舱室内爆下舰船结构损伤的一种计算方法

为了评估舱室内爆多载荷耦合作用下舰船结构的损伤范围,设计了大尺度舱段模型,并开展了舱室内爆毁伤试验,试验后测量了舱室结构的破坏范围及破坏模式,分析了舱室内爆多载荷耦合作用下舰船结构的损伤机理,据此建立了舱室内爆下舰船结构损伤的计算方法。结果表明:(1)舱室内爆下形成的强冲击波载荷和准静态压力载荷可对舰船结构造成大范围的损伤,形成多种破坏模式;(2)舱室内爆下准静态压力载荷是舱室结构损伤破坏的主要毁伤元;(3)建立的舱室内爆载荷下结构损伤变形计算方法可同时考虑强冲击载荷和准静态压力载荷对结构的损伤破坏,理论计算结果与试验结果吻合较好。

带泄压孔的舱室内爆冲击波载荷特性

[目的]旨在研究带泄压孔舱室内爆冲击波载荷特性及其在邻舱内的传播规律。[方法]开展双舱室泄爆的数值仿真分析,基于Baker公式分析爆炸当舱压力下降的规律。基于邻舱内压力分布特性,采用最小二乘原理推导邻舱内的初次峰值压力经验公式。[结果]结果显示,在泄爆过程中,泄压孔的增大会改变当舱和邻舱内压力场的初始形态,表现为弱化当舱压力汇聚及叠加作用和强化邻舱压力的传播。在不考虑舱壁结构形变的影响下,冲击波穿过泄压孔后呈现桃形和水母形压力分布,且出现了压力分层及随角度衰减的现象。[结论]研究结果有助于舱室内爆载荷特性研究。

舱室内爆冲击波载荷特性及影响因素分析

战斗部爆炸产生的冲击波载荷是舰船舱室结构的主要载荷之一,舰船舱室内爆炸载荷准确与否是正确计算板架响应的关键。舰船舱室内爆冲击波在舱室内部多次反射,舰船舱室内部形成持续时间较长的准静态压力过程,在此过程中舱室板架承受多次冲击波反射载荷。本文采用实验验证数值程序计算舱室内爆炸冲击波的可靠性,在此基础上采用数值方法研究舱室内爆冲击波壁面反射特性及爆点位置对舱室内爆载荷的影响。计算结果表明舱室内爆各壁面反射冲击波明显,爆点位置仅对爆点附近区域冲击波特性有影响,对远离爆点区域的冲击波特性无明显影响。

WENO格式精度对舱室内爆炸载荷影响规律研究

舰船舱室内爆炸载荷主要包含瞬态多峰值冲击波和持续时间较长的准静态超压,为了研究WENO格式精度对舱室内爆炸载荷影响规律,基于Fortran平台,采用3阶、5阶、7阶WENO有限差分格式,开发了高精度舱室内爆炸载荷三维数值计算程序。采用Sod激波管、双爆轰波碰撞、激波与熵波相互作用等经典算例初步考察了各数值格式的计算性能。开展了封闭舱室、泄压舱室内爆炸载荷数值计算,探讨了WENO格式精度对舱室内爆炸载荷影响规律。研究表明:WENO格式精度对舱室内爆炸冲击波载荷影响较大,对舱室内爆炸准静态超压载荷影响较小。

饱和冲量及其等效方法在舱室内爆炸中的应用

[目的]对于受到爆炸脉冲载荷冲击作用的船体结构,基于饱和冲量现象的相关研究表明,仅根据最大载荷幅值和脉冲总冲量来设计船体结构是不合理的,需探究工程应用中的饱和冲量现象。[方法]首先,总结饱和冲量概念的提出及研究发展;然后,以舱室内爆炸为典型算例,分析内爆炸载荷的曲线特性及结构响应特征;最后,基于饱和等效方法将复杂的内爆炸载荷等效为矩形脉冲载荷,采用理论及数值方法对等效载荷进行计算。[结果]结果表明:在舱室内爆炸准静态超压情况下普遍存在饱和冲量现象,实际工程应用中爆炸载荷会对结构造成较大的塑性变形,通常超过10倍板厚;而运用基于饱和冲量的等效方法分析,所得结果与数值仿真结果的误差小于10%。[结论]运用此方法可更准确地得出结构塑性动力响应结果,在结构抗冲击设计优化时,还可减少繁琐的复杂非线性数值计算,使设计更高效。

