边界约束对爆炸载荷作用下舱段结构响应的影响分析

针对一般约束和将舷外水简化为附连水质量及水弹簧约束的三舱段模型,分别计算舱内和空中爆炸载荷作用下的舱段结构响应,对其主要响应特征的塑性变形进行比较分析。分析结果表明:在研究舱内爆炸问题时,舷外水对结构抗爆响应的影响较小,可以忽略;而在研究空中爆炸问题时,舷外水对结构抗爆响应的影响较大,必须计及。     

舰船防护水舱在接近爆炸载荷作用下响应的理论研究

防护水舱作为抵御反舰武器爆炸破片和冲击波效应的有效手段之一,在舰船防护结构中经常被采用.爆炸冲击波是一种瞬态的作用,水舱在这种瞬态冲击载荷作用下的响应涉及内、外板以及舱内水的相互作用,其响应机理十分复杂.迄今为止人们还没有对其进行比较完整和严格的理论分析.文章通过适当的假设,对防护水舱内外舱壁在接近爆炸载荷作用下的响应机理进行了理论分析,推导出了水舱内、外板的响应计算公式,并做了算例研究.文中的研究对防护水舱这种特殊结构抵御爆炸冲击波的机理有了进一步的理论解释,并对其设计提出了可供参考的依据和原则.     

基于破损舱室晃荡进水的量化试验研究

针对静水中破损舱室贯通类破口进水液舱晃荡问题，基于自主设计研制的受迫横摇运动破损舱室进水试验装置，在强制横摇工况与全约束典型工况下，研究船舶破损后舷外与舱内贯通时大量的水侵入舱室、液舱晃荡受舷外波浪激励引起非线性失稳现象，并结合对填补破口后的完整舱室进行共振与非共振的试验进行对比分析。试验结果表明：在破口形成10 s后船舱内部进水的运动状态趋于稳定，此时若将破口填堵会使船体内部的积水运动更为剧烈，影响船体稳性。试验得到了船体受损后合理的补救时间点，并使用量化试验窄带域对强制横摇工况下破舱进水试验进行了处理，得到了可信的试验区间，为后续针对破损船的研究提供了有力支撑。     

半、全宽舱段模型的船舶横向强度比对

采用大型通用有限元分析软件MSC,以54 000 dwt散货船为例,采用半舱段模型与全舱段模型进行横向强度有限元分析,得出了在不同工况中舱段内货物压力、舷外水压力、波浪压力等作用下船体舱段结构的结构响应,并对两种模型的计算结果进行对比分析,计算结果对横向强度的建模具有指导意义。     

舱内爆炸载荷作用下舱壁板的动力响应分析

为研究具有不同边界条件的舱壁板在爆炸载荷作用下的动力响应,采用通用有限元软件Abaqus建立完整的舱室结构模型和几种舱壁板模型。运用解耦的方法得到舱内爆炸时作用于舱室各舱壁上的压力时间历程,将该压力载荷作用到舱室各舱壁上得到其动力响应,比较各种模型的计算结果。结果表明:对于舱壁板模型,释放舱壁板4边的3个转角自由度约束、保留3个位移自由度约束是最合理的边界条件;舱壁板的长宽比对舱壁板中心位移有较大的影响;释放舱壁板4边的转角自由度约束对舱壁板中心位移的影响较小,转角自由度约束对舱壁板变形拟合函数的影响较为明显。所得到的数值计算结果可为相关研究提供参考。     

矿砂船船体强度与稳定性分析

对矿砂船船体主要结构进行有限元分析,得出在舱段内货物压力、舷外水压力、波浪压力作用下船体主要结构的结构响应,计算和分析结果表明船体主要结构满足强度与稳定性要求。     

基于万吨溢油回收船的平面被动式减摇水舱优化和模型试验

为进一步掌握平面被动式减摇水舱内水位的变化对减摇效率的影响规律,以某万吨级溢油回收船为研究对象,选择5档水舱水位和无水状态分别进行静水横摇衰减模型试验、规则波模型试验和4级海况下的不规则波模型试验,对减摇水舱内水位的变化对目标船固有周期、阻尼特性和减摇效率的影响规律进行对比分析。研究结果表明:水舱内的水位增加对目标船的横摇固有周期和阻尼系数都有影响;当水舱内的水位在水舱总高的50%以内时,减摇效率随水位的增加而提高;当水舱内的水位在水舱总高的50%~60%范围内时,减摇效率最高;当水舱内的水位在水舱总高的60%以上时,减摇效率有下降的趋势。     

单双壳散货船横向强度的有限元对比分析

采用大型通用有限元分析软件MSC .Nastran,分别对25 000DWT单壳、双壳散货船进行了横向强度的有限元分析,得出了在不同工况中舱段内货物压力、舷外水压力、波浪压力等作用下船体舱段结构的结构响应,并对两船的计算结果进行了对比分析.计算结果对单双壳散货船的设计具有指导意义.     

