舰船舱内爆炸载荷下Y形夹层板动响应及抗爆性能影响因素

针对反舰武器攻击下舰船结构抗毁伤防护问题,采用小型舱室模型实验结合有限元数值分析的方法,分析不同爆距下Y形夹层板结构的动响应特性,总结得到Y形夹层板结构面板的7种变形模式,发现面板变形模式与爆距和与其相连芯层刚度的相对强弱有关,爆距较小时面板易发生局部隆起变形,爆距较大则易发生整体碟形变形或板格变形,芯层强、面板弱时面板易发生板格变形,面板强、芯层弱时则易发生整体碟形变形,迎爆面板和V形芯层的刚度较大时背爆面面板则发生整体碟形变形。总结了Y形芯层在舱内爆炸载荷作用下的3种典型变形情况,即V屈曲I失稳、V屈曲I不变、V不变I不变;探究了迎爆面面板厚度、V形芯层厚度和I形芯层厚度对Y形夹层板结构抗爆性能的影响,发现增加迎爆面面板厚度和I形芯层厚度都可以显著降低背板变形,但增加迎爆面面板厚度会使得结构总吸能降低,增加I形芯层厚度则结构总吸能基本不变,增加V形芯层厚度则V形芯层吸能急剧下降,背板最大变形先增加再减小,结构总吸能下降。

典型舱内爆炸载荷作用下吸能元件防护特性研究

[目的]旨在探讨舱内爆炸冲击波与准静态气压载荷共同作用下的抗爆吸能芯层设计方法。[方法]采用有限元数值计算,分析屈服型和屈曲型这2种典型吸能元件在舱内爆炸冲击波与准静态气压载荷作用下的特性(如载荷削弱因子、吸能特性、变形破坏模式以及下面板中心点的最大位移),获得抗爆吸能芯层的防护能力特点。随后,基于此提出一种抵抗舱内爆炸冲击波与准静态气压载荷共同作用的双刚度吸能元件,并通过仿真与上述2种典型吸能元件进行对比。[结果]结果表明:在爆炸冲击波载荷作用下,屈服型吸能元件载荷耗散与吸能能力优于屈曲型;在准静态气压载荷作用下,屈服型吸能元件变形受载荷作用时间影响较大,而屈曲型吸能元件的变形几乎不受作用时间的影响;在冲击波和准静态载荷的共同作用下,双刚度吸能元件的防护能力优于单刚度的上述2种典型吸能元件。[结论]研究结果可为抵抗舱内爆炸载荷防护形式设计提供新的思路。

舱内爆炸角隅汇聚反射冲击波超压特性研究

为研究密闭舱室内爆角隅汇聚反射冲击波超压特性,利用缩比模型进行了某典型舱室内爆试验,得到远离角隅、两面角隅和三面角隅处的冲击波载荷,结合数值模拟研究了3种特征位置处冲击波传播规律及载荷特征。研究结果表明:远离角隅处壁面反射冲击波超压曲线呈现单峰结构,反射冲击波以球面波传播;距两面角隅一定范围内冲击波超压曲线呈现双峰结构,两面角隅冲击波超压曲线呈现单峰结构,角隅汇聚反射冲击波以椭球状传播;距三面角隅一定范围内冲击波超压曲线呈现多峰结构,三面角隅冲击波超压曲线呈现单峰结构,角隅汇聚反射冲击波以球面波传播;在合理假设条件下,根据量纲分析及数值模拟结果,得到首次冲击时角隅汇聚反射冲击波载荷经验计算公式。

舱内爆炸冲击波载荷特性试验研究

为研究舱内爆炸冲击波载荷特性,采用1∶2缩比舱室模型开展了舱内爆炸实验,获取正规反射测点、两壁面交汇角隅处反射测点和三壁面交汇角隅处反射测点的压力载荷数据,分析了不同位置测点压力载荷特性。在此基础上,通过对比试验数据与经验公式计算结果,总结出舱内不同位置处压力载荷计算模型。

