水下非接触性爆炸下分层圆孔覆盖层动响应及抗冲击性能研究

在舰船湿表面敷设橡胶材料防护覆盖层是应用广泛且能有效提高水下非接触性爆炸抗冲击性能的方法。以舰艇的水下抗冲击防护为背景,借鉴功能梯度材料的概念,对四种分层圆孔蜂窝覆盖层在水下非接触性爆炸作用下的动响应及抗冲击性能做了研究。先利用不同的超弹性本构模型对材料试验数据进行拟合,在此基础上选择合适的模型,讨论冲击波压力幅值、胞元大小、排布对响应特点和抗冲击性能的影响。研究结果对水下非接触性爆炸下该覆盖层的抗冲击性能和机理认识有一定指导作用,为新型防护覆盖层的选用和进一步优化设计提供参考。     

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。     

覆盖层加筋板结构水下抗爆性能对比试验研究

为提高潜艇的隐身性能,潜艇壳体表面常敷设声学覆盖层结构。声学覆盖层常设有各类空腔等特殊结构形式,在受到水下爆炸冲击波时空腔产生变形并吸收能量,对潜艇的抗冲击性能产生影响。分别对不同覆盖层及无覆盖层的加筋平板试件开展水下抗爆炸性能对比性试验研究。通过试验获取各加筋平板试件典型部位的加速度、应变响应。比较不同覆盖层对加筋平板结构的实际抗冲效果,为今后声学覆盖层的抗冲设计和研究提供参考。     

声学覆盖层对潜艇抗水下爆炸能力的影响研究

为提高潜艇的隐身性能,潜艇壳体表面常敷设声学覆盖层结构.声学覆盖层常设有各类空腔等特殊结构形式,在受到水下爆炸冲击波时,空腔很容易产生变形并吸收能量,对潜艇的抗冲击性能产生影响.采用复合板单元的等效方法,针对敷设声学覆盖层的潜艇的抗冲击性能进行研究,得到了声学覆盖层对潜艇破坏环境、冲击环境的影响规律.研究表明,声学覆盖层将增加艇体结构对冲击波能量的吸收,使潜艇的破坏环境变坏,并使潜艇典型部位的设计冲击谱增大,但随着声学覆盖层的敷设方式不同,典型部位的设计冲击谱变化也各不相同.     

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。     

潜艇湿表面抗冲覆盖层压缩特性及抗冲击性能研究

针对在艇体湿表面敷设橡胶材料防护覆盖层能有效提高水下非接触性爆炸抗冲击性能,以潜艇水下爆炸抗冲击防护为背景,为解决潜艇湿表面覆盖层承压与抗冲间之矛盾,对六边形蜂窝抗冲覆盖层进行改进,开展潜艇湿表面抗冲覆盖层压缩特性及抗冲击性能研究。讨论钢片厚度及偏距对承压特性与抗冲击性能影响。分析结果可对潜艇湿表面抗冲覆盖层设计与研究提供参考。     

橡胶蜂窝覆盖层水下爆炸响应及抗冲击性能

为了进行橡胶材料手性蜂窝覆盖层的水下非接触性爆炸动响应、抗冲击性能及机理研究;利用Abaqus中的不同超弹性本构模型对材料试验数据进行拟合,在此基础上选择合适的本构模型,然后分析其响应特点,研究主要设计参数包括高度和镂空率对抗冲击性能的影响。研究结果对该覆盖层的水下爆炸抗冲击防护机理和性能认识有一定指导作用,为结构的进一步优化设计提供参考。     

敷设声学覆盖层的板架结构抗冲击性能数值计算研究

为提高潜艇的隐身性能,通常在潜艇非耐压壳板外表面敷设消声瓦,在耐压壳体的外表面敷设隔声去耦瓦,在耐压壳体内表面敷设"阻尼层"(以上三种结构统称为多种声学覆盖层);由于声学覆盖层含有空腔的特殊结构形式,该空腔结构形式在受到爆炸冲击波时,腔体将产生变形并吸收能量,这将严重影响潜艇的抗冲击性能。因此,针对敷设声学覆盖层的板架结构的吸能性能进行研究,找出了覆盖层空腔结构变形、速度及加速度与冲击波能量吸收之间的关系,得到敷设声学覆盖层板架结构的抗冲性能;并对声学覆盖层结构进行优化,在此基础上,给出兼具抗冲和隔振功能的声学覆盖层结构设计及性能参数的优化建议。     

