舰船结构在非接触爆炸载荷作用下的非线性分析

舰船在海战中经常遭受鱼雷、火炮、炸弹和导弹等武器的攻击,由于接触爆炸和非接触爆炸对舰船是致命的,所以如何正确预报爆炸载荷作用下舰船结构的变形与破损,是各国海军都十分关心的一个问题,也是生命力研究的一个重要课题.本文主要研究船体舱段遭受反舰导弹和激光制导炸弹2类武器攻击非接触爆炸后产生的塑性变形的大小和范围.采用准静态方法,根据相关文献将爆炸载荷化为静载,同时考虑材料非线性和几何非线性,对船体舱段在遭受导弹和激光炸弹攻击时进行有限非线性分析,得出相应的结论.     

饱和冲量及其等效方法在舱室内爆炸中的应用

[目的]对于受到爆炸脉冲载荷冲击作用的船体结构,基于饱和冲量现象的相关研究表明,仅根据最大载荷幅值和脉冲总冲量来设计船体结构是不合理的,需探究工程应用中的饱和冲量现象。[方法]首先,总结饱和冲量概念的提出及研究发展;然后,以舱室内爆炸为典型算例,分析内爆炸载荷的曲线特性及结构响应特征;最后,基于饱和等效方法将复杂的内爆炸载荷等效为矩形脉冲载荷,采用理论及数值方法对等效载荷进行计算。[结果]结果表明:在舱室内爆炸准静态超压情况下普遍存在饱和冲量现象,实际工程应用中爆炸载荷会对结构造成较大的塑性变形,通常超过10倍板厚;而运用基于饱和冲量的等效方法分析,所得结果与数值仿真结果的误差小于10%。[结论]运用此方法可更准确地得出结构塑性动力响应结果,在结构抗冲击设计优化时,还可减少繁琐的复杂非线性数值计算,使设计更高效。     

加筋板结构在水下爆炸冲击波作用下动态响应的近似相似方法研究

提出了同时考虑流固耦合和材料应变率强化效应时,加筋板结构在水下爆炸冲击波作用下动态响应的相似条件.在此基础上,提出了该问题的近似相似方法.该方法通过在模型和原型之间建立一个修正模型,达到利用修正模型的冲击响应近似预报原型响应的目的.最后提出了利用缩比模型试验预报原型冲击塑性变形的模型化试验方法.文中结论可用于指导利用模型试验预报船体局部板架在水下爆炸冲击波作用下动态响应.     

Characteristics of gas explosion loads and structural responses of blast wall on FPSO

Gas explosions generally cause catastrophic damage to surrounding structures and humans. The application of blast wall can effectively prevent the damage. The uniform explosion load is widely used in assessing structural response, but it cannot represent the non-uniform characteristic of actual explosion pressures. The main contents of this paper are to study the effect of gas cloud characteristics on explosion pressure distribution, and analyze the effect of non-uniform loads on structural responses. The results reveal that the explosion loads have strongly spatial inhomogeneous when explosion scenarios have large sized cloud or long combustion distance. By establishing the overpressure-probability exceedance curves for uniform loading method and distributed loading method, based on the given accident frequency several design loads are determined. The structural responses of blast wall under design loads are assessed based on explosion evaluation acceptance criteria. It can be seen that the use of uniform loading method underestimates the structural response and misjudges the deformation pattern compared to actual explosion loads. Global and local explosion pressures should be considered simultaneously in the design specification. The overpressure-probability exceedance curves for non-uniform explosion pressures are recommended to establish the design load for blast wall.     

Numerical assessment of explosion resistant profiled barriers

Profiled blast barriers are an integral part of offshore topsides where they are required to protect personnel and safety critical equipment against the effects of a possible hydrocarbon explosion. Limited studies on their response have been presented, particularly at high overpressures. This paper presents a numerical study using finite element analysis to investigate the response of stainless steel profiled barriers subjected to hydrocarbon explosions. By examining three profiles of varying depth (deep, intermediate and shallow) commonly used in offshore topside structures, the criteria governing their behaviour are highlighted. The static capacity and the dynamic response of the barriers are established up to the maximum capacity level and into the post peak or buckling response regime. The parameters that were found to have profound effects on the analyses include imperfections, boundary conditions and modelling assumptions. Through this study, recommendations and guidelines of using finite element analysis for the design or analysis of such explosion resistant barriers are given.     

