近场脉动气泡作用下船体梁模型动响应试验研究

水中兵器在舰船附近爆炸时,爆炸气泡对船体结构的整体毁伤作用不能忽视.将炸药置于船体梁模型中部正下方爆炸,通过改变爆距来研究船体模型在近场脉动气泡作用下的动态响应特性.利用高速摄影技术观察模型在气泡作用下的运动过程,结合应变和加速度测量数据,定量分析了模型的总体振动响应.试验发现:近场作用下,气泡脉动压力对结构的冲击作用明显;在大气压和气泡内压力作用下,试验模型受到向下的分布载荷,被叠加一中垂弯矩,爆距越小,此中垂弯矩越大.

船舶结构边界条件下多气泡脉动特性

为研究多气泡在船舶壁面结构附近的脉动特性,采用400 V水下低压放电生成气泡技术,通过超高速摄像机记录水下气泡的脉动过程。在气泡距壁面适当距离下,在水平壁面下方水平布置或垂向布置2个气泡,在V型结构壁面两侧对称水平布置2个气泡,在不同的气泡与壁面距离、2个气泡间距下分析多气泡耦合脉动特性。试验结果表明:不同边界条件下2个气泡的耦合特性不同;水平壁面下方垂向布置的2个气泡融合后出现颈缩现象,产生的射流穿透气泡后冲击到壁面,壁面承受冲击力;水平壁面下方水平布置的2个气泡融合后产生斜向上的射流,射流相撞,最终冲击到壁面上,对壁面造成损伤;V型结构壁面下水平布置2个气泡,耦合后产生指向对方和V型结构的射流,射流在气泡中间相撞,气泡断裂,射流对V型结构的冲击较小。

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。

利用气泡脉动周期估计水下爆炸当量和深度的方法研究

水下爆炸当量和深度估计是全面禁止核试验条约(CTBT)国际监测系统(IMS)水声监测的一项重要任务。为有效估计海域内爆炸事件的当量和深度,在使用气泡脉动周期半经验公式的基础上,综合利用水下爆炸气泡脉动第一次、第二次周期比值与气泡半径、深度的关系信息,估计了近、远场的水下爆炸当量和深度,对不同当量、爆炸深度的近场水下爆炸分析结果为:100 g TNT、7 m爆炸深度条件下,估计当量均值约118 g、估计深度均值约7.96 m;100 g TNT、25 m爆炸深度条件下,估计当量均值约76 g,估计深度均值约21.4 m;1 kg TNT、50 m爆炸深度条件下,估计当量均值约1.23 kg、估计深度均值约44 m。上述分析结果表明:采用的联合估计方法对深度的估计要比对当量的估计更为准确。进一步分析可知:对于50 m爆炸深度、100 g TNT小当量的爆炸信号来说,该方法未能给出估计结果,这表明该方法估计水下爆炸当量是在爆炸深度上受限的。最后对IMS水声台站记录的远场水下爆炸事件进行了分析,其当量、深度估计结果与参考文献一致,这说明该方法同样适应于对远场爆炸信号的估计。

WIGWAM水下核爆炸气泡脉动理论计算及数值模拟对比分析

针对水下核爆炸和常规爆炸区分问题,开展了水下爆炸气泡脉动理论计算和数值模拟方法研究。基于气泡脉动能量守恒方程推导了水下爆炸气泡脉动最大半径理论计算公式,通过定义气泡脉动能量的传递因子,递推了后续气泡脉动周期和最大半径的计算公式。开展了水下常规爆炸的气泡脉动数值模拟方法研究,从状态方程、边界条件、人工黏性系数及计算网格设置等方面分析了关键参数设置对数值模拟结果的影响,提出了基于等效缩比定律的水下爆炸数值模拟方法,解决了水下千吨级常规爆炸气泡脉动数值模拟的问题。对WIGWAM试验的气泡脉动能量占比进行了理论计算,并开展了同等当量水下TNT爆炸气泡脉动的数值模拟,对比分析两者气泡脉动参数的结果表明,水下核爆炸第一次、第二次气泡脉动与等效TNT爆炸的差异并不明显,而第三次气泡脉动之间的差异较大,由此提出将第三次气泡脉动周期与第二次气泡脉动周期的比作为识别水下核爆炸的方法。

高速摄影技术在水下爆炸气泡脉动研究中的应用

利用APX-RS数字式高速相机拍摄了PETN炸药水下爆炸气泡自由场脉动过程、气泡与边界相互作用水射流形成过程的清晰图像。采用氙灯照明光源,高速相机幅频可以达到6000s-1,采用在水箱壁贴低密度材料的方法来降低反射冲击波对气泡脉动过程的影响,由高速相机测试结果分析得到的气泡脉动参数与8kg爆炸水池试验结果一致,验证了光学测试结果的真实性。

