载荷下的结构变形和剩余极限承载能力进行计算,并进行比较分析;综合考虑设置箱型梁结构导致结构重量增加的影响,对含箱型梁结构提高舰船剩余极限强度的效果进行评价分析。研究结果表明:在不增加主船体纵向构件横剖面积的前提下,箱型梁结构仍能显著提高舰船的剩余极限强度,其提升效果与炸点位置有关。     

船体梁在近距爆炸冲击波作用下动态响应的相似律研究

以船体梁在爆炸冲击波作用下发生整体塑性运动响应的理论方法为基础,首先确定了影响梁整体结构最终塑性变形的相关物理量,利用定律对该问题进行相似性分析,给出相似参数和准确相似条件。研究了考虑结构应变率强化效应造成的相似畸变问题,分析了模型缩比尺度、模型应变率大小以及不同结构材料对相似误差的影响。研究发现:随着缩比尺度的减小,或结构应变率响应值的增大,预报误差将增大;所用结构材料的应变率敏感度越高,模型预报原型的误差越大。结论可用于指导船体梁在水下爆炸冲击波作用下动态响应的模型试验设计。     

基于板块元的水面舰船远场声目标强度预报方法

提出了一种基于板块元的水面舰船水下远场声目标强度数值预报方法,首先根据水面舰船水下船体及附体的型线进行等效建模,采用板块元方法进行网格划分,建立了水面舰船特有的复杂附体二次反射、海面散射效应的数值模型,将各板块元的声散射视为一种"滤波",各板块元的散射声传输函数具有不同幅度、相位、时延,将其叠加之和进行反傅氏变换后,获得水面舰船波形级的远场声目标强度及方位分布特征。通过分析比较典型声呐探测信号下水面舰船的声目标强度,验证了该方法的有效性,为优化与控制水面舰船目标强度,分析水面舰艇水声对抗的作战效能提供了物理依据。     

舰船局部板架结构在水下爆炸冲击波下动态响应的相似律研究

首先分析舰船局部板架结构在水下爆炸冲击波作用下的结构吸能机理.在此基础上确定了影响结构最终塑性变形的相关物理量.利用Π定律对该问题进行相似分析.针对是否计及材料应变率强化效应的两种情况,提出了模型和原型的相似条件,并对考虑应变率强化效应时利用模型预报原型最终塑性变形的误差和影响因素进行了分析.结论可以用于指导舰船局部板架在水下爆炸冲击波作用下动态响应的模型试验,进而预报实船结构的最终塑性变形.     

舰船全船冲击环境数值预报方法研究

借助数值仿真的手段,采用通用有限元软件ABAQUS建立水下爆炸声固耦合方法,模拟水下非接触爆炸作用下舰船冲击响应特性,并通过实船实验数据进行对比,该方法可较好地模拟水下爆炸舰船的冲击环境。在此基础上,计算水下爆炸作用下全船纵向冲击谱值分布规律,总结并拟合出具备一定通用性的数学模型,可用于冲击环境的初步预报。同时得到了全船冲击环境沿垂向位置的分布情况,以及冲击环境随不同攻角条件下的变化规律,为舰船结构的抗冲击设计提供参考。     

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。     

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。     

典型舰船舱室水下爆炸响应特性

以典型舰船舱室结构为目标,研究炸药水下爆炸载荷输出特征和舱室结构的动态响应特性。给出舱室水下爆炸实验的试验装置、测点布设,测量炸药水下爆炸的自由场载荷和舱室所受载荷,分析舱室所受爆炸载荷的作用特征,研究舱室结构在水下爆炸作用下的响应特征,并讨论药量、爆心距对舱室结构动态响应的影响。该研究可以为反舰导弹作用下舰船目标易损性评估提供技术支持,也可为舰船目标防护提供理论参考。