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.     

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。     

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.     

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。     

非药式水下爆炸冲击波特性数值模拟研究

非药式水下爆炸冲击波模拟实验可以克服炸药式水下爆炸耗费大、危险性高等困难,对研究水下爆炸冲击波载荷作用下舰艇的动态响应与损伤具有重要意义。本文运用实验与仿真相结合的方法对非药式水下爆炸冲击波特性进行了研究,分析了不同飞片质量、速度及活塞质量对冲击波载荷强度和衰减时间常数的影响规律,建立了预测非药式水下爆炸冲击波初始峰值和初始冲击波衰减时间常数的经验公式。结果表明：水下爆炸初始冲击波峰值与飞片的初始撞击速度成正比,与飞片及活塞的质量无关。初始冲击波的衰减时间常数仅随飞片和活塞质量的改变而改变,飞片的初始撞击速度对其无显著影响。     

水下爆炸载荷数值模拟方法

基于MSC-Dytran有限元软件,以水下爆炸载荷数值模拟的两类状态方程GAMA和JWL为讨论对象,通过大量数值试验,分析了欧拉网格密度、等效高压气团的初始半径、水的状态方程系数对水下爆炸载荷关键参数模拟效果的影响,给出使用GAMA状态方程时初始气泡半径的取值范围。提出采用JWL状态方程时,通过合理划分网格及提升水的状态方程系数技术模拟整个水下爆炸载荷过程的方法,该方法同时考虑了冲击波载荷和气泡脉动载荷,从而为研究近距水下爆炸载荷下结构响应提供较为准确地爆炸载荷,具有一定的工程意义和参考价值。     

基于AUTODYN的水下爆炸冲击波模拟研究

为提高水下爆炸冲击波的模拟精度,基于AUTODYN程序,采用数值模拟和实验研究相结合的方法,研究了网格密度、状态方程等对数值模拟结果的影响.发现要同时获得较好精度的压力和冲量模拟结果需要设置较高的网格密度;而状态方程的不同也有影响,计算结果表明,相对于多项式状态方程,SHOCK状态方程模拟中远场冲击波时更为准确.基于上述研究结果,通过设置较高的网格密度并利用SHOCK状态方程模拟了实验室小水池水下爆炸的冲击波传播情况,发现无论是峰值压力还是压力衰减趋势的模拟结果都和实验相符,说明了AUTODYN模拟冲击波传播的精确性.     

船体结构对水下冲击波动态响应的数值研究

船舶的水下爆炸响应是一个重要而复杂的问题,对船舶抗爆能力的提高有着重要的意义.本文使用商业有限元程序ABAQUS对某船体在水下爆炸冲击波作用下的动态响应进行了数值模拟.该问题解决中包括流固耦合问题,边界条件的处理.详细给出了某船舶在水下爆炸的响应结果,揭示了船体的加速度响应、船体的应力响应、船体的速度响应3个方面的响应规律.通过和相关试验数据进行比较,表明数值结果与试验结果两者吻合良好.最后考察并给出了各层甲板在关键肋位上的点的应力和速度响应峰值.所得到船舶在水下爆炸下的响应规律,为船舶设计提供有力的依据.     

近边界条件下水下爆炸冲击波信号特征研究

水下爆炸试验过程中,实测冲击波压力信号很容易产生畸变,对试验结果评估造成困难。通过梳理过往实测试验数据发现,不同介质声学阻抗差异是影响近边界条件下冲击波传播的关键因素。在水面附近由于空气的声学阻抗小于水介质,冲击波曲线会突然下降,产生明显的水面截断效应;钢结构表面受压力波叠加影响,压力曲线会不同程度的提高;水底附近由于底质的复杂性,其声学阻抗差异较大,实测压力场会受入射波、反射波、前驱波、波后扰动等因素的影响,波形曲线呈现更加复杂的特性。     

水下爆炸对鱼雷毁伤的实验研究

通过对水下爆炸冲击波最大压力的分析和冲击波对固定壁的作用以及对薄壳结构承载能力分析，研究了水下爆炸冲击波对鱼雷的毁伤效果，探讨了鱼雷头部结构的毁伤准则。同时开展了模拟验证试验。     

带壳有隙TNT炸药包的水下爆炸

裸炸药和有壳炸药空中爆炸的对比研究相当多,并且有了一致的结论;但对于水下带壳药包的爆炸少有研究,水中兵器水下爆炸破坏力都采用裸药的533公式.本文研究了这样的问题,并也研究了当柱形装药与壳体间留有间隙的情况.结论是水下爆炸时采用裸药的公式来计算一次冲击波峰值压力会带来一定的偏差,并且留有间隙虽然削弱了一次冲击波能量,但并不见得明显地增大了气泡脉动能量.     

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。     

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。     

舰船舱段模型在水下爆炸作用下的壁压分析

对舰船舱段模型进行了海上水下爆炸试验,试验的目的是测试药包处于不同水下深度时,舱段模型龙骨处冲击载荷的差别。试验时,测量了自由场压力和壁压。根据试验结果,给出了自由场压力与壁压实测曲线。同时,采用正向超压时间计算公式,和实测自由场冲击波长超压时间以及自由场压力峰值与壁压峰值进行了对比。最后利用matlab软件对自由场压力和壁压进行了定性分析。试验结果对海上水下爆炸理论分析和今后的海上水下爆炸试验均有一定参考价值。     

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.     

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。     

夹层板在舰船舷侧防护结构中的应用

水面舰船抗水下爆炸的性能是舰船生命力的重要方面,深受各国海军重视.以某型水面舰船为研究对象,基于夹层板进行舷侧结构设计;选取典型工况,采用三舱段模型技术,使用MSC.Dytran对夹层板舷侧结构在水下爆炸冲击波载荷作用下的动态响应进行仿真计算.比较分析了流-固耦合力、结构变形、速度、加速度、吸能等重要力学性能.结果表明夹层板应用于舰船舷侧结构使得结构的变形、位移减小,结构塑性吸能增加,显著改善了结构的冲击环境.夹层板是一种防护性能优良的结构形式,吸能效率较高,还减小了冲击波压力及冲量的吸收及传递,对减小舰船其它部位结构的损伤防护起到重要作用.     

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.     

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。     

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.