舱室内爆载荷作用下夹层板优化设计研究

舱室内战斗部爆炸产生的冲击波是舱室结构板架承受的主要载荷之一,舱室内爆冲击波在舱室内部将发生多次反射,并在舱室内部形成持续时间较长的准静态压力,在此过程中舱室板架承受多次冲击波反射载荷。本文以舱室典型加筋板为对象进行夹层板概念设计,选取面板厚度、背板厚度、夹芯壁厚及夹芯间距4个参数作为试验参数,以抗爆综合评价指标最小为目标,采用正交试验优化设计方法得到该加筋板结构在舱室内爆冲击波载荷作用下最优抗爆性能的夹层板结构,并对比最优夹层板与普通加筋板在舱室内爆载荷作用下的响应特征。研究表明,经过优化设计后的夹层板具有更好抵抗冲击波载荷的能力,正交试验设计能较好适用于夹层板结构优化设计。

舱室内爆中泄爆孔对结构响应的影响分析

通过数值仿真评估舱室内爆对封闭舱室的毁伤效果，发现封闭舱室内冲击波压力峰值和正压作用时间较自由场均大幅增加，同时冲击波对舱室角隅结构的毁伤效果严重。分析在上建舱室内爆中泄爆孔对舱室结构响应的影响并对比不同位置和尺寸泄爆孔中心处的冲击波压力峰值。结果表明，泄爆孔影响舱室内爆冲击波的传播，泄爆作用范围和泄爆系数与其特征长度近似呈线性关系，且在一定药量范围内对舱室角隅具有防护作用。合理设置泄爆孔的数量和位置可得到较为理想的泄爆效果，实现保护重要舱室的目的。

基于AUTODYN的舱室内爆结构响应数值研究

通过建立全船有限元模型,运用AUTODYN多物质Euler-Godunov求解器和一维映射(Remap)算法计算了165 kg当量TNT在舱室内爆引起的整船结构响应,讨论了船体结构破口大小、毁伤区域及典型冲击环境特性。结果表明,利用AUTODYN计算舱室内爆结构响应具有可行性和可靠性,可为大型水面舰船舱室内爆数值计算方法研究提供参考。舰船舱室内爆中近爆点的冲击环境较为严苛,加速度响应幅值随离爆点的距离增大呈现指数型衰减特性。

基于网格化半穿甲弹舱室内爆毁伤概率计算方法

对典型舱室内人员和设备所在平面进行离散化处理,通过对舱室内爆下毁伤元的分布规律进行分析,结合人员和设备的毁伤准则,对单元网格的毁伤概率进行加权统计计算舱室的毁伤概率。编写计算程序并进行实例计算,结果表明,毁伤概率随着落角的增大呈指数形式减小,随炸点距舱室地面高度的增加呈先增大后减小的趋势。验证了提出的毁伤概率计算方法的有效性和合理性,有助于得出半穿甲炮弹对目标的最佳攻击条件,充分发挥弹药性能,也可为作战计划的制定提供技术支撑。

舱室内爆角隅处冲击波汇聚效应研究

为了揭示舱室结构尺寸对内爆炸角隅处冲击波载荷汇聚效应的影响规律,对典型的舰船模拟舱室开展内爆炸实验研究,利用实验数据校准数值仿真模型,继而设计了12种不同舱室结构尺寸的数值模型进行内爆炸仿真研究。当边长比为1时,角隅结构对冲击波的汇聚作用最强;随着舱室结构尺寸比例的增大,三面角隅处的汇聚系数下降;双面角隅处汇聚系数先下降后上升,边长比为2时取得最小值;双面角隅处高压区域的范围从集中在角隅处到趋向于集中到短壁面一侧。研究成果对舰船舱室抗爆设计及内爆炸毁伤评估具有一定的应用参考价值。

半穿甲战斗部穿孔尺度对舰船舱室内爆效应的影响

研究了半穿甲战斗部所造成的舱壁破孔结构对小型舰船舱室内爆效应的影响,采用LS-DYNA有限元软件对小型舰船舱室的内爆试验进行数值模拟分析,采用合理的材料本构关系与状态方程以及材料和结构连接处的失效准则,通过与等比例试验中舱内冲击波超压峰值进行对比,验证了模型的有效性。通过建立不同尺寸弹孔,分析弹孔尺寸对舱室内爆效应的影响。结果表明:破孔结构导致舱室内爆时冲击波超压峰值下降,冲击波超压峰值的出现时间延后;当弹孔直径小于舱壁长度的1/10时,导弹穿孔对舱室内爆效应所造成的影响可忽略。

