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.     

圆柱壳在水下爆炸气泡作用下的动态塑性响应研究

圆柱壳是潜艇的主要结构单元,其在水下爆炸作用下产生的动态塑性响应是潜艇破坏的主要因素之一,因此研究其水下爆炸动态塑性响应有助于深入了解圆柱壳结构的失效规律和机理.对于提高潜艇的生命力和战斗力以及改良水中兵器战斗部装药设计有着重要的意义.文章首先根据Geers-Hunter的水下爆炸气泡集成的双重渐近模型进行数值求解,得到的结果很好地模拟了水下爆炸载荷从冲击波到第一次气泡脉动的整个过程.然后利用ABAQUS软件,将圆柱壳简化成一根梁,并从圆柱壳在水下爆炸气泡作用下产生的塑性铰的个数这一角度,当气泡第一次脉动频率与圆柱壳梁模型的第一、二阶固有频率接近时,对圆柱壳在水下爆炸气泡作用下的动态塑性响应进行了探索性的研究.     

遭受沉底爆炸载荷作用下的圆柱结构冲击损伤计算

论述了圆柱结构对水下爆炸的冲击损伤计算方法与数值模拟算法。简要介绍了试验工况、计算模型、计算条件等,对沉底状态下圆柱结构遭受沉底水下爆炸作用下的实际损伤与仿真结果进行了对比,研究了冲击毁伤与载荷强度、炸药之间的关系,并应用圆柱壳屈曲理论讨论计算圆柱结构冲击响应的方法,提出了应用表面平均总压力来表征爆炸载荷强度,为今后的潜艇结构抗冲击试验方案设计提供参考。     

水下圆柱壳冲击响应分析的有限元模型简化方法

基于显式非线性动力学分析程序ABAQUS,对水下圆柱壳受到水下爆炸冲击作用下的非线性动态响应进行研究。详细计算不同简化模型受到水下爆炸冲击波作用下的响应并与完整模型的结果进行对比。研究结果表明,用圆柱壳结构的部分模型代替完整模型,可以得到较为满意的计算结果。     

水下爆炸时加肋双层圆柱壳冲击响应的统计分析

主要分析水下爆炸时加肋双层圆柱壳冲击响应的变化规律。应用ABAQUS软件建立加肋双层圆柱壳有限元分析模型结构，并模拟水下爆炸冲击环境，通过MATLAB／SIMULINK软件对各节点的加速度时历响应值采用冲击谱的方法进行计算，将得到的谱速度值进行统计分析。分析表明，冲击因子能够较为可靠地描述结构冲击环境的强弱程度，但具有一定的局限性。另外，对于所采用的加肋双层圆柱壳模型，在1—500Hz频率范围内，无量纲爆距x〉1．5，等冲击因子C条件下，加肋双层圆柱壳的冲击谱响应环境是等效的。     

水下爆炸与冲击载荷作用下结构物的响应特性

介绍了结构物(尤其是圆柱壳结构)在水下爆炸冲击载荷作用下的响应特性的研究近况，其中包括水下爆炸特性的分析、圆柱壳结构在水下爆炸冲击载荷下的屈曲与响应分析等几个方面，并展望了今后研究的重点和目标。     

圆柱壳附近水下爆炸气泡动态特性研究

基于不可压缩势流理论,运用边界元方法,建立圆柱壳附近水下爆炸气泡三维数值模型。然后采用该模型模拟深水中圆柱壳附近近场水下爆炸气泡运动,并对气泡动态特性以及攻角大小对其影响规律进行了研究。计算结果表明,膨胀阶段气泡受浮力作用以及壁面的排斥作用影响较小;收缩阶段气泡受浮力作用以及气泡受壁面的吸引作用影响较大,随攻角的减小,气泡射流作用和气泡脉动压力均逐渐增强,即爆点位于圆柱壳结构正下方时所造成的结构损伤最为严重。研究结论有益于潜艇结构抗爆防护设计,也为水下爆炸气泡载荷作用下潜艇结构毁伤机理研究提供了参考依据。     

