大型水面舰艇防雷舱结构防护机理数值仿真

为研究大型水面舰艇防雷舱结构的防护机理,运用MSC.Dytran,建立多材料和多耦合面的流固耦合模型,模拟了典型防雷舱结构在水下接触爆炸作用下的变形与破坏,并与试验结果进行对比,验证该方法的正确性.在综合分析防雷舱结构破坏的基本过程、外板对冲击波的响应、第1层空舱和液舱防护机理的基础上,分析了水下接触爆炸时冲击波荷载和气泡膨胀荷载分别对防雷舱结构的作用机理,研究了防雷舱结构对水下接触爆炸的防护机理.结果表明:外板是防护冲击波的主要载体,高速度破片的防护主要依赖防护液舱,而气泡膨胀荷载的防护则需要第1层空舱的舱壁结构整体承担.

高速破片在防雷舱结构中引起的冲击荷载的理论研究

运用一维平面波理论,研究大型高速破片在防雷舱结构中引起的冲击荷载,得到了初始冲击荷载的理论公式。与有限元计算结果进行比较,证明了理论公式的正确性。运用理论计算公式分析了破片参数对冲击荷载的影响,结果表明:破片速度与冲击荷载峰值成正比,速度越快,峰值越大;速度越慢,峰值越小。而破片速度对冲击荷载的衰减没有影响,即不同速度的破片在水中引起的冲击荷载具有相同的衰减规律。不同厚度破片引起的冲击荷载的具有相同的峰值,但有不同的作用时间。破片的越厚,荷载作用时间越长;破片越薄,荷载作用时间越短。最后基于理论分析确定了几何衰减的函数形式,采用数值试验数据进行回归分析,得到了冲击波的几何衰减系数。

水下爆炸冲击波作用下空气背衬平板的运动

运用一维平面波理论,得到了空气背衬平板对水下爆炸冲击波响应的波动理论公式。通过比较波动理论公式与Taylor公式的计算结果,表明二者在平板波阻抗远大于水介质时具有很好的一致性。但是当平板的弹性模量和密度减小时,Taylor公式的误差增大,而波动理论公式则仍具有很好的精确性。相同质量的平板在相同的水下爆炸冲击波作用下的最大速度与平板的弹性模量和密度成反比,而不同厚度的钢板对相同水下爆炸冲击波响应的计算结果表明,平板的厚度与最大速度成反比,但增加平板厚度并不能达到很好的隔振效果。

爆炸荷载简化形式对弹性区应力场的影响

以地下爆炸弹性区为研究对象,根据弹性动力学理论,给出球形空腔膨胀的本构方程。以阶跃函数、指数衰减函数、三角形函数和双指数函数4种简化形式的爆炸荷载作为边界条件,求得弹性区应力场。对比分析4类应力场的相同点与不同点,结果表明三角形函数和双指数函数的简化形式能更好地模拟弹性区边界上的爆炸荷载,且三角形函数具有简单适用的特点。

近距爆炸作用下叠层复合夹芯板局部层裂破坏的理论研究

运用一维波动理论研究复合夹芯板中波的传播与局部层裂破坏,考虑应力波在夹芯板各层之间的反射和透射,得到了各层介质中压力时程的理论计算公式,建立一维平面波荷载在夹芯板中传播的理论计算方法。基于动量定律和第一强度理论,得到了夹芯板运动与破坏特征的理论计算公式。理论计算结果与试验结果的比较分析证明了理论计算方法的正确性。夹芯板对爆炸荷载防护特性的分析表明,虽然第一层钢板和夹芯层可以显著降低爆炸冲击波的峰值,但第二层钢板才是抵御爆炸冲击波的主要部位,而复合夹芯层的剥落破坏也需重点关注。