角隅结构对舱内爆炸载荷影响的实验研究

在空间较封闭的舱室中发生爆炸时,舱室板架结构所承受的载荷包括壁面反射冲击波和角隅部位的汇聚冲击波,这种载荷特性将直接影响到结构的破坏形式。采用双层舱室结构模型进行了不同装药量的舱内爆炸实验,研究了三种不同的角隅连接结构型式对冲击波在角隅汇聚情况的影响。基于图象法(Method of Images)解释了冲击波在角隅的汇聚现象,采用数值计算方法分析舱内爆炸冲击载荷与结构的相互作用。结果表明:舱室角隅位置的连接结构型式只对小药量工况下的舱内爆炸冲击波流场有一定的影响,其中相对平缓过渡连接的结构型式一定程度上减缓了冲击波在角隅的汇聚。当初始冲击波强度较大时,结构型式的改变对冲击波的角隅汇聚影响不大。舱室内形成的反射冲击波高压区将首先作用在横舱壁中部位置,基于这种传播路径和特性,横舱壁上设置适当的开孔将有效地降低舱内的冲击波汇聚压力。

全封闭舱内爆炸载荷作用下薄板变形研究

在内爆炸载荷作用下,舱室内部长时程准静态压力载荷会对结构极限变形产生重要影响,使得其结构响应与敞开环境空爆下的情况有较大区别。计算分析了方形薄板在内爆炸载荷作用下动态响应,基于薄板在冲击载荷作用下的变形规律,提出了用于评估结构在内爆炸载荷作用下极限变形的无量纲损伤数。该无量纲损伤数考虑了舱室体积、炸药能量、结构几何尺寸及屈服强度等因素对内爆炸载荷作用下结构变形响应特性的影响。薄板变形的分析结果表明,结构极限变形与板厚比和无量纲损伤数之间存在明显线性关系,可通过拟合获得舱内爆炸载荷作用下结构极限变形的快速预报经验公式。提出的无量纲损伤数考虑了板大变形响应过程中的中面膜力效应和板厚影响,更加适合于分析薄板在内爆炸载荷作用下的塑性大挠度变形值。

舱内爆炸载荷下双层横舱壁设计初探

欧洲各海军强国为了提高舰船的生命力,在舱内采用双层横舱壁结构。对一常规舱段结构双层横舱壁,采用数值仿真的方法对舱内爆炸下的结构响应进行研究。讨论爆炸冲击波在舱室内传播过程、舱壁载荷分布及其结构响应,研究舱内爆炸下双层横舱壁结构的破坏模式。针对其破坏模式,对双层横舱壁的抗爆设计做了初步探讨,提出增加角隅处横舱壁板厚以及在两道舱壁之间添加纵向隔壁的改进设计方案。通过计算分析,认为采用改进方案能有效增加双层横舱壁抗爆性能。

舱内爆炸载荷作用下加筋板动态响应试验研究

相对于敞开环境来说,发生在封闭舱室内的爆炸将对舰船结构造成更加严重的毁伤。论文对四边夹持约束的方形加筋板在舱内爆炸载荷作用下的动态响应进行了试验研究,分析加筋板结构的塑性大变形特征和舱室封闭程度对爆炸载荷作用效果的影响。试验结果表明:加筋板在舱内爆炸载荷作用下主要是发生整体塑性变形,中心变形挠度远远大于板厚值,中面膜力在板变形过程中起主要作用。与敞开环境爆炸载荷作用效果相比,舱内爆炸载荷作用在加筋板上的"等效损伤冲量"提高了6~8倍。结构变形主要取决于舱室壁面的反射冲击波和舱内准静态压力载荷。舱壁开孔降低了舱室壁面的封闭限制效果,导致舱内准静态压力载荷衰减速度加大,从而降低了爆炸载荷对结构的破坏能力。

战斗部舱内爆炸下舰船耦合毁伤数值计算

[目的]旨在研究舰船结构在战斗部舱内爆炸下的耦合毁伤效应。[方法]以带壳弹起爆试验验证SPH-FEM耦合数值方法的有效性,对实船舱段缩比模型起爆试验进行数值计算,分析战斗部舱内爆炸时破片与冲击波对舰船结构的耦合毁伤效应。[结果]结果显示,在战斗部舱内爆炸作用下,金属壳体产生的随机高速破片群具有特殊的空间分布特征,率先引起当舱结构的局部破坏,冲击波压力加剧了局部破坏效应,结构破口进一步对舱内爆炸冲击波的传播扩散空间产生了影响,进而对相邻结构造成毁伤。[结论]研究表明:简单地将战斗部等效为裸装药的方法不能真实反映战斗部舱内爆炸对舰船结构的毁伤效果;采用SPHFEM耦合的数值方法能够良好地还原试验中战斗部对舱室结构的毁伤模式。

