水下爆炸试验模型律的若干问题

文章解决水下爆炸试验模型律的若干问题.这些问题分别是水面截断、片空泡、船上设备,模型厚度、应变率和流固匹配中水动力学相似参数的选择.同时提供两张有助于设计水下爆炸试验的缩比关系表.     

弹塑性结构水下爆炸相似律研究

为实现将缩比模型在遭受水下爆炸冲击波载荷作用时的动响应特性结果推广到预测原型结构,根据相似理论,讨论了水下爆炸冲击波载荷相似率,并推导了弹塑性结构遭受水下爆炸冲击波载荷作用时的完全几何相似律。以典型舰船板架结构为研究对象,设计若干数值算例,结果表明缩比模型与原型结构之间的能量、运动响应和应力响应吻合较好,说明满足该相似率的缩比模型能够准确预测原型结构遭受水下爆炸冲击波载荷作用时的动响应特性,验证了该相似律的实用性。     

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。     

水下爆炸试验相似准则

水下爆炸现象很复杂,根本不可能做到完全性的相似,哪怕做到一般船舶力学中的流体近似相似也相当困难.因此文献中有关水下爆炸相似律的描述就显得特别简单、笼统和模糊.文章首先对已经公认的一次冲击波的相似律作些解释,说明对一次冲击波的相似律也就是这些了,否则只能做原型试验,再对文献中没有出现过的气泡脉冲相似律的选择作了推导,最后将水下爆炸相似律拓广到与结构耦合上去.     

船体典型结构局部强度考核试验模型设计

针对船体舱段模型典型结构,设计易于实际操作实施的缩比模型试验方案;通过有限元软件对板架水下爆炸响应进行分析．对比各个缩比模型在水下爆炸载荷作用下的响应规律．寻找为完成不同试验目的而设计的最佳试验方案。数值分析结果表明：纵桁和实肋板梁模型在水下爆炸作用下的动力响应可验证梁在爆炸冲击载荷作用下的理论分析方法,十字交叉梁塑性变形可验证实船板架结构中交叉梁系的结构动力响应分析方法。双层底板架结构的塑性变形可对舰船局部强度考核的理论分析提供基础,缩比模型计算结果与实船较为一致。计算结果对舰船型号研制和强度考核具有理论指导意义。     

基于高性能计算的水下爆炸数值仿真

集群技术为水下爆炸数值仿真提供了强大的高性能计算平台.基于高性能计算集群系统和ABAQUS水下爆炸并行计算技术,对遭受水下爆炸的舰船缩比模型进行了性能测试和算例验证,给出了针对特定计算规模的并行计算优化方案.该文研究结果为舰船水下爆炸的高精度数值仿真提供参考.     

相似理论在水下爆炸模型试验中的应用

介绍了水下爆炸试验中的相似理论,在分析结构相似律的基础上,详细讨论了相似理论在水下爆炸模型试验中的应用方法,探讨了该方法的应用前景及局限性.现阶段,由于涉及到巨额经费开支、环境保护等问题,特别是试验难度大、周期长,在我国对每型首制舰进行实船爆炸试验考核是不现实的,因此利用相似理论预测舰船结构对水下冲击的响应,是较为有效的手段.本文利用量纲分析的方法,简要分析了水下爆炸中的相似律,并应用已有的试验结果加以验证,对于今后的模型试验有一定的借鉴作用.     

载荷内部子空间缩比方法在水面舰船水下爆炸鞭状响应试验上的应用

水下爆炸载荷作用下舰船结构的鞭状运动不仅受冲击波载荷的影响,而且与气泡脉动载荷密切相关.理想条件下,水面舰船鞭状响应的缩比模型试验预测必须在离心机或增压水池内进行,这样才能保证冲击与气泡载荷在整个力学空间上的一致性,这对于通常采用的大尺度模型鞭状试验来说,显然不切实际.之前,作者提出一个专门的称为载荷内部子空间的缩比模型方法(LIS Scaling Method),能够在与原型载荷条件紧密相连的特定子空间内模拟水下爆炸载荷与鞭状响应.文中将该方法用于水面舰船,通过精心设计的“原型”和“子模型”水下爆炸鞭状响应模型对比试验研究进行验证,结果表明,原型与子模型的鞭状响应通过LIS方法换算后,有非常好的一致性.此外,发现阻尼随模型鞭状响应的幅值而变化.     

