气泡运动与舰船设备冲击振动关系的试验验证

由于水下爆炸和舰船动态响应的复杂性,对舰船水下爆炸动响应的认识的深刻程度主要来自试验现象和试验数据的分析.由于水下爆炸冲击波和二次压力波早已在水下爆炸试验测量中被发现,因此,在舰船和设备水下爆炸动响应的理论分析和计算过程中只将药包水下爆炸的冲击波作为主要外力,有时也考虑二次压力波的作用.也有人在研究中发现,气泡的运动有时对于舰船设备的运动是重要的.作者于1995年在浮动冲击平台水下爆炸试验中发现"水下爆炸气泡膨胀产生的滞后流是使安装频率为数十赫兹的舰船设备产生冲击振动的主要能源".近年来,发表的水下爆炸气泡运动的研究文献增多,但是,基本没有涉及气泡运动与舰船设备冲击振动的关系.在2003年的圆筒模型水下爆炸试验研究中,作者从另一种角度,用更加简明有力的证据,验证了上述结论.显然,这一发现不仅对于建立正确的理论计算力学模型有重要作用,甚至对于舰船防护的研究乃至水中兵器的研究都有着重要意义.     

球形炸药水下爆炸的舰船空化效应研究

运用通用软件MSC.Dytran建立舰船、炸药和水域的有限元模型,并利用该软件进行有限元分析,准确地模拟出了爆炸冲击波在水中的传播过程、空化效应以及整船结构的动态响应,为舰船的抗冲击性能分析提供了输入条件。通过数值模拟可知:炸药水下爆炸后产生的冲击波会以球面波的形式传播开来,速度接近水中声速;冲击波的瞬时压力与时间的关系呈指数分布,但在水面附近由于空化效应迅速衰减,与库尔理论吻合较好。水中爆炸产生的冲击波是影响舰船冲击响应的主要因素,尤其是冲击波的垂向作用影响更大;冲击载荷主要作用集中在舰底,其所承受的应力要比上层建筑大很多,全船的最大应力就集中在船肿的迎爆面位置。水下爆炸产生的冲击波最先作用到舰底,接着冲击振动通过舰船的垂向结构会向上层快速传递,一直传到甲板和上层建筑为止,与此同时垂向结构也会降低冲击振动的强度,所以舰船上层构件所受到的冲击响应会小于舰船底部或舰船舭部,并呈逐步减小的趋势。     

舰船设备冲击环境的能源研究

在浮动冲击平台水下爆炸试验中，低频簧片仪的簧片应变曲线展示了簧片对水下爆炸响应的全过程。在研究簧片应变曲线与水下爆炸作用外力对应关系时，发现了水下爆炸气泡膨胀产生的滞后流与舰船设备冲击振动响应的重要联系，并用丰富的理论和实验数据证实了“水下爆炸滞后流使舰船产生的（阶跃）位移是安装频率为数十赫兹的舰船设备冲击振动的主要能源”，而冲击波具有的能量对舰船设备冲击振动的贡献是微不足道的。     

水下爆炸环境中舰船浮筏装置冲击响应研究

针对舰船所面临的水下爆炸冲击环境,研究了船用柴油发电机组的隔振浮筏系统对于水下爆炸冲击的响应特性.通过建立带有设备以及隔振系统的舰船结构连同周围水介质的有限元分析模型,利用ANSYS/LS-DYNA软件模拟了水下爆炸冲击波在水中的传播及其对船体的流固耦合作用,研究了柴油发电机组、浮筏筏体以及设备基座在爆炸冲击下的动态响应.文中着重分析了不同爆炸冲击因子对船体与浮筏结构的冲击响应的影响,探讨了提高舰船设备抗冲击性能的途径.     

水下爆炸气泡动态特性研究综述

据研究表明,对于舰船工程而言,水下爆炸造成的危害十分巨大,爆轰冲击波仅对舰船产生局部破坏,而气泡运动引起的脉动压力、滞后流对舰船造成总体破坏,危及舰船总纵强度,使舰船在中横剖面处断裂,且气泡坍塌形成的射流还会引起结构局部毁伤,近年来气泡和水中结构物的相互作用已成为国际上研究热点.为此,本文从水下爆炸气泡的基本现象人手,着重从理论分析、试验技术以及数值方法等方面阐述国内外该领域的研究进展及现状,回顾和讨论了水下爆炸气泡膨胀、坍塌、溃灭以及射流形成等莺要动力学行为的研究进程及关键技术.最后,在前人研究基础上提出了一些尚需进一步解决的问题,旨在为业界同行提供参考.     