不同边界条件水下爆炸气泡脉动对比的试验研究

装药在近水底和沉底爆炸时的气泡脉动非常复杂,研究气泡脉动特性具有重要意义。利用高速摄影和自由场压力测量系统对装药在自由场、近水底和沉底爆炸3个工况下的气泡脉动和二次脉动压力进行了对比研究。试验结果表明:装药在自由场爆炸中气泡脉动特性与COLE经典理论一致;水底边界条件对装药近水底和沉底爆炸的二次脉动周期影响较大,沉底爆炸二次脉动周期大于近水底爆炸,近水底爆炸大于自由场爆炸;装药近水底和沉底爆炸时二次脉动压力峰值很小,可以忽略对远场目标的破坏作用。

水下爆炸冲击波和气泡脉动载荷联合作用下舰船冲击响应研究

该文以水面舰艇为研究目标,采用ABAQUS软件作为数值模拟软件,分析舰船在水下爆炸冲击波载荷和气泡脉动载荷共同作用下的响应,解决ABAQUS计算大变形问题时的单元失效,获取舰船的加速度响应、应力响应和外板局部变形的规律。获得以下结论:爆炸载荷的垂向作用为舰船响应的主要施加者,爆炸后产生的冲击波最先接触到船底迎爆面,后沿垂向构件向顶部传递;由于垂向构件的隔振作用,导致舰船底部的响应会显著大于上层结构,且越往上响应越小。加速度响应总是由下至上逐渐减小,离爆点越近的区域加速度峰值越大,相同位置不同层甲板处测点的加速度峰值也各不相同。冲击载荷主要作用在舰船底部迎爆面处,舰船底部的应力要远大于上层结构,即船底外板中心处的应力最大;由于爆炸作用的区域比较大,舰艏和舰艉相对中部迎爆面来说要小得多。数值分析所得的舰艇在冲击波和气泡脉动载荷联合作用下的响应规律与理论分析情况吻合较好,可为舰艇抗冲击结构的设计提供参考。

小当量炸药深水爆炸气泡脉动模拟实验

为在实验室内开展深水爆炸气泡脉动规律研究,通过增加水面大气压强来模拟水中静水压的方法,建立可模拟深水环境的爆炸容器。开展不同模拟水深条件下的3种当量炸药的水下爆炸实验,得到了气泡脉动过程图像,验证小当量深水爆炸模拟实验与自由场实验的等效性,分析气泡脉动周期与最大半径同模拟水深的关系。实验结果表明:容器壁面反射效应对气泡脉动过程的影响可以忽略不计,模拟实验可等效为自由场实验;深水爆炸气泡脉动周期及最大半径随流体静力深度增加的衰减系数分别为-0.83和-0.364。

水下爆炸气泡脉动的实验及数值模拟

用实验方法研究球形TNT炸药及柱形含铝炸药水下爆炸冲击波传播及气泡脉动规律.应用有限元程序MSC.DYTRAN,结合流固耦合技术模拟在重力影响下气泡脉动的全物理过程.计算结果与实验结果进行对比说明,二者具有较好的一致性,验证了有限元模型正确、有效,结果准确.以此为基础,分析和总结了状态方程对水下爆炸气泡运动相关参数的影响.有限元模型、方法及计算结果对相关的工程研究和计算具有一定参考价值.

水中爆炸气泡脉动现象的实验研究

在实验水箱中采用高速摄影技术获得了炸药水中爆炸气泡脉动过程图像。实验结果表明:短长径比(1.05)PETN炸药水中爆炸产生的气泡形状近似球形,气泡脉动周期和半径随炸药质量的增加而增大。在膨胀阶段,气泡中心位置保持不变,随着体积的不断缩小,气泡上浮越来越明显。受重力影响,气泡下表面收缩速度高于上表面,在收缩至最小时下表面向上冲顶,气泡溃灭形成水射流。

水中爆炸冲击波传播与气泡脉动的实验及数值模拟

以实验方法研究球形TNT炸药及柱形含铝炸药水中爆炸冲击波传播及气泡脉动规律。应用国际上通用的有限元程序MSC.DYTRAN模拟在重力影响下水中爆炸冲击波及气泡脉动的全物理过程,并将计算结果与实验结果进行对比分析,二者具有较好的一致性,验证了有限元模型正确、有效,结果准确。以此为基础,分析和总结了网格密度、圆柱形炸药长径比、爆炸距离、爆炸角度对冲击波峰值的影响。有限元模型、方法及计算结果对相关的工程研究和计算具有一定参考价值。

有限水域气泡脉动实验方法研究

在2m×2m×2m的实验水箱中开展了小当量PETN水下爆炸气泡脉动实验,采用在水箱壁粘贴吸能材料的方法,有效降低了水箱壁反射冲击波对气泡脉动过程的影响,用压电压力传感器和数字式高速相机获得清晰的气泡脉动过程图像和气泡脉动压力。为了验证实验结果,进行8 kg爆炸水池(直径48m,深23m)相同当量水下爆炸实验,并与水箱和水池的实验结果进行了对比,两者最大误差为4.8%。可以认为,在此水箱中开展5 g以内PETN炸药水下爆炸是可行的,实验结果与无限水域实验结果一致,表明本研究提出的炸药水中爆炸气泡脉动现象的方法是简便和有效的。