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。     

舰船舷侧防爆结构在内部爆炸作用下破裂的数值模拟

文章通过应用MSC.Dytran中的多欧拉一拉格朗日耦合方法,对反舰武器战斗部进入舷侧防爆结构内部爆炸作用下其变形和破坏的情况进行数值模拟研究.用多欧拉域模拟结构内外空气中爆炸冲击波传播情况.用快速一般耦合方法计算结构和流体的耦合作用.模拟结果显示:在冲击波作用下,防护结构外层舱室变形、失效后破裂,冲击波通过破口流入内层舱室.由于文中考虑了结构破坏与爆炸冲击波的相互作用,使得数值模拟方法和结果更符合实际.通过对爆炸冲击波动能与结构吸能的研究发现,除了结构的直接吸收削弱了冲击波的动能以外,通过破孔和舱壁上预开的孔泻掉的能量相当于结构总吸能的46.7%.因此在舰船舷侧防护结构设计时考虑内舱壁的适当开孔并减小强度是有益和必要的.     

Experimental and numerical investigations on laser-welded corrugated-core sandwich panels subjected to air blast loading

Experimental investigations on the laser-welded triangular corrugated core sandwich panels and equivalent solid plates subjected to air blast loading are presented. The experiments were conducted in an explosion tank considering three levels of blast loading. Results show that the maximum deflection, core web buckling and core compaction increased as the decrease of stand-off distance. Back face deflections of sandwich panels were found to be nearly half that of equivalent solid plates at the stand-off distances of 100 mm and 150 mm. At the closest stand-off distance of 50 mm, the panel was found to fracture and fail catastrophically. Autodyn-based numerical simulations were conducted to investigate the dynamic response of sandwich panels. A good agreement was observed between the numerical calculations and experimental results. The model captured most of the deformation/failure modes of panels. Finally, the effects of face sheet thickness and core web thickness on the dynamic response of sandwich panel were discussed.     

水下爆炸冲击波和气泡联合作用下结构响应数值分析

结构在水下爆炸作用下会产生严重的破坏,研究水下爆炸作用下结构的响应特征和规律,并为舰船抗冲击设计提供参考。首先验证了ABAQUS软件模拟结构受水下爆炸载荷作用弹塑性响应的有效性和准确性。然后应用ABAQUS软件计算不同工况水下爆炸载荷作用下结构的动态响应。从应变、应力等角度考察了水下爆炸载荷对结构动态响应的影响。计算结果表明气泡脉动压力是结构产生鞭状响应和整体破坏的主要因素。     

舰船结构空中爆炸载荷的高精度数值计算程序

给出了一种舰船结构空中爆炸载荷的高精度数值计算程序.该程序采用基于通量修正算法的有限差分格式编写.它在冲击波阵面处达到四阶精度且耗用计算资源较少,是一种简单高效的计算程序.因此该程序特别适用于大尺度船舶结构受空中爆炸载荷的计算.程序的可靠性和准确性通过击波管试验和空中爆炸试验数据进行了检验.最后给出了一个典型船舶结构受空中爆炸载荷的算例.     

Analysis of naval warship blast and shock resistance technology system北大核心CSCD

舰船抗爆和抗冲击技术概念宏观,内涵广泛,对其认识理解、设计研究都需要技术体系的顶层划分和牵引。首先,基于武器攻击对舰船的爆炸毁伤类型,对舰船抗爆与抗冲击这两个概念进行划分;然后,基于舰船总体抗爆抗冲击设计技术需求,区分不同的研究对象及技术的基础理论,提出包含6大类型的舰船抗爆抗冲击技术体系的划分方案,即水上/水下防护结构设计、新型抗爆结构与毁伤分析、设备系统及人员抗冲击、舰船抗爆抗冲击试验验证及技术标准规范;最后,分别对舰船抗爆和抗冲击技术内涵进行详细阐述。所做研究可为我国舰船抗爆抗冲击技术体系的形成提供一个初步构想,供从事舰船抗爆抗冲击设计、研究及管理人员参考。     

