基于ALE方法的加筋圆柱壳水下接触爆炸计算研究

随着水下制导技术的发展,接触爆炸对水下结构的毁伤问题越加受到关注。为研究加筋圆柱壳结构水下接触爆炸毁伤特性,采用LS-DYNA软件的任意拉格朗日-欧拉(ALE)方法模拟爆炸冲击波的形成、传播及其对圆柱壳结构的毁伤过程,探讨水下接触爆炸作用下单、双层加筋圆柱壳的毁伤响应特性,并分析不同药量和爆距条件下加筋圆柱壳的破坏模式。研究结果表明:在不同药量和爆距的水下接触爆炸条件下,加筋圆柱壳呈现多种破坏模式,加筋和加肋位置处易出现撕裂状破口,板壳结构的破坏主要表现为凹陷变形及沿着加筋位置处扩展的裂纹,其中爆距对破坏模式的影响更明显。本文结果可为水下接触爆炸冲击波作用下水下航行体结构强度分析和防护设计提供参考。

接触爆炸下聚脲涂层增强钢板的抗爆性能

为满足装甲车等武器装备在接触爆炸下的防护需求,通过实验与数值模拟开展单层钢板及迎/背爆面聚脲增强钢板接触爆炸下的抗爆性能研究,分析不同面密度、不同聚脲涂覆位置下钢板的破坏模式及防护机理,探究在一定面密度下钢板-聚脲厚度比对复合结构抗爆性能的影响。研究结果表明:背爆面涂覆等厚度聚脲能够有效减小钢板背面穿孔及拉伸破坏,降低结构残余位移,迎爆面涂覆等厚度聚脲能够显著增强结构抗爆能力,使接触爆炸下的钢板损伤大大降低;相同面密度下,聚脲吸能性能与聚脲厚度正相关,但是聚脲过厚会导致复合结构变形加大,稳定性降低;综合考虑聚脲增强钢板结构的破坏变形、速度衰减以及能量吸收情况,在研究范围内,钢板迎爆面涂覆厚度比为1∶0.78的聚脲层具有最佳的抗爆性能。

地聚物超高性能混凝土复合板抗接触爆炸试验与数值模拟

为提升工程结构的抗爆安全性,同时降低水泥基超高性能混凝土高水泥用量对环境的不利影响,提出了一种基于地聚物超高性能混凝土的新型复合板,通过现场爆炸试验和数值模拟研究了该复合板在接触爆炸荷载作用下的动态响应与破坏机理。共测试了1块普通混凝土板和3块地聚物超高性能混凝土复合板,其中地聚物超高性能混凝土复合板由地聚物超高性能混凝土、钢丝网和吸能层制备而成。研究结果表明:采用地聚物超高性能混凝土代替普通混凝土能够有效提升混凝土板的抗爆性能;吸能层材料的高可压缩性和低抗剪强度是造成冲切破坏的主要原因;随着聚氨酯泡沫板层数的增加,复合板的爆坑深度增加,板底跨中位移增大;对复合板进行抗爆设计时,必须考虑吸能泡沫材料的可压缩性及其与地聚物超高性能混凝土之间的波阻抗匹配问题,才能有效提升复合板的抗爆性能。

接触爆炸下波纹钢⁃混凝土板复合结构水下防爆效果评价

为探究不同波纹钢⁃混凝土板复合结构的水下抗爆防护效果,采用有限元⁃光滑粒子流体动力学耦合算法(FEM⁃SPH)建立水下多介质耦合爆炸模型;设计不同波纹钢⁃混凝土板复合结构防护方案,探究不同复合结构防护层(含3,6,9,12 mm厚波纹钢复合结构、含30°,45°,60°,75°波纹钢复合结构和含10,30,50,70 mm波高波纹钢复合结构)的水下削波吸能效果,并提出耗能分担率对复合结构进行防护效果评价。研究结果表明:混凝土板迎爆面与背爆面的模拟结果与试验结果较为吻合,验证了水下接触爆炸模拟过程;不同复合结构防护方案下,含12 mm厚波纹钢复合结构、含75°波纹钢复合结构和含70 mm波高波纹钢复合结构防护方案较无防护方案测点峰值压力最大降幅为63.2%,60%和57.9%,最大防护率分别为63.2%,60.0%和57.9%,耗能分担率为69.48%,66.26%和63.51%;最优型式(厚度为12 mm/夹角为75°/波高为70 mm)复合结构的削波吸能效果及防护效果均显著优于单一因素影响下的复合结构。研究成果可为不同波纹钢⁃混凝土板复合结构在水下抗爆防护领域的应用提供理论基础。