岩石中柱形装药爆破破坏区域的理论计算

为了解决柱形装药在岩石中爆破破坏分区的问题,在空腔膨胀理论的基础上,采用Mohr-coulomb强度准则作为爆破近区的岩石本构模型,修正空腔膨胀理论中的速度场关系式,建立了柱形装药在岩石中爆破的力学控制方程,结合爆破弹性区的准静力解,给出了爆炸空腔、破碎区和径向裂缝区半径的理论计算公式。最后以四种岩石为研究对象,根据得到的理论公式进行算例分析,计算结果与相关文献资料进行比较,证明了理论公式的正确性。

地下爆炸的地表运动研究

将整个地下爆炸破坏区看成爆炸地震波的震动源,根据爆炸等效荷载理论和爆炸近区破坏理论,得到用速度表达的空腔边界荷载。提出地下爆炸震源的简化计算模型,将地下爆炸的地表响应转化为弹性半空间内球面膨胀波的传播和反射问题。运用不完全分离变量法的理论计算爆炸地震波在半空间内传播,得到地表质点响应的运动场。以数值计算为基础,定量分析地下爆炸的地表运动,得到地表最大质点速度的指数衰减规律。与国内外试验得到的经验公式进行对比,验证该计算方法的正确性。

舰船结构对水下近距爆炸的响应研究进展

开展舰船结构对水下近距爆炸的响应研究对于改善舰船结构的防护性能、增强战时的生存能力具有十分重要的意义。通过综合近年来舰船结构对水下近距爆炸响应的研究成果,阐明了水下近距爆炸载荷的理论、实验和数值研究进展,并分类总结了水下近距爆炸时的流体结构相互作用与平板、圆柱壳、梁和舰船结构响应的研究现状。最后给出了当前急需加强研究的4个方面的问题:复杂边界条件下的水下爆炸载荷特性、结构冲击破坏的仿真、结构模型试验相似规律以及新型材料和结构对水下近距爆炸载荷的响应。

数值模拟方法对浅水爆炸荷载的影响

采用LS-Dyna和MSC.Dytran分别建立了浅水爆炸的三维数值仿真模型,通过仿真现象和与经验公式的对比验证了模型的可信性。对二者的仿真结果进行了对比研究,得到如下结论:MSC.Dytran的边界设定和流固耦合能力更强,气泡脉动速度和周期衰减更快且最大半径较大,对气泡脉动峰压和冲击波比冲量的仿真更为精确;LS-Dyna仿真水底的反射作用更加明显,对冲击波峰压和气泡脉动比冲量的仿真效果更好,且仿真荷载的主要分布位置比MSC.Dytran仿真更接近水底。二者仿真气泡溃散形态有所区别,且待进一步开展试验研究以验证。

弹性空腔膨胀中边界条件的转换方法

以弹性空腔膨胀为研究对象,利用速度和应力2种边界条件下运动场势函数相等的原理,运用La-place变换及其卷积定理,得到了两种边界条件的相互转换关系,建立了球面波运动场中速度场与应力场的转换关系。以双指数应力时程和正弦指数衰减速度时程为例,研究了球面波运动场转换的特点。结果表明,球面波上的应力和速度之间不是简单的线性关系,与平面波相比,球面波上的质点速度较小。而影响这种差异大小的主要因素是波的传播距离和介质中波的传播速度,波传播距离越近,传播速度越快,这种差异越大。

近距空爆载荷作用下固支方板的变形及破坏模式

为探讨战斗部近炸下舰船结构的变形模式,为后续理论分析和数值模拟提供实验数据,通过模型实验,分析了固支大尺寸方板在近距空爆载荷下的变形和破坏模式。在此基础上,通过测量板破裂后各裂瓣的减薄率,利用双向应变假设和体积等效原理确定了Q235钢在中部拉伸撕裂破坏模式下的断裂极限应变;根据实验模型的变形和破坏模式,基于刚塑性假设和能量密度准则提出了结构在局部爆炸载荷下的破裂判据,并对实验结果进行了预测。结果表明,随着载荷强度的增大,固支方板呈现出3种不同的变形和破坏模式;利用破裂判据对实验工况进行了预测,预测结果与实验吻合较好。

