恶劣海况下船舶砰击颤振响应特性数值计算与试验研究

[目的]针对恶劣海况下船舶所受砰击颤振响应现象,探究船舶非线性波浪载荷与瞬态高幅值砰击载荷的耦合作用。[方法]采用计算流体动力学与有限元方法(CFD-FEM)相结合的双向流固耦合方法对S175集装箱船进行数值仿真计算,并与试验结果及切片理论计算结果进行对比验证;采用分段变截面弹性龙骨梁模型开展船舶的砰击颤振特性模型试验,基于CFD-FEM双向流固耦合方法开展船艏砰击载荷及高频非线性砰击颤振响应特性分析,并与模型试验结果进行对比验证。[结果]结果显示,波浪砰击载荷对船艏颤振响应的影响不可忽视,6级海况下由砰击颤振诱发的二阶高频成分分量占低频波浪弯矩的59.86%。[结论]采用基于CFD-FEM的双向流固耦合方法可准确计算船首砰击颤振响应;在高海况下船舶所受非线性波浪载荷及结构动态响应易受船首瞬态砰击载荷的影响,在船舶结构设计与安全评估中需考虑高频砰击颤振的情况。

船舶结构碰撞试验及简化数值计算方法

[目的]采用流固耦合计算方法虽能较好地模拟船舶碰撞过程,但计算时间较长,为此,提出一种简化的数值计算方法。[方法]以某船的局部舱段为对象,开展多工况水上碰撞试验。采用力传感器和基于高速摄影技术非接触测量的方法获得到碰撞力及碰撞船的运动时程数据,通过对碰撞接触力和加速度响应等数据进行分析,并针对试验过程开展任意拉格朗日-欧拉(ALE)流固耦合数值计算分析,提出将碰撞过程中水域对撞击船的影响简化为等效质量,将对被撞船的影响简化为等效阻力,以面力的形式作用于被撞船非撞击侧用以阻碍被撞船运动的简化方法,然后基于此简化方法开展不涉及水域与结构耦合过程的数值计算。[结果]结果显示,采用简化计算方法得到的各工况的碰撞力峰值与试验值间的误差均在5%以内,且该方法所需要的计算时长远小于ALE流固耦合算法。[结论]所提简化数值计算方法可为实现船舶结构碰撞响应的高效计算提供一定的参考。

封闭空间内爆载荷下结构响应试验及仿真研究

TNT在封闭空间内爆炸会发生燃烧反应并释放大量的能量,这些附加能量会对内爆载荷起到增强作用,为分析封闭空间内爆炸载荷作用下的结构动态响应。开展封闭空间爆炸试验,通过试验数据对称性验证,说明试验中压力测试结果准确可靠;然后开展数值计算研究,并探讨板厚、屈服应力和边界约束3个因素对靶板结构动态响应的影响。数值计算与试验结果的准静态压力吻合较好,靶板中心点初始峰值位移和最终位移的误差均小于5%,验证数值计算方法的可靠性;靶板中心点初始峰值位移和最终位移增大比例与板厚减小比例相当;靶板中心点初始峰值位移减小比例约为屈服应力增大比例的0.2倍,而最终位移的减小比例约为屈服应力增大比例的0.4倍。所采用的数值计算方法能够很好地模拟结构在封闭空间爆炸载荷作用下的响应,可为舰船抗爆结构设计提供一定参考。

大型邮轮中央大厅结构直接计算研究

[目的]中央大厅是邮轮上层建筑中一种重要空间功能性舱室,其结构具有板厚薄、跨度大、支撑少、载荷复杂等特点,为结构设计带来了较大的难度。亟需提出一种可靠便捷的中央大厅结构分析评估方法,用以指导结构设计工作。[方法]以中国船级社(CCS)《邮轮局部结构直接计算指南2021》为主要依据,结合中央大厅结构载荷特点,开展邮轮中央大厅结构直接计算研究。直接计算研究中,结构所受载荷被等效并简化为总纵弯矩载荷、垂向剪切载荷、以及局部甲板载重的叠加。[结果]结构直接计算结果与全船有限元仿真结果吻合较好,验证了将直接计算流程应用于邮轮中央大厅结构设计研究的可行性。[结论]研究结果可为大型邮轮中央大厅结构设计计算流程提供参考。