含半开放水舱的船舶波浪特性数值分析

含有半开放水舱的船舶在实际波浪中航行时，由于船体运动和舱壁反射等而导致舱内波浪环境条件十分复杂，增加了小型船舶进该水舱内作业安全的不确定性。基于自研求解器naoe-FOAM-SJTU，并利用重叠网格技术对不规则波中含半开放水舱的船舶进行运动模拟。以船舶零航速迎浪时的模拟为基础分析半开放水舱内的波浪演化特性，研究不同航速和浪向对半开放水舱内波浪环境的影响。结果表明，在半开放水舱内波浪从舱尾到舱首呈现逐渐减小的趋势，航速增加后舱内波高明显降低，这在舱首尤为明显；随着浪向角的减小，舱内波高明显增加。已完成的计算工况表明，增加航速或浪向角可减小半开放水舱内波浪，从而降低小船驶入水舱内作业的风险，这项研究结果可为制定实际船舶的作业方案提供参考。     

舱段截断时边界条件的选取方法

为减小工作量,常常需要截取某个舱段进行单独分析。本文研究舱段截断对振动模态和谐响应的影响,分析截断处的位移、内力和弯矩的连续性边界条件。对单舱段一端分别施加自由、周向径向简支约束、轴向约束以及三向约束等不同的边界条件,并与全船模型的I舱段进行对比,从模态的固有频率和频响曲线两方面进行比较。结果表明,在舱段频率以上,将舱段截断处理为简支约束比较合理。     

表征外部爆炸作用下舱段破坏的新型冲击因子研究

基于结构遮挡的冲击波能量提出了一种新型冲击因子.为验证该冲击因子在外部爆炸问题中的适用性,使用CONWEP算法对典型三舱段模型在不同装药工况下的响应进行非线性有限元数值仿真,并采用准静态法计算受损舱段的剩余极限强度.计算结果表明新型冲击因子相比传统冲击因子更适合用于表征外部爆炸作用下结构的整体破坏.对于远场爆炸工况,强力甲板最大位移、舱段塑形应变能和剩余极限强度在新型冲击因子衡量下均显示出较高的一致性.在近场爆炸工况中,由于结构局部变形的影响,计算结果存在一定的离散.     

Dynamic response and performance of submarine tunnel subjected to surface explosions

Recently, external terrorist activities have become one of the most influential events on structural safety because of the absence of proper mechanisms to detect these events. In this study, the effects of surface explosions on the dynamic response and blast resistance of a submarine tunnel are investigated by using a coupled Lagrange and Euler (CLE) method. The feasibility and accuracy of the numerical method and material models are verified against the experimental data. After that, the numerical model is utilized to investigate the dynamic behavior and damage evolution of the submarine tunnel subjected to surface explosions. The dynamic behavior of the tunnel under various detonation scenarios in terms of the explosive weight and water depth is explored. Both the localized damage mechanism and the global structural response of the tunnel are examined. Empirical formulas are proposed to predict the failure modes of tunnel. Besides, studies of tunnel protection against potential attacks by using carbon fibre reinforced polymer (CFRP) and ultra-high performance concrete (UHPC) are also discussed. Numerical results in this study provide tunnel owners and engineers with thorough and important information on the structural performance of submarine tunnels subjected to blast loads, helping them in choosing effective protection strategies for potential explosion events.     

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。     

水下圆柱壳冲击响应分析的有限元模型简化方法

基于显式非线性动力学分析程序ABAQUS,对水下圆柱壳受到水下爆炸冲击作用下的非线性动态响应进行研究。详细计算不同简化模型受到水下爆炸冲击波作用下的响应并与完整模型的结果进行对比。研究结果表明,用圆柱壳结构的部分模型代替完整模型,可以得到较为满意的计算结果。     

舰船舷侧防护结构水下接触爆炸动响应分析研究

舰船舷侧防护结构在接触爆炸载荷作用下的动响应问题是舰船抗爆抗冲击设计的重要组成部分。根据国外水面舰船防护结构形式,在某单层舷侧舰船模型基础上增设舷侧防护隔壁结构,并应用国际上通用的动力有限元程序ABAQUS对其进行水下接触爆炸系列数值仿真实验,考核舷侧防护结构对舰船抗爆抗冲击性能的影响。通过结果的对比分析发现,增设舷侧防护结构后较明显改善了船体外板的损伤情况,且防护隔壁仅发生了少量的塑性变形没有产生破口,从而达到了保护内部机舱等重要舱室的目的,并以防护结构双层隔舱内填充液体抗冲击性能最佳。     

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。     

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。     

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.     

舰船结构对水下近距爆炸的响应研究进展

开展舰船结构对水下近距爆炸的响应研究对于改善舰船结构的防护性能、增强战时的生存能力具有十分重要的意义。通过综合近年来舰船结构对水下近距爆炸响应的研究成果,阐明了水下近距爆炸载荷的理论、实验和数值研究进展,并分类总结了水下近距爆炸时的流体结构相互作用与平板、圆柱壳、梁和舰船结构响应的研究现状。最后给出了当前急需加强研究的4个方面的问题:复杂边界条件下的水下爆炸载荷特性、结构冲击破坏的仿真、结构模型试验相似规律以及新型材料和结构对水下近距爆炸载荷的响应。