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.     

水下爆炸气泡及其对结构毁伤研究综述

水下爆炸,特别是近场水下爆炸,会对舰船结构造成严重的毁伤,研究表明,水下爆炸气泡将与含初始毁伤的结构产生强烈的耦合效应,造成二次毁伤。水下爆炸气泡与自由面、壁面、弹性结构等不同边界的相互作用是流体力学和流固耦合领域的研究热点,有很多机理性问题亟待解决。围绕水下爆炸气泡对结构的毁伤,从实验研究、理论研究、数值研究等方面阐述该领域国内外的研究现状。在现有的研究动态中,仍存在着不足,一些问题仍需深入研究,例如,要研究水下爆炸冲击波对水中结构造成破口后,气泡与具有初始破口的不完整边界的耦合动力学特性,并计入结构的弹塑性、自由液面效应、气泡周围流场的可压缩性、气泡的初始形状以及气泡内部的温度变化,探索气泡的"腔吸现象"、射流特性及其载荷规律。     

圆柱壳在水下爆炸气泡作用下的动态塑性响应研究

圆柱壳是潜艇的主要结构单元,其在水下爆炸作用下产生的动态塑性响应是潜艇破坏的主要因素之一,因此研究其水下爆炸动态塑性响应有助于深入了解圆柱壳结构的失效规律和机理.对于提高潜艇的生命力和战斗力以及改良水中兵器战斗部装药设计有着重要的意义.文章首先根据Geers-Hunter的水下爆炸气泡集成的双重渐近模型进行数值求解,得到的结果很好地模拟了水下爆炸载荷从冲击波到第一次气泡脉动的整个过程.然后利用ABAQUS软件,将圆柱壳简化成一根梁,并从圆柱壳在水下爆炸气泡作用下产生的塑性铰的个数这一角度,当气泡第一次脉动频率与圆柱壳梁模型的第一、二阶固有频率接近时,对圆柱壳在水下爆炸气泡作用下的动态塑性响应进行了探索性的研究.     

水下爆炸气泡动态特性研究综述

据研究表明,对于舰船工程而言,水下爆炸造成的危害十分巨大,爆轰冲击波仅对舰船产生局部破坏,而气泡运动引起的脉动压力、滞后流对舰船造成总体破坏,危及舰船总纵强度,使舰船在中横剖面处断裂,且气泡坍塌形成的射流还会引起结构局部毁伤,近年来气泡和水中结构物的相互作用已成为国际上研究热点.为此,本文从水下爆炸气泡的基本现象人手,着重从理论分析、试验技术以及数值方法等方面阐述国内外该领域的研究进展及现状,回顾和讨论了水下爆炸气泡膨胀、坍塌、溃灭以及射流形成等莺要动力学行为的研究进程及关键技术.最后,在前人研究基础上提出了一些尚需进一步解决的问题,旨在为业界同行提供参考.     

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.     

近自由面水下爆炸气泡现象的数值仿真研究

为了解近自由面水下爆炸气泡的动态特性,利用大型商业有限元软件MSC.Dytran,对3种典型工况下的气泡现象进行了数值仿真.仿真结果显示,气泡射流方向与基本理论预测结果基本一致,仿真气泡半径与理论计算吻合较好.由此得出结论,可以利用MSC.Dytran来模拟水下爆炸气泡现象,并对气泡射流现象进行研究.     

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.     

水中电爆炸气泡动态特性试验研究

由于现实大药量水下爆炸实验的气泡运动性态,难以很好地利用高速摄影进行拍摄。本文通过自主设计的实验电路,模拟水下电爆炸的各种工况,证明了低电压充放电电路实现水下微型电爆炸的可能性,可以较好地得到水下爆炸后气泡脉动和射流的诸多特性,为揭示水下爆炸气泡运动特性提供了参考。     

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。