波浪与水下爆炸气泡脉动载荷联合作用下船体梁的响应特性

[目的]舰船在执行任务的过程中有可能因同时遭受波浪载荷与水下爆炸气泡脉动载荷的联合作用而使船体响应发生“叠加效应”,导致总强度的损失,因此需要探索水下爆炸气泡脉动与波浪联合作用时船体梁的动力响应规律。[方法]首先,采用理论分析的方法建立船体梁的简化模型,并对水下爆炸气泡脉动载荷与波浪载荷进行求解;然后,基于Hamilton原理,分别推导两端自由船体梁在波浪载荷与水下爆炸气泡脉动载荷单独作用及联合作用下的运动微分方程;最后,基于对运动微分方程的求解,分析船体梁的自由振动响应在与外载荷组合的3种工况下简化模型的运动响应。[结果]结果显示,在波浪载荷与水下爆炸气泡脉动载荷的联合作用下,船体梁的运动响应相比2种载荷单独作用时运动响应的线性叠加值增大了15%。[结论]所做研究可为舰船结构在联合载荷作用下运动响应分析的计算程序开发提供参考。

纯弯载荷下箱型梁的非线性相似特性研究

[目的]旨在探索纯弯载荷下箱型梁的非线性相似准则,提高模型对原型结构响应的预报精度,进而为建立实船结构的缩比模型设计方法提供理论依据。[方法]首先,采用理论分析方法,基于轴向受压加筋板的稳定性和非线性准则建立纯弯载荷下箱型梁的非线性相似准则;其次,采用数值计算方法通过分析箱型梁原型与缩比模型的极限承载能力和屈曲响应来验证该相似准则的有效性。[结果]数值计算结果表明,基于此方法设计的不同比例模型的屈曲失效模式具有较高的相似性,采用缩比模型能准确预报原型的极限强度。在特定的屈曲模态下,初始变形的增大会降低箱型梁的极限承载能力,初始变形因子对缩比模型的预报精度影响较小。[结论]所用方法为纯弯载荷下船体梁极限强度试验提供了一种有效的非线性相似模型设计思路,对船体结构安全性的研究具有借鉴价值。

加筋板结构参数对其抗水下爆炸能力的影响分析

[目的]加筋板结构参数对其抗水下爆炸性能有重要影响,需要对加强筋高度、加强筋数目、加强筋厚度等参数的具体影响进行分析。[方法]基于耦合欧拉-拉格朗日(CEL)方法开展数值模拟研究,分析加筋板结构参数对结构抗爆性能的影响。基于加强筋在水下爆炸载荷作用下的吸能规律,引入系数来表征加强筋的影响程度,提出一种考虑加强筋系数的等效厚度计算方法。[结果]对加筋板抗水下爆炸能力影响显著的3个因素分别是加强筋高度、面板厚度和加强筋厚度,翼板厚度影响较小。在结构质量改变量相同的情况下,横/纵向加强筋高度对加筋板破口面积的影响是翼板厚度的2.5倍,面板厚度和横/纵向加强筋腹板厚度对破口面积的影响是翼板厚度的2倍。随着加强筋高度、加强筋数目、加强筋厚度等参数的增加,加筋板结构强度和抗水下爆炸能力增强,损伤程度减小。采用考虑加强筋系数的等效厚度计算方法得到的相关性系数为-0.94,该方法能较好地反映加筋板抗水下爆炸的能力。[结论]研究结果可以作为舰船结构抗水下爆炸载荷评估的基础,为舰船抗爆结构设计提供参考。