小当量水中爆炸气泡的脉动现象

为研究水中爆炸气泡的脉动现象,设计了用于小当量(≤10 g TNT)水中爆炸研究的爆炸水箱,在爆炸水箱装置中进行了多次0.125、1.000、3.370、8.000 g TNT当量的PETN球形炸药水中爆炸试验。采用高速摄影系统获得了气泡脉动图片;给出试验范围内气泡脉动过程中气泡直径、速度及加速度随时间变化的拟合曲线。对气泡脉动直径和周期数据进行了分析,这些数据基本符合爆炸相似律。

水下爆炸气泡脉动试验研究

采用水中爆炸压力测量系统对不同工况下的水下爆炸压力进行了测量,得到了装药在近水底、自由场和近水面爆炸条件下气泡脉动特性的试验数据,并将试验结果与已有的水下爆炸理论公式进行了比较分析。分析结果表明:TNT炸药在自由场爆炸条件下气泡脉动周期测量结果与理论公式计算结果吻合较好,用试验验证了理论计算公式的正确性;在近水底爆炸条件下,爆炸气泡脉动周期较自由场条件下长;RDX炸药在自由场条件下和近水面爆炸,测量的爆炸气泡脉动周期与理论公式计算结果相比较小。

水下爆炸气泡脉动的数值计算

水下近场爆炸可分为装药的爆轰、冲击波的产生和传播、气泡的形成和脉动.尽管气泡脉动压力峰值较冲击波小,但是近场水下爆炸气泡能量的衰减较冲击波慢,所以其对结构的影响却是不可忽视的.在充分考虑了能量的消耗,加入了虚拟力以及气泡能对整个气泡脉动特征的影响后,改进了水下爆炸引起气泡的脉动规律和水中压力分布规律的基本方程.利用采用龙格-库塔数值方法计算出了气泡的脉动直径、周期、速度和水中压力.所得计算结果与已有的各实验数据吻合良好.因此说明该方法对气泡脉动的描述非常符合真实情况.通过分析得出在近场时冲击波和气泡脉动压力波对于结构的破坏都有重要作用.

水下爆炸气泡脉动作用下细长加筋圆柱壳的鞭状响应分析

细长加筋圆柱壳是潜艇耐压壳体的主要结构,其在水下爆炸载荷之下发生的鞭状运动是潜艇结构破坏的主要因素之一。为了考察不同的因素对于细长加筋圆柱壳鞭状响应的影响,该文将圆柱壳简化为一根变截面的梁,用双重渐进近似法(DAA)描述了结构的动态变形与瞬态流场的耦合作用,从弯矩的角度的考察了水下爆炸第一次气泡脉动载荷对结构鞭状响应的贡献,总结了圆柱壳上的弯矩随潜深,爆距,爆炸方位角变化的规律。研究结果有助于进一步了解水下爆炸作用下潜艇的鞭状动响应特征,并用以改进潜艇的抗冲击设计。

一种水中爆炸气泡脉动实验研究方法

在2m×2m×2m的实验水箱中开展小当量PETN炸药水中爆炸气泡脉动实验时,利用弹性波从声阻抗高的物质传入声阻抗低的物质时的"减震缓冲"原理,采用在水箱壁贴低声阻抗材料的方法,有效降低了水箱壁反射冲击波对气泡脉动过程的影响,获得了清晰的气泡脉动过程图像、气泡水射流形成过程图像和气泡脉动压力曲线。将水箱实验结果与8kgTNT当量爆炸水池实验结果对比,得到的最大相对误差仅为5.1%,验证了水箱实验方法的准确性,为炸药水中爆炸气泡脉动现象研究提供了一种简便有效的实验方法。

CL-20基炸药水中爆炸气泡脉动实验研究

为研究CL-20基炸药、CL-20基含铝炸药水下爆炸气泡脉动情况,在2m×2m×2m的实验水箱中开展小当量实验,采用高速摄影技术,得到炸药水中爆炸冲击波传播曲线,同时清晰地观测到气泡的产生、膨胀和收缩过程。拟合得到气泡脉动过程中气泡半径、速度、加速度对时间的变化曲线,对比分析了CL-20含铝与非含铝炸药水下爆炸气泡脉动规律。在实验条件下,首次直观地拍摄到CL-20含铝炸药水下爆炸的二次反应放热现象。实验表明:CL-20基含铝炸药的气泡半径、脉动周期都明显升高,半径增大13.7%,周期增大6.9%;冲击波峰值压力略有下降;水下爆炸测试技术以及高速摄影技术是研究观测含铝炸药二次反应的有效手段。