水下爆炸作用下船舱浮筏系统的冲击响应试验研究

设计了船舱浮筏系统的水下爆炸试验装置,测试了浅水域中爆炸的水下爆炸载荷,分析了存在结构反射时的冲击波和气泡脉动压力的幅值、比冲量和能量密度,指出以低频成分为主的气泡脉动压力,对舰船设备隔离系统的冲击响应产生重要的作用.并对水下爆炸载荷作用下船舱浮筏系统的冲击响应进行分析,其结果对于研究舰船设备的抗冲击性能具有参考价值.     

水下爆炸作用下船舱浮筏系统的冲击响应试验研究

设计了船舱浮筏系统的水下爆炸试验装置，测试了浅水域中爆炸的水下爆炸载荷，分析了存在结构反射时的冲击波和气泡脉动压力的幅值、比冲量和能量密度，指出以低频成分为主的气泡脉动压力，对舰船设备隔离系统的冲击响应产生重要的作用。并对水下爆炸载荷作用下船舱浮筏系统的冲击响应进行分析，其结果对于研究舰船设备的抗冲击性能具有参考价值。     

水下非接触爆炸作用下舰船结构损伤评估

由于水下爆炸和舰船结构动态响应的复杂性,水下非接触爆炸作用下舰船结构损伤研究主要来自于对试验现象或试验数据的分析。传统对水下爆炸作用下舰船结构损伤研究的理论分析和计算过程主要考虑水下爆炸冲击波和2次压力波。本文提出了气泡脉动对舰船结构的冲击,明确了气泡脉动对舰船结构损伤的关系;在综合研究水下非接触爆炸作用下舰船结构损伤模型基础上,建立了舰船结构的损伤等级,确定了等级评估标准;举例与模拟试验情况下舰船结构损伤情况进行对比,结果基本吻合。     

水下爆炸压力时频分布的小波包分析

为了对舰船结构和设备的冲击环境进行研究,提出了基于小波包分析的水下爆炸压力时频分析方法.研究了短时非平稳水下爆炸压力实验测试信号的时频分布和能量分布规律,从水下爆炸压力时域信号中提取出冲击波,首次和二次气泡脉动压力信号,分析了它们在不同频带的能量分布规律.结果表明,基于小波包的时频分析方法可以提取水下爆炸压力不同时段的信号进行能量和频率分析,水下爆炸压力中以低频成分为主的气泡脉动压力产生的能量接近总能量的一半,是使安装频率为数十赫兹的舰船设备产生冲击振动的主要能源.     

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。     

片空泡崩溃的冲击力

片空泡(bulk cavitation)是水下爆炸的特有现象,是目前国内对水面舰艇损伤外力源研究残留的最后一种不甚明了的现象。文中阐述了片空泡崩溃闭合的规律和由此引起的水锤冲击力,明确指出片空泡崩溃是一种潜在的水面舰艇损伤的强外力源。     

Numerical investigation of concrete-filled double skin steel tubular (CFDST) structure subjected to underwater explosion loading

With the increasing applications in the offshore industry such as oil and gas jackets, submarine pipelines and wind turbine foundations, concrete-filled double skin steel tubular (CFDST) structures are encountering the ever-increasing risk of threats to underwater explosions (UNDEX). This study presents a systematical investigation on the structural behaviors and design recommendations of the CFDST structures subjected to UNDEX loadings through finite element analysis (FEA) approaches. Finite element models have been developed, where the non-linear material properties of the constitutive steel and concrete parts and the composite actions in-between have been considered. The FEA models are verified against the experimentally determined shock wave pressure history, the deformation shapes, and the residual strength. The full-range analyses were firstly carried out on the structural responses of CFDST structures, including the typical damage patterns and residual strength of the specimen after UNDEX. Then, the parametric studies show that the cross-section hollow ratio, charge weight, and explosion distance play great roles in determining the residual strengths. Thereafter, damage indexes considering the parameter of the hollow ratio and the scaled explosion distance has been formulated, and design recommendations have been suggested accordingly.     