水下冲击波作用的铝合金蜂窝夹层板动力学响应研究

为研究铝合金蜂窝夹层板水下爆炸冲击波载荷作用的动态响应及抗冲击性能,利用非药式水下爆炸冲击波加载装置对气背固支5A06铝合金夹层板及具有相同面密度的单层板进行水下冲击波加载试验。利用高速相机结合三维数字散斑技术(DIC)对夹层板后面板动态响应进行实时测量,获得夹层板气背面受水下冲击波作用的动态响应历程及变形毁伤模式,比较分析铝合金蜂窝夹层板抗冲击防护性能。结果表明,较相同面密度的单层板,蜂窝夹层板受水下冲击波载荷作用的芯层压缩能有效减少气背面板的塑性变形,提高夹层结构整体抗冲击性能。     

塑性泡沫抗冲覆盖层深水爆炸响应分析

针对芯层为塑性泡沫的抗冲覆盖层在静水压力及水下非接触爆炸载荷共同作用时的响应问题进行理论分析。采用塑性冲击波理论、流固耦合理论及空化理论,建立塑性泡沫覆盖层深水爆炸响应理论模型,形成针对特定输入载荷的覆盖层定量计算方法。研究结果揭示了塑性泡沫夹芯结构的冲击防护机理、防护效果以及静水压力的影响。     

Computational investigation of the mitigation of an underwater explosion

The protection effects of a mitigation layer in an underwater explosion are investigated here. The explosion shock loads on a mitigated structure are computed by a Mie–Grüneisen mixture model. Validation tests show that the model is efficient for the underwater explosion problem. Then underwater explosion problems with different mitigation layers are simulated here. In these simulations, special attention is paid on the second shock wave, which is induced by the reflection of the main shock wave. From the results, it is found that the shock impedance of the mitigation layer plays an important role. It determines not only the property of second shock loads, but also the occurrence of protection effects of the mitigation layer. After that the protection effects of layer thickness and explosive–structure distance are studied here. It is found that these factors influence the main shock slightly, but have significant influence on the second shock. In addition, the compressible structure can also be protected by the mitigation layer.     

水下爆炸应力波在含声学覆盖层结构中的传播规律

 针对舰船的含声学覆盖层结构,对水下爆炸作用下应力波在该结构中的传播规律进行研究。采用二阶Godunov方法,建立水下爆炸应力波在多层介质中传播的计算模型,并与经典Taylor平板解析解进行对比验证;通过对不同工况下的应力波传播规律分析,获得边界条件、声学覆盖层厚度等参数对其影响规律,可为舰艇抗冲击设计、研究提供参考。     

氧化剂对炸药水中爆炸能量输出结构的影响

为了研究氧化剂对炸药爆炸能量输出结构的影响,采用水中爆炸试验方法研究了高氯酸铵(AP)对炸药水中爆炸冲击波的影响。试验结果表明,在炸药中添加AP,可以调整炸药爆炸能量输出结构,降低炸药水中爆炸冲击波的压力衰减速度,提高炸药水中爆炸冲击波冲量。通过等质量替换试验发现,AP在试验所用的炸药体系中释放的能量高于黑索今(RDX),试验结果可为炸药配方精细化设计及水中兵器毁伤设计提供指导。     

空气隔层对水下爆炸冲击波的缓冲效应

由于水下爆炸对结构的破坏能力比空中爆炸要强得多,因此针对水下结构的防护越来越受到重视。根据一维应力波在不同介质交界面的透射反射理论,从理论上分析了低波阻抗介质(如空气)对水下爆炸冲击波传播的影响。通过建立含空气隔层的水下爆炸全耦合模型,考虑水下爆炸冲击波与空气隔层及爆轰产物的动态相互作用,研究了空气隔层对水下爆炸冲击波的缓冲效应,揭示了空气隔层的运动发展过程。同时分析了空气隔层厚度及位置对水下爆炸冲击波缓冲效应的影响。结果表明:空气隔层距防护对象越近,防护效果越佳,具有重要的工程应用价值。     