水下接触爆炸作用下金属/CFRP复合层合板的防护性能

碳纤维增强复合材料(carbon fiber-reinforced polymer,CFRP)具有优异的抗爆性能,逐渐被应用于舰船结构的抗爆抗冲击设计中。为了探究水下接触爆炸作用下金属/CFRP复合层合板的防护性能,基于任意拉格朗日-欧拉方法,建立了水下接触爆炸对金属/CFRP复合层合板毁伤的流固耦合数值模型,分析了层合板在承受水下爆炸载荷后的变形和吸能特点,比较了不同铺层方式对结构抗爆性能的影响,结果显示,钢/CFRP/钢结构的抗爆性能较优。针对钢/CFRP/钢结构,探究了CFRP的厚度对吸能效果的影响,并进行了厚度优化,得到了较优的厚度比,即1.1∶4.0∶1.1。

接触爆炸作用下支撑式叠合结构抗震塌性能研究

常规武器作用下,地下构筑物主要在弹着点附近的局部区域发生破坏,并在迎爆面可能产生冲击或爆炸漏斗坑,同时在背爆面产生震塌漏斗坑,严重时则会产生贯穿破坏。提出了一种支撑式叠合结构,不同于在工业与民用建筑、水利水电工程、道桥及港口工程等领域中作为受力构件的叠合结构,支撑式叠合结构可以改变爆炸波的传播路径从而达到有效减少背爆面震塌破坏的目的。通过TNT装药爆炸试验和数值模拟研究,获取了支撑式叠合结构的抗震塌性能、破坏形态及爆炸波传播特征和传播路径,并与单层钢筋混凝土厚板的抗震塌性能进行对比分析。研究结果表明,同等药量作用下,相比于厚度相近的钢筋混凝土单层板,支撑式叠合结构的抗震塌破坏性能有显著提高。

船体板架在水下接触爆炸作用下的破口试验

针对船体中常见的加筋板结构 ,在矩形方板上运用了 3种不同尺寸的 T型材 ,采用“井”字形和“ ”字形两种加筋形式设计了 4个板架模型 ,将模型四边刚性固定 ,在板中央放置炸药 ,分别对其进行了水下接触爆炸试验。爆炸作用下板架模型均以花瓣形破裂 ,产生大面积的破口 ,不同形式和尺寸的加强筋对板架的破坏程度具有不同的影响。通过对破口尺寸和形状的观测 ,分析了加强筋对破口长度的影响 ,提出了板架结构加强筋相对刚度 Cj的概念 ,描绘了不同尺寸加强筋在不同炸药量下对板架结构破口范围的影响。同时 ,对现有的水下接触爆炸作用下的破口长度估算公式进行了修正 ,给出了考虑加强筋影响的破口计算公式 ;经过比较 。

基于Lagrange、ALE和SPH算法的接触爆炸模拟计算

运用LS-DYNA软件的Lagrange、ALE和SPH三种不同算法对炸药在钢筋混凝土板表面触爆进行了数值模拟,3种算法都模拟了表面触爆下炸药爆轰及混凝土板破坏的全过程。通过实际算例从模型建立、计算结果和计算时间3个方面对比分析了3种不同算法的优缺点,从而为爆炸效应数值模拟方法上提供一些建议和参考。