舱室内爆载荷燃烧增强效应试验及仿真研究

[目的]TNT炸药在密闭空间中发生爆炸时,其爆轰产物的燃烧效应不可忽视,为准确分析TNT炸药在密闭空间中的爆炸载荷,需要探究爆轰产物燃烧释放的能量与药量体积比的关系。[方法]首先开展5种不同质量的TNT分别在空气和氦气环境密闭空间中的爆炸试验,然后基于化学反应分析、能量守恒、等熵假设3种不同的方法计算5种不同药量体积比对应的爆轰产物燃烧能量,并基于有限元分析软件ANSYS/AUTODYN开展考虑燃烧效应的密闭空间内爆炸数值计算。[结果]准静态压力仿真结果与试验结果的对比表明:3种方法中,通过化学反应计算得到的燃烧能量理论值可作为上限值,能量守恒法的准确性依赖爆炸后混合气体的绝热指数,等熵假设法仿真值与试验值误差稳定在4%~7%之间;不同的燃烧能量释放历程会影响反射冲击波压力,但不改变最终的准静态压力。[结论]研究结果可为舰船抗爆结构设计及毁伤评估提供更精确的输入载荷。

单流体空化模型在水下爆炸诱导空化问题中的对比分析

在龙格库塔间断伽辽金数值框架下建立了空化截断、修正的Schmidt和等熵空化流三种单流体空化模型。应用于水下冲击波与浮在自由面平板相互作用、水下冲击波与弹性支撑平板相互作用及水下冲击波与水背衬平板相互作用三个实例中;对比分析三种不同空化模型计算获得的流体和结构响应,得到单流体空化模型应用在水下爆炸问题时,饱和蒸汽压、输入载荷强度等因素对不同空化模型计算结果的影响。该结果对应用单流体模型求解水下爆炸问题提供依据。

多层防护结构舱内爆炸试验

舰船舷侧多层防护结构的主要作用是抵御反舰武器对内部结构的破坏。文章通过反舰武器战斗部模型在舰船舷侧防护结构内部爆炸的模拟试验,研究了战斗部内爆作用下防护结构的破坏模式、多层防护结构防御冲击波和高速破片的效果以及内部结构的冲击响应,对比分析了空舱和水舱在战斗部接近爆炸作用下的变形和破坏情况。通过对试验数据的分析发现在战斗部接近爆炸载荷作用下,水舱内板的动态响应出现了"二次加载"现象。

爆炸破片对防护液舱的穿透效应

分别对单发破片和双发破片同时穿透液舱的过程进行了数值计算,提出了破片穿透液舱的5个典型过程,分析了破片速度的衰减规律、液舱内板的响应及舱内液体中冲击波压力的叠加效应。结果表明:破片穿透液舱的过程中产生的冲击波和局部压力将作用在液舱内板上,双发破片打击时液体内部产生的冲击波有明显的叠加效应,高压区域的位置与破片间距有关,冲击波压力峰值和液舱内板受到的压力大于2倍的单发破片打击情况。

舰船舷侧防护液舱对爆炸破片的防御作用研究

舰船舷侧防护液舱的主要作用之一是阻止爆炸破片进入舰船内部,破片穿透液舱的过程中将先后与液舱外板、舱内液体和液舱内板发生相互作用。文章以速度衰减规律分析为基础,考虑了破片在液体中运动时产生的压力对液舱内板抗穿甲效应的影响,结合Wen-Jones模型提出了液舱防护爆炸破片的判据,在此基础上给出了计算算例。文中得到的破片剩余速度公式将为舰船防护液舱的设计提供有价值的参考。

起爆点位置对战斗部爆炸破片特性的影响

针对反舰武器战斗部在舰船舱室内部爆炸时,自然破片分布情况难以用理论方法描述的问题,采用光滑粒子动力学方法研究了圆柱形战斗部爆炸形成破片的过程,分析了端点起爆和中心点起爆时圆柱形战斗部壳体爆炸破片的空间分布及速度特性.结果表明:端部起爆时战斗部破片分布不具有对称性,远离起爆点的端部封盖形成的破片速度最大,质量较大的破片产生于距离起爆点较远的4/5圆柱形壳体处和两端封盖上.中心点起爆时圆柱形壳体中部和端部封盖形成的破片速度相差不大,质量较大的破片主要分布在两端封盖上.