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.     

加筋板结构在水下爆炸冲击波作用下动态响应的近似相似方法研究

提出了同时考虑流固耦合和材料应变率强化效应时,加筋板结构在水下爆炸冲击波作用下动态响应的相似条件.在此基础上,提出了该问题的近似相似方法.该方法通过在模型和原型之间建立一个修正模型,达到利用修正模型的冲击响应近似预报原型响应的目的.最后提出了利用缩比模型试验预报原型冲击塑性变形的模型化试验方法.文中结论可用于指导利用模型试验预报船体局部板架在水下爆炸冲击波作用下动态响应.     

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.     

近自由面水下爆炸冲击波切断效应研究

近自由面水下爆炸形成的冲击波到达自由面时会反射稀疏波,并伴随着水面的上升、破碎和飞溅等复杂物理现象。文章基于无网格SPH方法建立了近自由面水下爆炸数值模型,开发了计算程序,模拟了冲击波和自由面反射的稀疏波的相互作用过程,分析了切断现象的特性、产生机理以及对冲击波参数的影响。研究发现,爆心正上方且距自由面较近处,稀疏波作用最强;近自由面爆炸冲击波冲量可衰减为无限水域爆炸的1/3左右。文中的研究旨在探索冲击波在自由面处的传播规律,并为近自由面水下爆炸载荷的确定提供参考。     

近水面水下爆炸作用下舰船损伤数值模拟

探讨使用MSC/DYTRAN模拟水下爆炸冲击波,与经验公式进行比较,认为使用该方法模拟近水面水下爆炸冲击波是合理的,使用该方法模拟舰船舭部舱段近水面水下爆炸,拟合了变形和装药沉没深度曲线,变形和爆距曲线,与试验结果基本吻合.     

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。     

水下爆炸冲击波和气泡脉动的数值模拟研究

运用AUTODYN程序对水下爆炸冲击波和气泡脉动进行了数值模拟研究.首先模拟了无限水域中的水下爆炸冲击波,然后将深水爆炸简化为一维问题,采用一维方法对深水爆炸冲击波和气泡脉动进行了数值模拟,并将模拟结果与经验公式和实验结果进行了比较.模拟结果表明,AUTODYN能准确模拟近场水下爆炸冲击波和深水爆炸气泡脉动过程,计算得到的近场水下爆炸冲击波峰值压力和比冲量、水质点速度、气泡最大半径、脉动周期、二次压力波的峰值压力和比冲量等特性参数均与经验公式、理论公式和实验结果吻合良好.远场的冲击波峰值压力的计算值小于经验值,而且计算误差随着爆距的增加而增大.最后总结了模拟结果,得出了对工程应用有益的结论.     

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。     

舰船在水下爆炸载荷作用下的总强度研究

通过数值方法模拟舰船受水下爆炸冲击波载荷及气泡脉动载荷作用下的整体响应。计算过程中,考虑波浪载荷的作用,给出水下爆炸载荷与波浪载荷联合作用下船体响应计算方法,并与传统舰船船体强度分析方法相结合,分别研究水下爆炸冲击波载荷、气泡脉动载荷以及波浪载荷的相互作用下,船体强度计算方法。研究结果表明,在水下爆炸冲击波阶段可以忽略波浪载荷的影响,而在气泡脉动阶段,必须考虑波浪载荷与气泡载荷的联合作用。本研究旨在为水下爆炸载荷作用下的舰船总强度研究提供参考。