基于γ界面捕捉模型的近场水下爆炸数值模拟

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。     

水下爆炸空化效应作用下全船响应的并行计算(英文)

As well as shock wave and bubble pulse loading, cavitation also has very significant influences on the dynamic response of surface ships and other near-surface marine structures to underwater explosive loadings. In this paper, the acoustic-structure coupling method embedded in ABAQUS is adopted to do numerical analysis of underwater explosion considering cavitation. Both the shape of bulk cavitation region and local cavitation region are obtained, and they are in good agreement with analytical results. The duration of reloading is several times longer than that of a shock wave. In the end, both the single computation and parallel computation of the cavitation effect on the dynamic responses of a full-scale ship are presented, which proved that reloading caused by cavitation is non-ignorable. All these results are helpful in understanding underwater explosion cavitation effects.     

三维水翼片空泡尺度效应研究

针对三维水翼的片空泡尺度效应问题,建立LES湍流模型对三维水翼的片空泡生成情况进行计算研究。模拟了片空泡在一个周期内的生成和脱落过程,空泡计算结果与试验做了详细对比,发现LES湍流模型的计算结果与实验结果吻合较好,能较为完整的显示片空泡的脱落过程。研究了来流速度和模型尺度的变化对片空泡产生的影响,发现速度对初始片空泡数基本无影响,而模型尺度对片空泡的形成和发展有影响,但该影响并不大。在此基础上推导了新的初始片空泡数的尺度效应公式。     

某型舰船水下爆炸冲击波载荷作用下结构动态响应数值仿真研究

为了保证舰船安全性,提高舰船生命力,舰船在水下爆炸冲击波载荷作用下动态响应是船舶结构动力学研究的重要课题之一.文中采用数值仿真技术研究了某型水面舰船在水下爆炸冲击波载荷作用下的动态响应.分别从结构变形损伤、变形能吸收和冲击环境等几个方面研究了舰船结构在水下爆炸冲击波载荷作用下的响应特性.     

水下非接触爆炸冲击下舱段模型的仿真分析

水下非接触爆炸冲击波容易引起舰船局部结构的大变形或破损。本文以舱段模型为基础,分别修改外底板板厚、增加强肋骨和龙骨数量得到了3种新的舱段结构模型。使用ABAQUS软件对各舱段水下非接触爆炸冲击下的动态响应进行仿真计算,对外板塑性变形、内底及各层甲板应力和加速度峰值进行分析和对比。结果表明：在本文的工况下,增加强肋骨数量能明显减小舷侧塑性变形;增加外底板厚度能提高舱段底部抗冲击性能;增加龙骨数量能减少船底板变形,但会增加舷侧变形及各甲板应力和加速度。     

某型舰船水下爆炸冲击波载荷作用下结构动态响应数值仿真研究

为保证舰船安全性,提高舰船生命力,舰船在水下爆炸冲击波载荷作用下动态响应,是船舶结构动力学研究的重要课题之一。采用MSC.DYTRAN有限元程序,运用数值仿真技术研究了某型水面舰船在水下爆炸冲击波载荷作用下的动态响应。分别从结构变形损伤、应力应变响应、变形能吸收和冲击环境等几个方面研究了舰船结构在水下爆炸冲击波载荷作用下的响应特性。     

水下非接触爆炸载荷下双层底结构单元抗冲击性能研究

舰船结构水下非接触爆炸的动态响应研究是舰船生命力评估的基础。基于普通双底结构,设计了3种新式的X型、Y型双底单元和Ⅰ型双层底结构单元,分析了4种结构在200 kg TNT炸药不同爆距冲击波载荷作用下的损伤变形特征,运动响应以及结构的吸能特性。结果表明,X型、Y型单元吸收较少能量,尤其内底板吸收能量少,应变、冲击速度和加速度响应值也小,内底板更安全。Ⅰ型单元外底板的变形和应变小,其安全半径约为15 m,其余3种单元安全半径都约为20 m。4种结构临界半径都小于10 m。     

基于结构化网格技术的螺旋桨定常空泡性能数值分析

为了研究定常状态下螺旋桨的敞水性能和空泡性能,采用基于粘流理论的CFD方法开展了系统地计算分析。采用结构化网格方案,将计算区域划分为两个计算区域,内域包含螺旋桨,并将桨叶表面以及桨毂表面的网格进行加密。通过将螺旋桨推力、转矩系数及效率等水动力特性参数的计算值与试验数据进行对比分析,验证了本数值方法的可靠性。利用多相流混合模型计算了螺旋桨的定常空泡性能,并简要分析了不同空泡数下的螺旋桨空泡性能,为以后预报螺旋桨空泡性能提供一种可行方案。