舰船舱室内部爆炸的数值模拟研究

反舰武器战斗部在舰船舷侧防护结构内部爆炸将造成舱室的严重破坏,数值模拟是分析结构在爆炸载荷作用下破坏情况的有效手段之一。舱室内部爆炸的数值模拟涉及到冲击波传播、多个流场与结构的耦合、结构的变形与破坏。文章基于MSC.Dytran软件平台,实现了舱室内部爆炸的数值模拟。研究表明,在舱壁开口有利于减小舱室角隅处的汇集压力,保护舱室结构。同时,爆炸产生的二次破片对舱室结构能产生进一步毁伤效果。

复合防护液舱抗爆效能对比试验研究

液舱是舰船多层防护结构体系中的重要功能舱室,战斗部近距离爆炸时,高速破片和冲击波载荷将对防护液舱产生严重的毁伤效应。针对高速破片和冲击波作用下防护液舱的动态响应特性和毁伤模式,提出了复合防护液舱的结构形式。为了对比该液舱相对常规液舱的抗爆效能,开展了战斗部模型近距离爆炸载荷作用下复合液舱和常规结构形式液舱毁伤的模型试验,得到了战斗部模型破片速度、液舱结构的变形、应变、破口尺寸、舱壁压力等参量。通过对比发现,相对于传统液舱结构,复合防护液舱前面板、后面板最大变形分别减少22. 78%和8. 47%,结构应变降低30%,冲击波峰值减弱18. 62%,该新型结构形式明显提高了液舱抗爆防御效果。

圆柱形战斗部破片速度及等效装药特性研究

针对反舰武器战斗部对舰船结构毁伤效应的爆炸破片与冲击波两者具有的相关性,对战斗部壳体在爆轰产物内压作用下的膨胀过程进行分析,并结合壳体形成破片的应力准则推导出与壳体材料强度及装药特性参数相关的破片速度计算公式;通过对壳体内装药径向膨胀过程的动量分析获得与装药尺寸有关的等效裸装药计算表达式;结合圆柱形战斗部爆炸实验给出计算算例。

破片侵彻钢/陶瓷/钢复合板的特性分析

为了从理论角度分析钢/陶瓷/钢复合板抵御爆炸破片的侵彻能力,将钢/陶瓷/钢复合靶板简化为由单层的薄板(钢面板)与陶瓷/钢复合靶板组合而成,建立了破片侵彻复合板过程的理论分析模型。结合Florence模型推导了弹体穿透钢/陶瓷/钢复合靶板的剩余速度公式。采用非线性动力学计算程序AUTO-DYN模拟了圆柱形破片对钢/陶瓷/钢复合靶板的侵彻过程,模拟结果与理论计算结果吻合较好,推导得到的理论公式具有一定的工程实用性。

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。

基于饱和响应时间的封闭空间内爆炸载荷等效方法研究

针对舱内爆炸载荷形式复杂、作用时间长、缺乏有效的简化描述方法的问题,首先采用显式动力学计算程序开展了内爆载荷作用下钢板动态响应的数值计算,在与试验结果对比验证的基础上分析了金属板的内爆载荷饱和冲量。通过对216种不同爆炸载荷加载时长与金属板响应关系的分析,提出了内爆炸载荷作用下结构最大变形所对应的饱和时间计算经验公式,并给出了饱和时间的无量纲系数建议值。考虑到内爆载荷初始冲击波的影响,结合爆炸载荷饱和作用时间的规律,提出了封闭空间爆炸载荷的矩形载荷等效方法,对比了18组简化载荷与耦合载荷分别作用下钢板的动力响应,验证了等效方法的有效性。

舱室密闭空间中爆炸载荷后燃烧效应数值计算研究

为准确分析梯恩梯炸药在密闭空间中的爆炸载荷,在统一设施标准模型和基于能量守恒的简化计算公式基础上,提出了一种计算爆炸产物后燃烧能量的方法。该方法应用到基于有限元分析软件ANSYS/AUTODYN平台的数值模拟中,实现负氧平衡炸药在密闭空间中爆炸过程的数值仿真计算。计算结果与试验测试结果表明:梯恩梯炸药在密闭空间中发生爆炸时,其爆轰产物的后燃烧效应不可忽视;不考虑爆炸产物的后燃烧效应,数值计算得到的准静态压力较试验值低55%以上,50 ms内冲量较试验值低49%以上;将爆轰产物的后燃烧能量计入后,爆炸压力及冲量时程的计算值与试验值吻合较好,为结构受爆炸载荷响应分析提供了准确的输入载荷。