基于边界元方法的气泡脉动诱导壁压特性

针对圆柱壳结构在水下爆炸气泡脉动载荷作用下的诱导壁压特性,采用Geers-Hunter模型得到气泡脉动运动,在势流假设下采用边界元方法建立了水下爆炸气泡脉动载荷壁压计算方法,通过对不同水下爆炸工况进行计算分析发现:圆柱壳表面的气泡诱导壁压有明显的绕射现象,在爆距较小时迎爆面气泡脉动诱导压力峰值要远大于背爆面压力;在圆柱壳轴向上随距中心点距离的增大绕射特性逐渐减小,壁压向自由场压力逼近。所得到的方法和规律可为潜艇抗冲击设计和评估人员提供参考。     

开孔对潜艇结构冲击损伤的影响

水下爆炸是一个复杂的能量转换过程,结构在受到水下爆炸载荷作用时会出现不同程度的损伤。本文针对开孔壳体结构在水下爆炸作用下的冲击响应进行研究,基于动塑性流固耦合方法,考虑冲击波及气泡脉动的联合作用,以声固耦合法为基础,利用Abaqus大型有限元软件模拟水下爆炸载荷对开孔圆柱壳体结构的作用,实现了流体与结构之间的耦合求解,并分析了不同开孔形式的圆柱壳体在冲击载荷作用下的动响应。通过观察典型部位的PEEQ云图和对典型部位塑性变形进行定量分析,得到方孔的应力集中现象最明显,纵缝式流水孔有较强的抗冲击性能等结论,对工程应用起到一定的参考作用。     

多发武器同时命中时潜艇冲击环境研究

本文旨在研究潜艇在遭受单发命中和多发武器同时命中后的冲击环境对比分析.潜艇的冲击环境是考核潜艇生命力问题的关键.它又可以分为以下几种情况:单发命中、多发同时命中和延时命中.本文结合大型有限元动力分析软件LS-DYNA对某型潜艇进行了单发命中、多发同时命中时的数值模拟研究,对潜艇在遭受典型武器攻击后的冲击环境和冲击因子进行了研究,计算了艇体在受攻击后全艇的加速度响应,并给出了单发命中时冲击响应(加速度)峰值在潜艇不同部位的规律,以及单发命中和多发同时命中时冲击响应(加速度)的对比分析.通过数据分析表明:单发命中时冲击响应峰值在潜艇的不同部位有着不同的趋势,在水中爆炸冲击波作用的同时结构还会受到前驱波的作用,两发同时爆炸的加速度峰均值并不等于相应两个单发爆炸的简单代数和.这对于整个潜艇的生命力研究有着重要的意义.     

水下爆炸作用下船舶结构与燃气轮机动态响应的数值研究

本文对水下爆炸作用下舰船结构及燃气轮机结构冲击响应进行了数值研究.首先,基于CEL方法建立了近自由面水下爆炸流固耦合动力学模型.然后结合燃气轮机-船体一体化仿真分析方法,对不同水下爆炸工况下的舰船结构冲击环境,以及燃气轮机冲击损伤特性进行了评估分析,总结了工况参数对燃气轮机冲击响应特征的影响规律,旨在为舰用燃气轮机抗冲击设计提供技术参考.     

舰船水下爆炸鞭状运动中的阻尼效应

舰船在水下爆炸气泡脉动压力作用下将产生鞭状运动冲击响应。为了掌握冲击响应的衰减规律,建立了舰船结构、设备、水舱内流体和外部流体等在振动和晃荡过程中的阻尼效应动力学模型,并编写程序对是否考虑上述阻尼效应的舰船鞭状运动响应进行了数值计算。研究结果表明,对于具有相对较大质量的内部设备和水舱的舰船来说,上述阻尼效应对舰船水下爆炸鞭状运动的衰减起到重要的作用,如不予以考虑有可能造成对舰船鞭状运动响应幅值的高估。     

相似理论在水下爆炸冲击波载荷中的应用

以相似理论为基础,采用数值仿真试验的方法,探讨舰船结构遭受水下爆炸冲击波载荷作用时的动响应相似性问题。以某型舰原型作为基准模型,根据实际工程需要对舰船进行缩比仿真试验。原型有限元模型与缩比试验有限元模型数值结果表明:通过试验模型可以准确预测原型结构遭受水下爆炸冲击波时的动响应特性,将几何相似律应用到水下爆炸冲击波载荷相似性研究中是可行的。     

水下爆炸载荷作用下舰船重要设备冲击加速度预报

预报舰船设备在水下爆炸载荷作用下的冲击环境,为选择设备提供依据,利用商用有限元软件MSC.Dytran边界加载的方法对整船响应情况进行仿真。在设备和船体基座之间安装隔振设备,大大提高了设备的抗冲击能力。计算结果对舰船抗爆抗冲击设计具有一定的参考价值。     