近距空爆载荷作用下双层防爆舱壁结构抗爆性能仿真分析

为探讨双层舱壁结构的抗爆性能,采用有限元仿真分析了近距空爆载荷作用下结构的动态响应过程和板材最大有效塑性应变随冲击波载荷强度的变化关系以及结构的失效破坏模式和动态吸能特性,并与相同材料同等重量的传统加筋板架进行了比较,最后对抗爆性能较好的CI型双层舱壁结构进行了结构抗爆的近似优化。研究结果表明:双层舱壁结构能够有效避免局部撕裂失效的破坏模式;相同冲击波载荷作用下,双层舱壁结构吸能较大,但结构板材的最大等效塑性应变却比加筋板架小,因而抗爆性能明显优于加筋板架;通过结构抗爆的近似优化可得到抗爆性能更优的双层舱壁结构,可为工程中双层舱壁结构的选型和抗爆防护结构单元的设计提供参考。

钢纤维喷射混凝土支护抗常规爆炸震塌能力研究

采用一维震塌模型,运用拉应力累积损伤破坏准则,分析常规爆炸作用下坑道震塌剥落条件,针对钢纤维喷射混凝土支护,结合现行有关规范,推导出震塌剥落层速度的实用计算方法,并运用数值模拟手段对计算结果进行验证,通过钢纤维喷射混凝土支护坑道的震塌剥落层速度与其他支护类型及毛洞的震塌剥落层速度对比,量化说明钢纤维喷射混凝土支护抗爆炸震塌的能力。

低温环境下ISG技术柴油机起动性能分析

分析了低温环境下ISG技术柴油机起动性能的主要影响因素,结合柴油机的起动阻力矩、最低起动转速和ISG电机工作特性等因素,确定了ISG电机的最大输出功率;考察了极板结构、电解液温度对蓄电池容量的影响,研究了起动阻力矩与ISG电机功率、蓄电池容量之间的匹配关系,得到了起动阻力矩随环境温度、起动转速的变化规律。试验表明：减少板极厚度、增加板极高度,适当提高电解液密度,可以提高蓄电池容量;在相同的环境温度下,起动阻力矩随起动转速的提高而增大,当转速高于200 r/min时,转速每提高50 r/min,起动阻力矩增加4~11 N.m;当环境温度低于0℃,转速不变时,环境温度每降低5℃,起动阻力矩增加约3~5 N.m;-25℃下ISG技术柴油机的起动着火转速可达350 r/min以上,起动时间缩短,且起动过程中转速过渡较为平滑,有利于提高起动工况下的动力性、改善排放性。

结构形式对舰船舷侧复合装甲结构抗穿甲性能的影响研究

为探讨结构形式对舰船舷侧复合装甲结构抗穿甲性能的影响,采用均质钢板前置和后置复合材料板分别模拟舰船舷侧外设和内设复合装甲结构,结合低速弹道冲击实验,分析和比较了两种结构形式组合靶板的穿甲破坏模式和抗弹吸能能力。在此基础上,得到了球头弹穿透后置组合靶板的剩余速度理论预测公式,并与试验结果进行了比较。结果表明,两种组合靶板中复合装甲板破坏模式的差异主要体现在迎弹面纤维剪切断裂的程度,而均质钢板则由于复合装甲板的影响,呈现出完全不同的破坏模式;后置组合靶板的抗弹吸能能力要大于前置组合靶板;将弹丸穿透后置组合靶板的剩余速度理论预测值与实验结果进行比较,两者吻合较好。