舰船水下非接触爆炸抗冲击技术综述

舰船水下非接触爆炸抗冲击技术是提高现代舰船生命力和战斗力的重要内容,也是一项多学科、多领域交叉的系统工程,正日益受到重视。本文对该技术的体系构成、主要特点、核心问题、关键技术及其发展趋势进行了全面总结,深入分析了舰船抗冲击技术的国外发展状况和中国的差距,提出了中国开展舰船抗冲击技术的主要方向,并强调将该技术与舰船研制进程紧密结合是提高中国舰船抗冲击性能的必由之路。

舰船单元结构模型水下接触爆炸破口试验研究

以 3种舰船单元结构模型水下接触爆炸试验为基础 ,对结构模型所产生的变形、破口尺寸、破口形状进行了观测与分析 ,查找并发现结构中的薄弱环节 .提出了板架结构加强筋相对刚度概念 ,确定了破口长度的估算系数 ,同时为舰船结构在水下爆炸作用下的破口数值计算提供了试验数据 。

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。

水下接触爆炸作用下加筋板的动态响应分析

主要仿真模拟计算了加筋板结构在水下接触爆炸荷载作用下的动力响应。以加筋板模型为研究对象,建立了平板、井字加筋板、十字加筋板三种模型。利用非线性有限元程序LS-DYNA,分别模拟计算出它们在水下接触爆炸荷载作用下的动力响应。分析了各个模型计算结果,对比了位移、等效应力、压力等变量,得出结论:加筋板具有分散爆炸冲击波的作用,加筋板抵抗爆炸冲击波冲击的能力更强,结构更偏于安全。

水下近场及接触爆炸作用下双层底结构损伤试验研究

针对水面舰艇底部结构设计双层底缩比试验模型;据冲击因子设定水下近场及接触爆炸工况,通过对试验结果分析,总结双层底结构在近场及接触爆炸载荷作用下的损伤模式;采用体积等效原理对试验模型裂纹处板厚变化分析,确定Q235钢在双层底模型拉伸破坏模式中的断裂应变;为舰船抗爆抗冲击的理论及数值研究提供参考数据。

多舱防护结构水下接触爆炸吸能研究

接触爆炸条件下,舰船结构破损非常严重,大型水面舰艇的多舱防护结构以空间换防护,可将接触爆炸载荷层层吸收,从而保护防护结构内部的各个舱室。文章根据一系列水下接触爆炸试验,结合水下接触爆炸载荷下作用载荷能量和结构破损吸能计算,分析了爆炸载荷能量与结构总吸能的比例关系,以及药量、结构参数对总吸能分配的影响,对提高多舱防护结构抗爆能力具有一定的参考价值。

水下近距和接触爆炸流固耦合作用机理及加载效应研究

深入理解近距和接触爆炸(R0≤R≤6R0)范围内的流固耦合作用机理及加载特性,对水中兵器毁伤效应和舰船抗爆防护研究均具有重要的现实意义。为了揭示水下近距和接触爆炸范围内的流固耦合作用过程,对爆距小于或等于4倍药包半径范围内的背气钢板进行了水下爆炸试验,采用多普勒光纤探针和聚偏氟乙烯计测得了背气钢板典型位置处结构运动速度时程和壁压时程。建立了数值模型,并对试验过程进行了模拟。为了能够表征水下爆炸导致的空化及其闭合再加载过程,水介质用两相状态方程描述。结果表明,数值计算结果与试验结果吻合良好,验证了数值计算方法的可靠性。结合试验和数值结果,详细分析了水下近距和接触爆炸范围内冲击波的传播、冲击波与气泡(爆轰产物气团)的相互作用以及空化闭合再加载效应,揭示了结构上不同位置处的加载机理。

外接触爆炸荷载作用下大口径钢管变形与破坏效应的数值模拟

基于动力有限元程序LS-DYNA及Lagrangian-Eulerian耦合方法,对大口径钢管在凝聚态炸药外接触爆炸载荷作用下的非线性动态响应过程进行数值模拟,描述了管道的变形情况、破坏过程以及管道内部应力的发展过程,分析了炸药质量、管道壁厚等因素对钢管破坏效应的影响。并在相同的条件下进行了实验研究,计算结果与实验数据具有较好的一致性。研究表明,小质量炸药爆炸后在装药与钢管接触处产生凹坑、鼓包及层裂等破坏效应;而较大质量炸药爆炸后在其爆破部位发生剪切破坏产生类似弹丸的破片,破片具有较大的动能,能够击穿另一侧管壁。研究结果可应用于管道结构在接触爆炸作用下的毁伤或防护方面的预测,从而为管道的安全防护设计提供理论依据。