含铝炸药近场水下爆炸冲击波的实验及数值模拟

含铝炸药能改善能量的输出结构,增强爆轰产物的做功能力,将其应用于水下爆炸,能显著提高水中兵器的爆炸威力和毁伤能力。基于电测法采用PVDF压力传感器开展含铝炸药RL-F和TNT近场水下爆炸冲击波实验,并采用耦合欧拉-拉格朗日(CEL)法对其进行模拟;通过将仿真结果与实验值及经验值对比,结果表明采用合理的边界条件、计算参数和有限元模型,CEL方法能准确地模拟含铝炸药和TNT近场水下爆炸冲击波的传播过程;含铝炸药近场水下爆炸冲击波压力衰减速率相对于TNT较缓慢。在验证数值模型合理性的基础上,将数值结果拟合得到TNT近场水下爆炸冲击波峰值压力在6倍装药半径内以及含铝炸药峰值压力在一定比例距离范围内的近似回归公式。     

一种传感器结构对水中爆炸冲击波影响的数值模拟研究?

为了了解一种流线型传感器结构对水中爆炸冲击波传播的影响规律,利用有限元方法对这种流线型传感器结构附近的水中爆炸冲击波传播过程进行数值模拟,研究分析了这种流线型传感器结构对水中爆炸冲击波传播的影响规律。研究结果表明,这种流线型传感器的前端锥体结构会使传感器结构表面冲击波增强,冲击波压力增大。传感器结构外径尺寸越大,对冲击波的增强作用越明显,前端锥体结构锥角高度不同的传感器结构对冲击波增强作用没有显著差异。     

浅水爆炸下高桩钢管柱表面作用荷载实验研究

通过不同炸药量、不同爆炸距离、不同起爆深度的水中爆炸模型实验,研究了浅水爆炸条件下高桩钢管柱表面压力特征和空间分布规律,分析了比例爆距对冲击波峰值及空间分布影响,给出了钢管柱表面冲击波反射系数、绕射系数和抗爆设计中实际作用冲击波的工程算法。研究结果表明:水中爆炸作用下,反射和绕射冲击波近似同时作用在钢管柱表面,峰值沿柱身高度方向非均匀分;冲击波受水面影响程度相对较小,二次气泡脉动受水面影响程度较大;反射和绕射冲击波峰值均随炸药量增加、作用距离减小而增加。比例爆距相同,反射冲击波峰值相同,但炸药量小、爆炸距离近的实验工况绕射冲击波峰值相对较小;钢管柱表面冲击波反射系数和绕射系数随比例爆距增加而减小。比例爆距≥1.71时,钢管柱实际作用冲击波峰值可近似按自由场冲击波峰值的1.37倍计算。     

浅水中爆炸水底介质对水中冲击波峰值压力影响的试验研究

作为评判水中爆炸冲击波强度的一个重要因素,水中冲击波峰值压力研究至关重要。在满足爆炸相似律的基础上对水中爆炸试验的相似要求进行推导,建立试验条件下水中冲击波峰值压力的回归模型。在两种水底介质、不同水深情况下进行试验,采集不同测点的水中冲击波的峰值压力,运用π定理和量纲分析、最小二乘法对试验数据进行分析,得出了符合爆炸相似律的公式,并验证了回归公式的准确性。通过显著性检验可知浅水中爆炸中测点和装药的距离对水中冲击波峰值压力的影响最大,水深因素的影响可忽略。对不同水底介质试验中的数据分析得出水底介质对峰值压力影响较大,软泥夹石水底试验中测得冲击波峰值压力约为软泥水底试验中冲击波峰值压力的4/3倍。     

The effect of underwater explosion shock loading on the fatigue behaviour of grp laminates

This paper reports changes in the fatigue behaviour of glass-reinforced polymer (GRP) laminates after being subjected to increasing shock wave pressures produced by an underwater explosion. The shock testing was performed in a small-scale underwater explosion facility, and by using larger explosive charges and smaller separation distances between the charge and GRP, it was possible to exert higher underwater shock wave pressures on the laminate. The laminate was then fatigue tested in tension-compresion at a stress ratio, R, of — 1 to obtain S-N curves. At low shock pressures the laminate experienced a small amount of cracking in the polymer matrix, but this did not alter the fatigue performance compared with the unshocked laminate. At high shock pressures the laminate experienced gross structural damage in the form of polymer cracking, delamination between the polymer and glass fibre, and fracture of the glass fibres. These effects caused a large reduction in the fatigue resistance.     

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。