复杂边界条件下近场水下爆炸对固支方板的毁伤效应

近场水下爆炸会产生复杂的载荷模式,而复杂的边界条件使结构在近场水下爆炸作用下的毁伤形态更加难以预测。因此,采用耦合的欧拉-拉格朗日算法探究了水下爆炸气泡在多边界耦合作用下(自由面、弹塑性板、泥沙边界)的演化过程及其对固支方板的毁伤效应。首先,开展了2.5 g TNT在不同尺寸(板边长为0.46、0.92和1.61倍最大气泡直径)固支方板底部10 cm起爆的水下爆炸试验,验证了有限元方法的准确性。然后,结合试验和有限元结果分析了不同边界条件下板的毁伤机理。最后,通过系列数值模拟发现:随着板尺寸和爆距的增大,气泡会出现溃散、下射流和上射流3种不同的演化方式;随着板尺寸的增大,爆距对板中心最终变形的影响减小;泥沙边界能减缓气泡收缩,使气泡从中部塌陷形成方向相反的对射流,降低固支方板的位移和应变,对于气泡提前溃散的工况,泥沙边界基本无影响。

近场水下爆炸作用下箱形梁整体损伤特性研究

当水下近距爆炸载荷对舰船产生耦合激励作用时,舰船的总体损伤特点是一个值得深入研究的问题。以水面箱形梁模型为研究对象,建立了梁模型在水下近距爆炸载荷作用下动态响应的有限元仿真方法,最后利用数值仿真和具体试验相结合的方法,对自由梁在水下特定爆炸工况下的整体损伤特性进行了研究。结果发现:数值计算结果和试验结果具有较好的一致性;在爆炸气泡脉动频率与梁模型一阶湿频率相近的条件下,随着爆径比的增大,梁的整体响应状态由整体中垂塑性弯曲转变为鞭状运动。

基于γ界面捕捉模型的近场水下爆炸数值模拟（英文）

随着对水下爆炸现象研究的逐步深入,近场水下爆炸的数值模拟研究越来越受到重视。近场水下爆炸数值模拟当中的主要难点在于多相流运动以及界面捕捉方法的研究。文章提出一种较为稳定的近场水下爆炸数值模拟方法,其包含了五阶WENO重构以及HLLC近似黎曼求解器的格式,对于多相流界面的捕捉方法基于γ模型。文中的求解格式通过了一维激波管问题以及二维轴对称问题的验证,计算结果与理论解和实验结果吻合较好。在此基础上将该方法推广到近场水下爆炸过程中冲击波传播以及近水面爆炸现象的模拟,模拟结果较为满意。该文的研究方法能够为后续的近场水下爆炸过程中的空泡以及水射流的研究提供指导。

含铝炸药近场水下爆炸冲击波的实验及数值模拟

含铝炸药能改善能量的输出结构,增强爆轰产物的做功能力,将其应用于水下爆炸,能显著提高水中兵器的爆炸威力和毁伤能力。基于电测法采用PVDF压力传感器开展含铝炸药RL-F和TNT近场水下爆炸冲击波实验,并采用耦合欧拉-拉格朗日(CEL)法对其进行模拟;通过将仿真结果与实验值及经验值对比,结果表明采用合理的边界条件、计算参数和有限元模型,CEL方法能准确地模拟含铝炸药和TNT近场水下爆炸冲击波的传播过程;含铝炸药近场水下爆炸冲击波压力衰减速率相对于TNT较缓慢。在验证数值模型合理性的基础上,将数值结果拟合得到TNT近场水下爆炸冲击波峰值压力在6倍装药半径内以及含铝炸药峰值压力在一定比例距离范围内的近似回归公式。

近场水下爆炸载荷及舰船结构动态响应研究综述

以往水下爆炸研究主要集中在中远场,国内外专家学者在中远场水下爆炸方面做了大量研究。近年来,随着精确制导武器的快速发展,舰船遭受近场水下爆炸的几率大大提升。然而,近场水下爆炸过程涉及强间断、结构撕裂等强非线性问题,诸多机理尚不明确,如冲击波在多层介质中的传播规律、气泡的非球状脉动以及边界诱导射流等。近场水下爆炸实验具有成本高、可重复性差以及危险性高等缺陷,理论解析局限于简单结构及单一边界条件。随着数值技术的发展,越来越多的学者将数值方法结合实验、理论来研究近场水下爆炸。本文在现有文献的基础上,总结近场水下爆炸在实验、理论及数值模拟方面的典型成果,指出目前仍存在的具体问题,并对未来近场水下爆炸发展方向进行展望。