动态爆炸破片特性及对舱室结构毁伤效应研究

文中采用光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)数值方法研究了不同战斗部速度下破片速度及飞散方向角的变化规律,构建典型舱室,开展了动态爆炸破片群对舱室结构毁伤效应研究.结果表明:当战斗部运动速度为1000 m/s时,沿战斗部运动方向飞散的破片最大速度为静爆下的155.4%,沿运动反方向飞散的破片最大速度为静爆下的28.9%;静爆下破片飞散方向角为83.4°,战斗部运动速度1000 m/s下破片飞散方向角为35.2°;动爆下面对战斗部运动方向的板架破损程度增大.战斗部运动速度对沿运动方向飞散破片的速度存在明显的增强效应,对沿运动反方向飞散破片的速度存在明显的削弱效应;破片群的整体飞散区域向战斗部运动速度方向偏移;随着战斗部运动速度的提高,面对战斗部运动方向的板架的毁伤程度增强,背对战斗部运动方向的板架的毁伤程度减弱,平行于战斗部运动方向的板架上的毁伤区域向战斗部运动方向偏移,导致舱室结构整体在战斗部运动方向上呈现非对称毁伤特征.

典型舱室在战斗部内爆下的载荷及毁伤特性试验研究

[目的]探讨有/无防护舱壁结构对典型舱室在战斗部内爆下载荷及毁伤特性的影响,指导舰船重要舱室的防护设计。[方法]设计典型的双舱结构模型,以大舱室模拟爆炸当舱,小舱室模拟重要舱室,开展常规钢制舱壁与多层含液防护舱壁这2种舱室结构在6.12 kg TNT带壳装药内爆作用下的载荷及毁伤对比试验,分析破片及冲击波载荷特性,以及结构破口及变形毁伤特征。[结果]结果显示,柱锥形战斗部前端产生的破片的飞散角基本一致,且前端的破片数量少于环向破片数量;爆炸冲击波有明显的角隅汇聚特点,冲击波能量会随结构的强弱发生流向改变,整体能量更易向结构较薄弱处倾泻;在冲击波和破片的联合毁伤下,常规钢制横舱壁中心会产生大破口,而多层含液防护舱壁则仅迎弹面有较大的塑性变形及少量破片穿孔,背弹面结构完整;多层含液防护舱壁能有效阻止爆炸能量传递至邻舱,但会加剧爆炸当舱的结构毁伤。[结论]“疏堵”(舱壁加强或减弱)防护设计方法在舰船重要舱室防护中具有重要的实用价值。

舱室复合材料结构的抗爆性能数值仿真

[目的]随着现代舰船技术的不断发展,以及对船体自身抵抗反舰武器打击能力的要求不断提高,复合材料广泛应用于舰船防护结构中。为探究舱室内爆过程中凯夫拉材料防护结构的抗爆性能,[方法]在建立含多层甲板的实船舱段有限元模型的基础上,在两甲板之间建立舱室结构模型,并在其围壁内铺设凯夫拉材料装甲防护结构,计算舱室内爆过程中凯夫拉材料装甲防护结构的动态响应及毁伤。为正确模拟凯夫拉材料各向异性材料的属性特征,采用实体单元建立装甲防护层,对围壁上单元节点与凯夫拉材料单元节点采用tie约束,以保证节点共同运动。[结果]结果显示,未采用防护材料的舱壁在爆炸冲击载荷下发生了完全撕裂破坏,而采用了防护材料的舱壁只在冲击波正对位置发生了局部撕裂破坏。[结论]通过对比分析舱内不同起爆位置、在有/无凯夫拉材料装甲防护结构条件下的舱室毁伤特征,可为舱室的抗爆防护设计起到一定的支撑作用。