船舶在远场水下爆炸载荷作用下动态响应的数值计算方法

提出了一个利用MSC／DYTRAN数值模拟水面船舶在远距离水下爆炸载荷作用下动力响应的方法。用FORTRAN语言编译用户子程序，在近场水域边界处加上冲击波载荷以模拟远场爆炸效应，进而利用DYTRAN中强大的流固耦合计算功能，计算船体在水下冲击波作用下的动态响应。同时研究了边界定义和单元划分对冲击波传播的影响。该方法弥补了DYTRAN计算远场水下爆炸的某些不足，计算所得到的船体附近的自由场压力与经验公式的结果基本一致，船体的冲击响应与相关实验结果比较表明本文计算结果可信。     

Estimation of the response of a deeply immersed cylinder to the shock wave generated by an underwater explosion

The work presented in this paper is focused on the development of a simplified method to study the structural response of a deeply immersed cylinder subjected to the primary shock wave generated by an underwater explosion. The proposed analytical model is based on the string-on-foundation method initially developed by Hoo Fatt and Wierzbicki, who converted the two dimensional boundary value problem of a cylindrical shell to an equivalent one-dimensional problem of a plastic string on a plastic foundation. This method has already been extended by the authors to study the shock wave response of an unstiffened cylinder immersed in shallow water. The present work focuses on deep-immersed cylinders subjected to both high hydrostatic pressure and explosion shock wave. The elastic deformation energy of the cylinder under hydrostatic pressure is first calculated and used to determine the initial conditions of the dynamic problem. Cylinder deflection and plastic deformation energy are then calculated for various immersion depths. When confronted to numerical results, the proposed model appears to underestimate the increase of deflection and absorbed energy with the immersion depth. A thorough analysis of the results post-processed from Ls-Dyna/USA finite element simulations highlights a new mechanism which is due to the action of hydrostatic pressure that continues to push inward the immersed cylinder. In order to improve the analytical model, a correction factor on the hydrostatic pressure is introduced but it is finally concluded that a new mechanism dedicated to the late action of the hydrostatic pressure still needs to be developed.     

A numerical study of whole ship structural damage resulting from close-in underwater explosion shock

There are quite a few researches on far-field underwater explosion and contact underwater explosion. However, few studied the close-in non-contact underwater explosion. In this paper the numerical simulations on the deformation and rupture of a rectangular plate and a stiffened plate are conducted, respectively. The simulation results are close to the failure modes shown in the tests. The limit of acoustic–structure coupling method is also pointed out. Then a full-scale surface ship subjected to underwater shock is presented using the same method. The damage evolution process is studied and three damage modes of the whole ship are specified according to the standoff distance. All of these results can be reference to the research of close-in non-contact underwater explosion.     

非接触水下爆炸舰船结构响应分析

军舰以及实施水下爆破任务的舰船不可避免要遭受水下装药爆炸的冲击载荷,舰船上人员与设备要承受由此带来的强冲击.确定舰船遭受水下爆炸引起的冲击环境,对舰船人员和设备的防护都有指导作用.针对3 000 t级水面舰船,应用Abaqus有限元软件建立舰船有限元模型,计算了距舰船水平距离60 m,装药水深60 m,1000kgTNT当量装药水下爆炸,舰船的冲击环境.得到的舰船典型部位结构的速度响应数值合理,规律正确,得到的舰船冲击环境可以指导舰船人员及设备的冲击防护设计.     

水下冲击波作用下结构损伤的数值预报误差分析

准确模拟结构在水下爆炸冲击波作用下的损伤是水下爆炸数值仿真中的难点,有必要研究数值预报误差及其产生的原因。采用ABAQUS提供的声固耦合方法,研究方板模型水下爆炸数值计算的误差。将几何模型划分为3个不同的有限元模型,分析了网格大小对计算结果的影响,以及声固耦合方法的计算误差。通过方板模型仿真、实验室水池试验和方板实船水下爆炸实验结果的比对分析表明：数值计算结果与实验值间的误差约在30%以内。总波和散波两种流固耦合计算方法的误差及其产生原因分析表明总波计算公式存在夸大空化对结构影响的可能。