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。     

水下爆炸冲击波作用下船体舱段刚体运动试验研究

对舰船舱段在水下爆炸球面冲击波作用下的刚体运动速度进行预报。以炸药在舱段中部正下方爆炸的工况为研究对象,将舱段简化为平板模型,计及流场对舱段运动时附加质量的影响,提出一种计算船体舱段在球面冲击波的作用下刚体运动响应的方法,对比舰船实尺度舱段水下爆炸试验结果,验证该方法的正确性。结果表明:舰船舱段整体受到冲击波的最大压力时刻比冲击波到达峰值压力的时间有一定的延迟,在冲击波压力趋于零时舱段刚体运动速度达到峰值。     

水下爆炸条件下自由场压力载荷时频特征分析

在舰船结构水下爆炸试验中,为了研究水下爆炸条件下水中自由场压力载荷的时频特征,针对某水下爆炸试验自由场压力测试试验数据,基于小波分析对信号进行时频特性分析,得到水中自由场压力信号的时频分布和能量分布状况。分析结果表明:针对水下爆炸自由场压力载荷,基于小波分析技术对其时频特征进行分析,可得到水下爆炸自由场压力载荷所包含的频率信息、强度信息以及不同频段下的载荷持续作用时间等信息;另外,可对冲击波、滞后流和二次压力波这3个不同信号阶段进行频段与能量统计分析;在不同频段上对冲南击信号的能量进行统计发现,冲击波阶段在8 k Hz以下频段集中了超过90%的能量,其中4 k Hz以下频段的能量最大,在滞后流和二次压力波阶段,需特别重视250 Hz以下的低频段对船体结构及设备的影响,该结果对舰船结构及设备的抗冲击防护具有借鉴意义。     

水下爆炸冲击波作用下船体舱段变形试验研究

对舰船实尺度舱段在水下爆炸载荷作用下的船底板架变形进行了试验研究及理论分析。以舱段在水下爆炸的试验现象及结果为基础,通过平板模型求解药包在水下任意位置爆炸时舱段的刚体运动特性,以冲击波的入射能减去舱段刚体运动动能作为船底板架的弹塑性变形能,利用能量法,对船底板架应用薄板的大挠度弯曲理论进行局部变形求解。试验结果及理论分析表明:舱段模型在水下爆炸过程中会产生较大的刚体运动,船底外板变形区域主要集中在纵桁和实肋板交叉的板格内,理论求解的板格最大变形与试验结果较为一致。该文结果可对船体外板变形计算及局部强度考核提供数据及理论的参考。     

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.     

基于SPH方法的浅水爆炸研究

通过SPH方法,利用Fortran编程,首先对自由场中装药爆炸进行模拟,将结果与经验公式对比,验证Fortran程序的有效性和正确性。然后对浅水爆炸问题进行数值模拟,再现浅水爆炸的基本物理现象,研究浅水爆炸相对于无限水域爆炸所独有的压力和冲量特性;通过对浅水爆炸不同参数的研究,给出了不同爆深对压力和冲量的影响,分析水底泥沙密度对冲击波压力的影响,给出不同泥沙密度下浅水中压力的变化规律。研究表明,浅水爆炸同时受到水面和水底的作用,水面效应使压力曲线产生截断效应,底部效应会增加压力脉宽。随着爆深的增大,压力曲线逐渐由削弱峰值、削弱脉宽过渡为增大峰值、增大脉宽,冲量逐渐增大,水冢逐渐减小;随着泥沙密度的增加,浅水中压力峰值增大,作用脉宽也增大,直达波、水面反射波以及水底反射波的相互作用更加明显。本文研究旨在揭示上述问题的作用机理,总结规律性结论,为舰船水下爆炸结构响应预报和舰船结构的防护设计提供参考。     

密闭空间内爆炸准静态压力理论计算研究

[目的]密闭空间内爆炸过程不仅涉及冲击波的传播和反射,还包含复杂的后燃烧效应。后燃烧效应既增强了冲击波强度,还会对最终准静态压力产生较大影响。为对约束空间内爆炸准静态超压进行预测,[方法]基于化学反应分析及能量守恒定律,推导给出一种考虑后燃烧效应内爆炸准静态超压峰值的计算模型,并将模型计算得到的准静态超压与相关文献的实验测量结果及经验公式的结果进行对比分析,以验证所提理论模型的可靠性和准确性。[结果]结果表明:理论模型计算的准静态超压峰值与文献的实验测量及经验公式的结果吻合较好;Anderson经验公式在药量体积比小于0.5 kg/m~3的爆炸工况下并不适用,文献[8]的拟合公式不能外推至药量体积比大于8.87 kg/m~3的爆炸工况下使用。[结论]研究结果可为更好地了解内爆炸后燃烧效应对准静态压力贡献的物理机制,以及为抗爆结构设计及毁伤评估提供一定的参考和指导。     

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。     

远场非接触爆炸作用下舱段模型动态响应的数值模拟

利用非线性有限元软件ABAQUS计算了舱段模型在非接触水下爆炸作用下的动态响应过程,给出了各部位的加速度时间历程,利用模型爆炸试验来检验计算的正确性,在数值计算和工程试验的基础上讨论了舱段模型在远场爆炸下的响应,此研究对舰船结构抗冲击仿真评估具有一定的参考价值.     