混凝土板在接触爆炸作用下的震塌和贯穿临界厚度计算方法

采用刚塑性模型描述介质的动力学行为,结合不可压缩条件和质量守恒条件及边界条件,构造塑性区的动力学许可速度场;利用极限平衡原理推导动力学许可速度场所对应的介质抗力的量纲一表达式;根据初始条件和边界条件,求解运动方程,分别得到爆炸震塌的临界厚度和爆炸贯穿的临界厚度,并推得能够反映爆炸源参数和材料参数综合性质的量纲一冲击因子。将推得的计算公式与经验公式对比分析,证明本文计算结果合理,推导的计算公式揭示了经验公式的物理本质,且具有较为广泛的适用范围。

SFRC及混凝土遮弹板抗接触爆炸性能的数值分析

为了对混凝土及钢纤维混凝土材料的抗爆炸性能进行对比研究,利用LS-DYNA3D动力有限元程序采用Lagrangian-Eulerian耦合方法,对接触爆炸作用下混凝土及钢纤维混凝土遮弹板的迎爆坑形成过程进行了数值模拟,模拟结果与试验结果吻合较好.确定了2种材料爆炸压缩破坏系数Ka值,并给出了遮弹板底部砂土介质中压力的分布情况.研究表明,混凝土中加入钢纤维提高了材料的抗压强度及断裂韧度,使钢纤维混凝土抗爆能力优于基体标号相同的普通混凝土.

空中接触爆炸作用下船体板架塑性动力响应及破口研究

导弹或炸弹接触爆炸对船体板架的破坏作用 ,可分为初始穿孔作用和爆炸冲击波作用两部分 ,从而可将其破损看作早期穿孔和壳板的后续塑性变形两个阶段。为简化计算 ,将船体板架按照一定的等效原则简化为圆形板。第一阶段 ,该圆形板在中心产生初始穿孔 ;第二阶段 ,爆炸冲击波作用以冲量的形式作用在穿孔后的剩余板结构上 ,给板一个初始动能。剩余结构在该动能驱动下继续变形 ,动能逐渐转化为变形能 ,并最终达到平衡状态。通过假设一定的塑性变形模式 ,得到变形能与变形的关系 ,利用动量定理和能量守恒定理 ,建立了板架塑性变形的理论模型 ,得出了变形挠度的计算公式。通过接触爆炸试验 ,得出材料极限动应变的估算值 ,并以最大环向应变等于极限动应变作为板架径向撕裂的条件 ,得到破口半径的计算公式。利用上述破口计算方法 ,对某型驱逐舰的几个典型船体甲板板架在受到飞鱼导弹及 GBV-1 2型激光炸弹攻击时的变形挠度和破口尺寸进行计算。以实船在遭受空中打击时的战损事例和打靶试验数据进行比较后 ,证实该破口计算公式可用于船舶受空中接触爆炸作用下产生的破口估算。

水下接触爆炸下多舱防护结构载荷特性及动响应研究进展

为探究水下接触爆炸载荷对大型舰船水下舷侧多舱防护结构毁伤的研究进展,从水下接触爆炸下多舱防护结构载荷特性及结构动响应2个方面综述国内外研究现状。对水下接触爆炸产生的冲击波载荷、复杂边界条件下的气泡载荷及高速破片侵彻液舱引起的冲击波载荷的研究现状进行综述;同时对水下接触爆炸下多舱防护结构的舷侧外板结构(背空板)、液舱结构及夹芯结构的响应研究现状分别进行综述。总结国内外学者对相关问题的研究成果,指出目前研究工作中存在的盲点,提出需要进一步研究和解决的问题,旨在为多舱防护结构的研究、设计和优化工作提供参考。