基于量纲分析的两次内爆加载下舱室结构损伤规律研究

以舰舱室结构在承受多发武器攻击时的动态响应为背景,研究单舱室结构在两次内部爆炸加载下结构的变形规律。利用有限元软件AUTODYN进行两次内爆冲击波的数值仿真,通过量纲分析研究内爆载荷下舱室结构的影响因素,分析起爆位置和爆炸当量对舱室结构变形的影响规律。结果表明:在爆炸当量为2~10 kg、炸点位置距离舱壁中心0.4~1.2 m,舱壁结构毁伤模式为挠曲变形和局部破口;仿真得出舱壁最大挠厚比和炸药当量/舱壁边长、炸药当量/爆距存在线性关系并得出内爆无量纲损伤数D_(m);将各种工况下的无量纲损伤数与爆炸当量进行统计,发现2种毁伤模式之间存在较为明显的分界线,分界线方程可用一元二次方程拟合。

舱室结构对炸药内爆响应特性的数值模拟研究

为研究炸药在舰船舱室内爆炸的毁伤作用效果,利用ANSYS/LS-DYNA数值模拟软件建立带有加强筋结构的典型单舱室模型,采用流固耦合算法模拟舱室内爆下冲击波的传播和舱壁的结构响应,分析不同炸药质量与起爆位置对舱室壁的影响。研究表明:在冲击波作用下,舱壁中心相比角隅处的变形更为严重;舱室角隅处容易引起冲击波的汇聚叠加,汇聚冲击波峰值压力明显大于初始冲击波峰值压力;随着炸药质量增加,舱室变形更加严重;相对炸药装量而言,炸药位置对舱室内冲击波压力和舱壁变形影响不明显。本结果可为弹药毁伤和舰艇防护研究提供参考。

敷设超弹性材料夹层板在内爆载荷作用下响应研究

在通过实验验证数值方法计算舱室内爆载荷及结构在冲击载荷作用下响应可靠性的基础上,以舱室典型加筋板优化后的夹层板为对象,采用非线性数值方法计算在不同位置敷设超弹性材料及相同面密度橡胶夹层板在内爆载荷作用下的位移、速度及加速度响应,并对夹层板吸能进行探讨。从计算结果可知:填充超弹性材料可有效减小舱室内爆载荷作用下夹层板的响应振荡峰值;面板敷设超弹性材料可更好地提高夹层板的抗爆性能;橡胶层会延长夹层板的响应周期,随橡胶层厚度的增加,夹层板响应周期更加持久,面板与背板的加速度差逐渐减小。

炸药动态起爆对舰船上下邻舱结构的毁伤效应研究

为研究炸药动态起爆对小型作战舰艇相邻舱室的破坏效应,首先采用LS-DYNA有限元软件,分析了装药在下舱静态起爆时对邻舱的毁伤形式;然后,计算了装药在动态起爆和静态起爆时舱壁的飞散速度和舱内的冲击波超压值差异;最后,计算了不同质量装药在动态起爆时对组合舱室的毁伤情况。结果表明:炸药在下舱内爆时,上舱舱壁受到下舱顶板变形发生挤压变形,主要变形区域位于顶板处;运动装药相比静态装药对速度正方向舱室的毁伤效果明显提高,且速度正方向舱壁焊接处破裂位置发生了改变,上舱舱壁出现了更大形变;装药质量的改变可影响舱室率先破坏的位置,从而间接影响到对邻舱的破坏形式。

内爆载荷作用下船舶加筋板结构等效设计方法研究

针对内爆载荷作用下的船舶加筋板,提出了计及带板影响的4种加筋板等效设计方法。用有限元软件LS-DYNA对等效设计的加筋板进行内爆仿真计算,获得效果最好的加筋板结构等效设计方法,并与不考虑带板影响的等效设计方法进行对比,还探讨了加筋腹板高度和加筋数量等因素对加筋板等效设计的影响。结果表明,对于保留加筋,保证加筋(计及带板)截面积相等,且抗弯模量和惯性矩尽可能与原型接近的等效设计方法(即等效设计方法Ⅰ),等效设计的加筋板的内爆变形模式与原型保持一致,内爆动态响应的相对偏差最小。加筋腹板高度越高,加筋对于加筋板抗爆的贡献越大。对于不同的加筋腹板高度,等效设计方法Ⅰ最为有效。加筋的数量越多,等效设计方法Ⅰ的效果越好。在进行加筋板等效设计时,保持加筋与带板横截面积比值的变化量小于0.73,且抗弯模量和惯性矩尽可能与原型接近,等效设计的加筋板的内爆动态响应与原型的相对偏差可保持在10%以内。