船舶进气装置冲击波试验北大核心CSCD

为评估船舶进气装置承受爆炸冲击波的能力,进行冲击波试验研究。通过对比各爆室的不同装药量,发现冲击波超压峰值与爆室1的装药量成正比关系;冲击波波形与爆室2-爆室7的装药量有关,爆室2的装药量决定了冲击波的完整性。通过分析试验数据,结果表明：爆炸冲击波的冲击波冲量最大值滞后于冲击波超压峰值的最大值;进气装置可以承受超压峰值84.45 k Pa爆炸冲击波产生的15 260.84 k Pa·ms冲击波冲量的作用力。     

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。     

舰艇设备舱室爆炸冲击响应研究

为提高舰艇舱室及内部设备的抗爆炸冲击能力,应用瞬态分析软件 LS-DYNA分析计算包含大型设备的舰艇舱室内部爆炸冲击响应情况。使用弹塑性金属材料本构模型及 JWL炸药本构模型建立舱室有限元模型后,使用流固耦合算法首先对舱室内爆炸冲击波的传播情况进行计算分析,然后通过设备基座变形和设备基座冲击加速度2个方面对舱室内设备爆炸冲击响应情况进行比较分析,评估舱壁厚度对设备冲击的影响情况。最后得出相关结论,这些结论对舱室内设备的合理布置以及设备抗冲击结构设计有一定的参考价值。     

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.     

金属导爆索网栅结构水下爆炸声学特性研究

为了获得连续水下爆炸声源,文章设计了金属导爆索网栅结构,并开展了水下爆炸压力测试和气泡脉动实验,研究了金属导爆索网栅结构水下爆炸的声压级特性,水下爆炸的声持续时间,对应的混响效应,利用Hilbert-Huang变换对水下爆炸信号的频谱特性进行了分析.研究结果表明:金属导爆索网栅结构水下爆炸可根据设计连续产生多个脉冲冲击波信号,形成近似平稳的连续波,随后产生的气泡脉动和混响效应能够明显提高水下爆炸声的持续时间;金属导爆索网栅结构具有很强的声功率,水下爆炸声压级最高能够达到249 dB,爆炸60 ms后金属导爆索的爆炸声压级仍在200 dB以上;金属导爆索网栅结构水下爆炸声频率范围广,在100 kHz以下低频段能量最高.金属导爆索网栅结构水下爆炸脉冲信号频率成分丰富,具有低频和瞬时的特点,且大部分集中在100 kHz以下,尤以50 kHz以下的最为明显;脉冲信号具有多个能量峰值,能量值较集中,波动能量基本上都集中在频率为100 kHz范围以内,尤以50 kHz以下的低频能量最大,高于100 kHz以上频段的能量的分量很小.脉冲冲击波的个数和声持续时间可由金属导爆索网栅的排列方式和长度控制,脉冲冲击波间的时间间隔可调,发生装置稳定易控.     

舱室内爆载荷作用下夹层板优化设计研究

舱室内战斗部爆炸产生的冲击波是舱室结构板架承受的主要载荷之一,舱室内爆冲击波在舱室内部将发生多次反射,并在舱室内部形成持续时间较长的准静态压力,在此过程中舱室板架承受多次冲击波反射载荷。本文以舱室典型加筋板为对象进行夹层板概念设计,选取面板厚度、背板厚度、夹芯壁厚及夹芯间距4个参数作为试验参数,以抗爆综合评价指标最小为目标,采用正交试验优化设计方法得到该加筋板结构在舱室内爆冲击波载荷作用下最优抗爆性能的夹层板结构,并对比最优夹层板与普通加筋板在舱室内爆载荷作用下的响应特征。研究表明,经过优化设计后的夹层板具有更好抵抗冲击波载荷的能力,正交试验设计能较好适用于夹层板结构优化设计。     

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.     

水下爆炸载荷的统计特性

为研究水下爆炸载荷的概率密度,选取炸药密度、水密度作为随机变量,基于乘同余组合发生器,利用Fortran语言编写随机数生成程序,产生100组随机变量的样本;采用有限元程序LS-DYNA对水下爆炸冲击波进行仿真计算,得到冲击波的峰值压力;并检验其是否服从正态分布,验证最大熵法程序的正确性,采用最大熵法拟合其概率密度函数,研究爆炸载荷的统计规律,得到不同爆距,不同时刻的冲击波峰值压力的概率密度.该方法可较好地解决爆炸载荷的随机数理统计模型,为进一步进行结构的可靠性分析提供理论依据.     

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。     

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。