舱内爆炸载荷下箱型梁船体节点结构强度分析

[目的]为了研究箱型梁典型节点结构在舱内爆炸下的结构强度,[方法]基于ANSYS/LS-DYNA显式动力有限元软件,首先建立箱型梁船体舱段结构的有限元模型。然后,采用ALE算法开展舱内爆炸载荷下舷侧箱型梁与强横梁连接处不同型式节点结构的动态响应数值计算。最后,在给定的炸药当量和爆点位置情况下,获得舱室结构的整体变形和破坏模式,并分析在不同节点结构设计方案下典型位置的应力特征。[结果]计算结果表明:舷侧箱型梁与强横梁连接处圆弧式和肘板式节点结构的应力峰值与甲板破口尺寸基本相当;从舱壁撕裂长度来看,肘板式稍逊于圆弧式,在中间箱型梁与强横梁连接处,圆弧连接最优,单侧肘板次之,双侧肘板最差。[结论]所得到的数值计算结果可为箱型梁节点连接结构的工程应用提供有益的参考。

舰船舱内爆炸载荷简化载荷计算模型

为得到舱内爆炸载荷简化计算方法,将舱内爆炸下目标壁面受到的内爆载荷在时间分布上分为爆炸冲击波作用和准静态压力作用2个阶段,在空间分布上分为非角隅中间区域、两面角隅区和三面角隅区,建立了舱内爆炸下目标壁面所受载荷的简化计算模型,并通过Matlab编程实现,得到目标壁面受到的舱内爆炸载荷总冲量,其结果与数值仿真结果吻合较好。该简化模型可用于舰船舱内爆炸载荷强度及壁面总冲量的快速工程估算。

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。

关于箱型梁结构提高舰船抗舱内爆炸可靠性水平的研究

针对箱型梁结构舰船和普通结构舰船,综合考虑多种随机变量的影响,分别计算其在舱内爆炸载荷作用下的结构可靠性,并进行比较分析,从而对箱型梁结构提高舰船抗舱内爆炸可靠性水平进行评价。爆炸载荷作用下的结构响应采用流固耦合方法,借助MSC-Dytran软件进行计算。结构失效概率采用Monte-Carlo方法,通过最大熵法拟合程序进行计算。研究结果表明:箱型梁结构对于降低内部爆炸载荷下01甲板产生破口概率和炸点正上方区域发生塑性大变形概率的作用并不明显,但是能够明显降低01甲板产生横向和纵向大变形的概率。

关于箱型梁结构提高舰船舱内爆炸后剩余纵向极限强度的可靠性评估(英文)

文章采用不确定性分析方法,对箱型梁结构提高舰船舱内爆炸后剩余极限强度的作用进行评估。针对箱型梁结构舰船和普通结构舰船,通过将蒙特卡洛方法与数值模拟相结合,得到其剩余极限承载能力的概率分布。其中,舱内爆炸下的结构响应采用MSC.Dytran进行模拟,剩余极限强度通过非线性有限元法计算。对得到的样本数据,通过正态分布法或最大熵法来估算其目标概率,并将箱型梁结构和普通结构的结果进行比较。结果表明:箱型梁结构可以显著地提高舰船在遭受舱内爆炸破坏后仍保持较高剩余极限承载能力的概率,从而提高其生命力。

舰船舱内爆炸载荷特征与板架毁伤规律分析

[目的]炸药在自由场、舱室内爆炸时,载荷特征存在很大差别。[方法]模拟不同药量炸药在自由场、密闭舱室与开口舱室中爆炸的过程,并对比数值计算载荷与亨利奇公式计算结果,分析炸药在密闭舱室以及开口舱室内的载荷特征。[结果]研究表明,在密闭舱室中,冲击波在角隅处形成汇聚压力,其在角隅处的冲击波总冲量约为板架中心处冲击波总冲量的1.45倍,而开口舱室角隅处的压力并不明显;与密闭舱室相比,开口舱室的反射压力峰值与准静态压力值均较小;开口舱室的冲击波总冲量约为密闭舱室的20%;密闭舱室板架的失效模式为板架沿加强筋发生塑性变形,沿角隅发生撕裂;开口舱室角隅处并未发生撕裂,但开口边缘处发生了外翻变形;只考虑冲击波作用时,采用数值模拟方法得到的板架中心最大变形值与简化计算方法得到的值比较接近,但在同时考虑冲击波、准静态压力作用时,误差较大。[结论]研究结果可为舱室内爆载荷的特征与板架毁伤规律提供较为合理的预报。