改进V型夹层板近场水下爆炸抗冲击性能研究

对水下爆炸结构的响应进行分析,设计相应的结构来降低载荷效应是提高舰船抗冲击性能的重要研究内容。基于耦合欧拉-拉格朗日(CEL)算法,考虑流-固耦合等因素的影响,建立完整的水下爆炸数值模型,运用显式动态分析对普通加筋板、常规V型夹层板、改进的V型夹层板进行近场水下爆炸作用下的动响应分析,从结构与流体的相互作用、结构产生的变形、吸能特性等角度综合分析。结果表明,改进后的V型夹层板抗冲击防护性能明显提高,可为舰船抗冲击结构设计提供一定的参考。

小当量柱型装药水下近场爆炸固支单层方形钢板毁伤特性研究

为研究小当量柱形装药水下近场爆炸固支单层方形钢板毁伤特性,采用高精度龙格库塔间断迦辽金(Runge-Kutta discontinuous Galerkin,RKDG)方法求解柱形装药水下近场爆炸载荷,并与水下爆炸经验公式进行对比,吻合良好。将计算得到的爆炸载荷加载到LS-DYNA非线性有限元求解器中,得到固支单层方形钢板的毁伤特性,与试验结果进行对比,证明模型的精确性,表明龙格库塔间断迦辽金-有限元法(Runge-Kutta discontinuous Galerkin-finite element method,RKDG-FEM)耦合计算模型能够精确模拟柱形装药在近场爆炸条件下固支单层方形钢板的响应特性。随后研究了固支单层方形钢板在板厚4 mm、药量5~30 g和板厚3~8 mm、药量20 g的毁伤模式。研究发现,固支单层方形钢板的毁伤模式主要为塑性大变形、花瓣型破口和冲塞型圆形破口等。并拟合了考虑药量、板厚因素的破口尺寸估算公式,可为小当量柱形装药水下近场爆炸单层板的毁伤研究提供参考。

船底双层板架结构水下近场爆炸试验

[目的]为了评估双层底板架结构在近场水下爆炸工况下的防护能力,[方法]针对典型水面舰船底部结构,设计双层板架结构试验模型和试验工况,进行水下近场爆炸试验研究,获得双层底结构的毁伤破坏模式及结构整体与局部的破坏、变形情况。[结果]模型结构破坏和变形情况显示,内底结构未发生破损和较明显的屈曲,表明在近场水下爆炸作用下,双层底结构通过毁伤和变形吸能,对内部舱室结构起到了有效的防护。[结论]该结论可为舰船底部防护结构设计和评估提供参考依据。

水下近场爆炸冲击波与射流载荷联合作用分析方法

针对舰船水下近场爆炸,提出综合考虑冲击波载荷与射流载荷的分析方法。对水下近场爆炸气泡脉动过程进行数值模拟,建立射流冲击计算模型,进而简化射流载荷,在冲击波阶段流固耦合模拟结束后自动添加射流载荷,形成完整水下近场爆炸过程的计算流程。建立舷侧板架结构有限元模型,采用MSC.Dytran软件进行流固耦合数值模拟验证方法的可行性。该方法综合考虑冲击波与射流载荷对结构作用,能较真实模拟水下近场爆炸过程,具有一定工程意义及参考价值。

水下近场爆炸双层防护结构抗爆能力的数值模拟分析

同步考虑水下近场爆炸冲击波载荷与气泡射流载荷的作用,综合分析双层防护结构型式及尺度对其抗爆能力的影响,可为双层防护结构的抗爆设计提供直接技术支持。采用基于欧拉法的气泡动力学程序模拟气泡的近壁脉动过程,基于能量等效原则,将射流水柱对结构的冲击简化为等效的射流载荷,通过编制MSC.Dytran软件子程序,在冲击波数值模拟阶段后自动添加等效射流载荷,实现更接近实际情况的双层防护结构遭受水下近场爆炸过程的数值模拟。以内壳单位板厚变形能表征双层防护结构的抗爆能力强弱,通过改变结构型式与尺寸参数,对不同支撑结构板厚、内壳板厚和内外壳间距下结构的抗爆能力进行批量计算,以结构总重和抗爆能力为双重目标,借鉴多目标优化思想,得到双层结构抗爆能力的最优解集。计算结果表明:当内外壳厚度及其间距一定时,存在最佳支撑结构板厚;在同等结构重量情况下,Y型双层结构能提供更强的抗爆能力。

