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.     

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。     

水下爆炸冲击波产生的区域空化效应二次加载的并行数值研究

船舶等水面结构受到水下爆炸作用时,其附近水域会产生空化现象,包括局部空化和区域空化。以某水面船为对象,数值模拟了该船受水下爆炸作用时的动态响应。比较了考虑空化效应和不考虑空化效应下船体结构的不同响应,分析了区域空化效应对此船的二次加载作用,二次加载引起的加速度峰值与冲击波引起的加速度峰值在同一量级上。使用高性能计算机并行计算比较了不同流体网格密度模型的计算结果。结果对比显示,为了更精确地模拟空化效应及其对结构的影响,加密水域网格是必要的。     

水下爆炸冲击波与气泡载荷作用下船体结构的动响应

由冲击波引起的结构动力毁伤与由气泡引起的结构动力毁伤机理不同.基于双渐近（DAA）理论,建立-套有限元方法与边界元方法相结合的数值计算程序.分别研究非接触水下爆炸冲击波载荷与气泡载荷作用下三维船体结构的动响应,阐述水下爆炸载荷与三维船体结构之间的流固耦合理论.通过算例,详细讨论冲击波与气泡载荷作用下船体结构的总体响应和局部响应的-些特征与机理.计算结果表明,在非接触水下爆炸中,冲击波主要是对船体结构造成局部毁伤,而气泡则会对船体结构造成总体与局部的双重毁伤.     

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.     

冲击波和气泡脉动联合作用下加筋板的毁伤仿真研究

运用有限元程序MSC．Dytran对无限水域近场非接触爆炸冲击波和气泡脉动载荷下加筋板的毁伤进行研究，分析两种冲击载荷的不同作用方式、作用位置和毁伤效果。在此基础上分析加筋板结构和气泡脉动的相互影响，距离参数的改变对气泡中心移动方向、射流方向和射流强度的影响。并对Blake准则在弹性结构边界下的使用范围进行探讨。     

An experimental study on the dynamic response of a hull girder subjected to near field underwater explosion

An experiment of hull girder model subjected to near field underwater explosion at midship is implemented. High-speed photography is applied to achieve the time history of hog displacement of the hull girder model subjected to shock wave of undex. The determination method of hog distortion using these show-motion pictures is presented. The experiment also achieves the local plate distortion of the hull girder model. Based on these works, the damage mechanism and mode of hull girder subjected to near field undex at midship are discovered. Finally, the coupling effect between whole motion of hull girder and distortion of local structure is discussed.     

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.     

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.     

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.     

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.     

典型补给油船抗冲击性能研究

基于通用仿真软件,对某油船进行了远场水下爆炸的动响应分析。研究了药包沿船长方向分布、沿水深分布和不同攻角对船体结构的影响。可以看出,中远场水下爆炸对油船的冲击响应,主要表现为总体响应,局部效应并不明显;爆距对冲击响应有很大的影响,而在远场爆炸时攻角对其影响不明显,随着爆距的增加,船体结构响应逐渐减小;武器的毁伤效应对船体外板影响最为显著,随着能量在船体内的传播,到主甲板时迅速衰减。通过进行计算分析得出了一些结论,为油船的设计及建造提供参考。     

码头港池增深炸礁爆破工程设计

通过工程实例,介绍水下钻孔爆破方法在码头港池增深炸礁爆破工程中的应用,分析和评估爆破安全可行性。该工程采用设计气泡帷幕的方法来防止爆破产生的水中冲击波对码头的影响。实践证明,这种方法在泊位港池增深工程中是可行的。     

舰船抗爆领域水下爆炸载荷研究进展

海战中水下爆炸载荷是舰船的重要威胁之一,为了给舰船抗爆研究提供准确的载荷输入,需要对载荷进行系统研究。通过查阅大量文献,介绍了国内外舰船抗爆领域水下爆炸载荷的研究概况,从冲击波载荷和气泡载荷两个方面总结了该领域的研究进展。由于冲击波载荷的研究比较成熟,重点对气泡运动方程、气泡射流等气泡阶段的研究工作进行了总结和分析。并且在分析前人工作的基础上对该领域有待进一步解决的问题和发展趋势进行了展望,为该领域内研究工作的开展提供一定参考。     

水下爆炸载荷作用下舰船总体毁伤模式研究

建立舰船三维有限元模型,采用数值仿真方法计算舰船总体在水下爆炸载荷作用下的动响应,讨论船体主要构件破坏模式以及舰船鞭状运动对船体总纵强度的影响,总结舰船总体在冲击波阶段与气泡脉动阶段舰船毁伤模式及规律。     

多几何缩比的水下爆炸试验换算律

受试验场地条件限制,试验设计不得不采用多个几何缩比时,水下爆炸相似律将不再适用.本文从能量角度给出以水下爆炸动响应试验为目标的模型缩比设计换算律,能在一次试验过程中同时获取一次冲击波和气泡二次压力波冲击环境的测值.     

泡状流中空化与激波相互作用的数值模拟

文章针对定常可压缩泡状流中回转体的空化绕流进行了数值模拟,在给定来流速度和环境压力的条件下,对不同含气率下的空化与激波的相互作用进行了研究。首先,对含气率为0的情形进行计算并同试验数据进行对比,证明所采用的计算模型是可信的。其次,改变流场含气率从0至0.5进行计算,结果表明,随着含气率的增大,流场的可压缩性随之增强,体现为数值模拟得到了回转体绕流流场的3种波系,包括回转体头部处的脱体激波、分离面处的膨胀波和空泡尾端的斜激波。而空化与激波的相互作用则体现为:头激波削弱了空化效应,使得空化区域减小;由于空泡外形的影响,使得空泡尾端出现了斜激波;含气率超过一定值,空泡已经无法闭合在物面上,而是闭合在空泡尾端的激波面上,体现为空泡尾端壁面逆压梯度趋于平缓。计算结果揭示了泡状流中空化与激波相互作用的新的物理现象。     

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。     

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。