热塑性纤维金属层合板舱内爆炸响应数值模拟

热塑性纤维金属层合板作为具备优良抗冲击潜能的复合材料,在舰船防护领域受到广泛关注。以热塑性纤维金属层合板为研究对象,基于封闭空间内爆炸载荷作用下层合板动态响应试验数据,以及通过代表体积元(representative volume element,RVE)方法计算得到的纤维板材料参数,开展了热塑性纤维增强金属层合板的数值模拟研究。通过试验结果与数值模拟结果的对比,验证了数值模拟方法的有效性,进一步分析了层合板的响应规律。所采用的热塑性纤维金属层合板舱内爆炸响应数值模拟方法对研究层合板抗冲击性能具有一定的借鉴意义,为相关研究的进一步开展提供了思路。

裸装药舱内爆炸压力载荷规律研究

反舰导弹战斗部舱内爆炸载荷(主要包括冲击波和准静态压力)是引起舰船结构总体毁伤的主要因素,科学认识舱内爆炸载荷特性及其作用规律是舰船抗爆结构设计的重要前提.文中采用MSC.Dytran软件,分析了爆炸冲击波在舰船典型舱室结构内的传播与汇聚规律,以及舱内爆炸准静态压力的幅值特性.研究结果表明,三壁面角隅冲击波峰值(P_3)>两壁面角隅冲击波峰值(P_2)>面几何中心点冲击波峰值(P_1),对于立方体结构,P_2为P_1的3～5倍、P3为P_1的9～12倍,准静态压力幅值与Carlson,Moir等经验公式计算结果符合较好.

舱内爆炸载荷下箱型舱室角隅连接结构设计

通过有限元软件LS-DYNA建立了舱内爆炸载荷下箱型舱室动响应数值模型,并借助文献试验结果验证了数值模型的可靠性,研究了平板型、内凹型、外凸型、箭头型、箭矢型、背面弧型等6种角隅连接结构对舱内爆炸载荷下箱型舱室变形、特征位置压力和破坏模式的影响,分析了内爆效应下角隅连接结构的失效机理。数值结果表明:舱壁角隅位置是舱内爆炸载荷作用下舱室易发生破坏撕裂的特征位置;相比无连接结构,平板型连接结构对舱壁最大塑性变形改善最大,降低幅度达到了31.9%;背面弧型连接结构能够使箱型舱室角隅等效塑性应变降低约60%;设置连接结构能够改变高塑性应变的发生位置,进而改变箱型舱室的破坏模式;采用平板型、内凹型、背面弧型连接结构的箱型舱室能够有效避免角隅失效破坏。

舱内爆炸准静态压力形成机理的研究

舱内爆炸准静态压力载荷是反舰导弹半穿甲战斗部最重要的破坏载荷之一。基于炸药爆炸过程中的化学反应过程和状态方程开展了准静态压力的理论分析与预测,并通过模型试验验证预测公式的正确性,讨论了在有无氧气环境下的准静态压力。研究结果表明:(1)舱内爆炸与自由场爆炸有较大的不同,除了多次反射的冲击波外,还存在准静态压力;(2)基于状态方程提出的准静态压力计算方法具有一定的预测能力;(3)需要氧气支撑的后续燃烧效应对准静态压力的形成至关重要。研究结果能为舱内爆炸作用下的舱室毁伤防护机理的揭示和防护设计提供有效支撑。

舱内爆炸作用下舰船舱壁失效机理与抗破损设计

水密舱壁破损是反舰导弹舱内爆炸作用下舰艇多舱进水沉没的重要原因。开展了舱内爆炸作用下方形板的失效模式的试验研究,进行了数值仿真分析,结合应力状态、应力变化和塑性变形特性分析了有无变形协调装置时舱壁的失效机理,在不明显增加结构重量的前提下提出了一种基于变形协调机制的高性能抗破损设计,讨论了不同半径的变形协调装置对舱壁抗破损能力的增强作用,结合梁变形理论分析了边缘破损的主要机制。研究结果表明:(1)边缘拉伸失效是舱内爆炸作用下舱壁的主要破坏模式;(2)设置边缘变形协调装置能有效提高舱壁在准静态气压作用下的抗破损能力;(3)提高变形协调装置半径能有效降低最大塑性变形并调整塑性变形集中区域的分布;(4)边缘变形协调装置提高舱壁抗破损能力的主要原因是提高了边缘的曲率变形,降低了局部弯曲正应力。