近场爆炸载荷作用下某大型舰船结构剩余强度分析

近场水下爆炸载荷作用下舰船结构的毁伤效应及剩余强度问题一直是业内研究的重点内容之一。首先,对典型舰船设置近场水下爆炸工况,并结合通用FEM软件对近场爆炸载荷下的结构响应进行模拟。然后,根据近场爆炸产生的破口和塑性变形,对典型剖面剖面模数的损失进行分析,发现由近场爆炸引起的毁伤会导致剖面出现8%~10%的剖面模数的损失。最后,对破损舰船浮力重新分布后的波浪弯矩和静水弯矩进行计算,并结合军规对舰船在近场水下爆炸载荷作用后破损情况下的剩余强度进行分析。结果显示,在鱼雷的攻击下,该型舰船依然满足剩余强度要求。

水中近场爆炸作用下钢筋混凝土桩毁伤效应研究

为了对高桩码头的抗爆性能及安全性进行评估,利用数值分析方法,对某高桩码头钢筋混凝土桩在近场水中爆炸荷载作用下的破坏模式进行研究.通过与经验公式的对比,对数值分析方法进行了验证;建立了钢筋混凝土桩在爆炸荷载作用下的三维分析模型,研究了半径数及爆源深度等参数对钢筋混凝土桩的动力响应和破坏模式影响;基于数值分析结果,给出了该型钢筋混凝土桩在给定爆炸深度情况下抗爆的安全范围,研究成果可以为该类型高桩码头抗爆设计及分析提供参考.

水下爆炸作用下近岸场地动态响应数值模拟

以某近岸场地为研究背景,通过选取合理的材料本构模型及状态方程,建立水下爆炸荷载作用下近岸场地动力响应数值分析模型,利用ANSYS/LS-DYNA进行近场水下爆炸荷载作用下动态响应分析。研究爆炸冲击作用下冲击波在近岸场地的传播特性以及近岸场地动态响应的变化规律。研究表明:在冲击波传播过程中,其传播特性会受到边界面的影响;炸药的起爆位置对近岸结构产生的影响较大,水中起爆对近岸结构产生的冲击要大于水底起爆。

固支方板底部水下爆炸气泡射流研究

近场水下爆炸气泡坍塌后形成的水射流能对舰船局部结构造成严重毁伤,而射流的形成具有非对称性,导致试验中难以测到其数据,目前关于水下爆炸气泡射流压力时程曲线的研究仍比较少见.为研究水射流的载荷特性,本文开展了当量为2.5 g的TNT炸药在不同爆距下的固支方板底部水下爆炸试验.首先通过水下压力传感器验证了试验数据的准确性,其次通过高速摄像得到了从炸药起爆到气泡与钢板作用产生射流全过程的图像,最后通过钢板中心的壁压传感器测得了水射流压力时程曲线,并在距钢板中心15 cm处设置了另外一组壁压传感器作为对照组,用来确定所测得的射流数据并非杂波.水下传感器记录到的试验数据表明,冲击波超压、气泡脉动周期最大气泡半径与经验公式间的误差在10%以内.高速摄像及壁压传感器记录到的结果显示,爆距为28 cm时能观测到3次射流现象,但由于爆距较远并未测到压力时程曲线,爆距为15,17.5及20 cm时测得了3次射流压力时程曲线,但由于爆距较近,且在冲击波作用下钢板与水面间存在大量气泡,导致高速摄像难以观测到试验现象.压力时程曲线显示,在第一次气泡脉动峰值后产生了3次射流,射流压力大小能达到冲击波的1/4.射流在第一次气泡脉动峰值后1–3 ms后出现,每次射流的时间间隔在0.9–2.4 ms之间.射流载荷持续时长在4–27μs,持续时间随着距离的增加而大幅减小.