港口水下爆炸荷载冲击特性研究

采用数值仿真方法研究港口水下爆炸荷载的冲击特性,并与经验公式及实验结果比较验证数值模拟方法的正确性;分析水下爆炸冲击波传播过程与气泡膨胀规律。研究表明,港口水下爆炸气泡膨胀荷载不可忽略,由比冲量知,大部分区域气泡膨胀荷载大于冲击波荷载;自由水面对冲击波荷载与气泡膨胀荷载均影响较大,越接近水面二者比冲量越小,气泡膨胀荷载衰减越快,在水面附近其冲量甚至会小于冲击波荷载。水底对气泡膨胀荷载影响不大,而对冲击波荷载影响较大。受水底反射波影响,冲击波作用时间缩短,导致比冲量迅速减小。水底有淤泥层时,冲击波在泥层与水体交界面反射不显著,水底反射冲击波主要来自泥层底部与岩石层分界面。

弹丸低速贯穿纤维与金属组合薄靶板的试验研究

为研究半穿甲战斗部动能侵彻下舰船舷侧复合装甲结构的抗穿甲机理,以均质钢板前置复合材料板模拟舰船舷侧复合装甲结构,采用低速弹道冲击试验,研究了结构的典型破坏模式和吸能机理,分析了前置复合装甲板的面密度对组合结构靶板整体抗穿甲性能的影响。在此基础上,根据靶板的破坏模式,得到了球头弹丸低速贯穿组合靶板的剩余速度预测公式。结果表明,组合靶板在弹丸低速冲击下主要呈现局部破坏,前置复合装甲板的破坏模式主要为纤维拉伸断裂,迎弹面存在少量的纤维剪切断裂,而钢质背板则主要呈现花瓣开裂破坏;组合靶板的整体抗弹性能随前置复合装甲板面密度的增加而提高;将理论预测剩余速度值与实验结果进行了比较,二者吻合较好。

钢纤维水泥基复合材料力学性能试验

为进一步提高RPC的力学性能,满足国防工程的需要,进行了不同掺量钢纤维的情况下水泥基复合材料的力学性能试验。试验测得了不同钢纤维含量的情况下,水泥的各种强度。试验表明,在钢纤维体积率相同的情况下,抗折强度的提高率要大于劈拉强度的提高率,但钢纤维体积率超过一定比例后抗折强度与劈拉强度的提高率变小。随钢纤维体积率的增加,钢纤维水泥净浆的抗压强度也有所增大,但提高并不明显。并对以上试验结果做了分析,认为纤维间距是影响强度的重要原因。

近距非接触空爆载荷作用下固支方板破口计算

为研究战斗部近炸下舰船结构的破口现象,结合模型试验,对固支大尺寸方板在近距空爆载荷下的变形及破裂情况进行了分析.基于刚塑性假设和能量密度准则提出了确定结构初始破孔大小的计算方法,利用能量守恒原理,建立了固支大尺寸方板在近距非接触空爆载荷下最终破口大小的理论计算模型,并对试验工况进行了计算.结果表明,理论计算得到的最终破口以及初始破孔大小均与试验结果吻合较好.工程上,可利用所建立的计算模型对舰船结构在近距非接触空爆载荷作用下的破口大小进行估算.

接触爆炸作用下舰船箱型梁结构的止裂效应仿真分析

为研究箱型梁在舰船结构抗爆中的止裂效应,首先通过模型试验分析不同加筋对板架破口大小和裂纹扩展的影响,然后在此基础上,利用商用有限元程序MSC/Dytran对舰船箱型梁结构的抗爆止裂效果进行仿真分析。结果表明,在接触爆炸下,板架的强力构件(如特大筋)对破口大小和裂纹扩展能起到很好的限制作用;通过将模型数值计算与试验结果进行比较,验证了应用程序和计算模型参数的稳定性与可靠性;箱型梁在舰船结构抗爆中能起到很好的止裂效果,这是由于一方面箱型梁的存在对甲板边板和舷侧顶板以及两者之间的连接进行了加强,减小了甲板和舷侧外板连接处的应力,另一方面,作为舰船整体结构的强力构件,箱型梁本身就能有效阻止破口及其裂纹的扩展,从而大大降低舰船结构整体的毁伤程度。