水下爆炸作用下对称结构船体梁整体损伤特性研究

基于相似原则设计了全封闭对称结构船体梁模型,将TNT炸药置于模型中部正下方爆炸,通过改变爆距和药量来研究梁模型在水下近距非接触爆炸作用下的整体损伤特性,比较爆炸气泡运动对梁结构造成的中垂和中拱弯曲损伤作用,探索近距条件下炸药爆炸造成梁发生整体损伤变形时的高效攻击方式。研究发现:在近距非接触爆炸作用下,当爆炸气泡脉动频率与梁一阶湿频率相近时,水下爆炸气泡对梁结构造成的损伤作用以中垂弯曲为主,且爆径比越小,中垂损伤作用越明显;若爆径比不变,随着药量的增大,梁的整体损伤模式会由中垂弯曲向中拱弯曲转变;一定爆距范围内,炸药在远距离多次爆炸比近距离一次爆炸所造成的梁结构中垂损伤变形要大。     

接触爆炸下舰船强力甲板塑性动态响应特性研究

基于舰船强力甲板结构和接触爆炸工况设计,采用非线性有限元计算方法对在不同炸药量下、不同尺寸的纵桁和强横梁的强力甲板进行接触爆炸数值模拟。分析球形炸药接触爆炸下空气冲击波的压力分布以及对甲板的冲击过程,结果显示强力甲板结构在接触爆炸下呈现出3种破坏模式,并通过定义构件相对强度因子,提出了破坏模式的判别条件,初步揭示舰船强力甲板在接触爆炸下的塑性动态响应特性。     

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。     

舰船板架在接触爆炸冲击载荷作用下的破坏

对舰船板架在接触爆炸载荷作用下的变形问题进行了研究.基于变分原理得到四边固支的板架残余变形的近似计算公式,根据破坏准则给出了估算破口半径的近似方法,并与经验公式进行了比较,结果基本上是合理的,可应用于舰船结构在爆炸冲击波作用下的毁伤或防护方面的工程预测,从而为舰船的安全防护设计提供理论依据.     

水下爆炸载荷下舰船设备抗冲击生命力模糊综合评判方法研究

舰船设备抗冲击性能是舰船生命力设计的重要内容。基于模糊数学的基本理论,引入炸药当量、爆距、炸药方位、设备相对位置和抗冲击能力等因素作为基本评判参数,构建舰船设备抗冲击生命力评估的数学模型,按层次分析法确立各参数的权重系数,确定各参数隶属度函数,实现对水下爆炸载荷作用下舰船设备生命力的模糊综合评判,提出舰船设备生命力的评判方法。     

空中爆炸载荷作用下舰船结构毁伤规律研究

利用通用数值程序对空中爆炸载荷作用下舰船结构毁伤规律进行了分析,通过数值仿真结果与经验公式对比验证了所采用方法的有效性。在此基础上提取舰船结构毁伤效果、流场域以及舰船结构典型位置处的响应数据,得出如下结论:利用大型有限元软件在计算破口半径时数据结果偏小,但误差在15%以内,可以用于工程实践;空中爆炸具有局部性,取流体域半径为药包半径的六倍左右,满足工程要求;对于综合补给舰船型,舷侧为薄弱环节,应予以加强;舰船结构在垂向、横向以及纵向均具有较大加速度响应,且空中爆炸船体的响应衰减趋势较弱;药量越大,应力波传播速度越快,且在结构交界处较易出现应力集中的现象,对舰船强度有较大影响。     

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。     

爆破边载对斜拉桥结构动力响应分析

施工爆破往往对既有临近建筑物的影响很大。针对这种边载效应可能造成的危害,结合爆破数值模拟中爆破荷载的特点,基于圣维南原理,将作用在炮孔壁上的爆破荷载等效后,施加在同排炮孔联心线或者面上,以模拟爆炸作用。采用三维实体模型等效模拟计算分析东海大桥在远场爆破施工对既有桥体结构稳定性的影响,计算结构不同位置、不同工况的振动响应和不同距离的最大单响药量,在此基础上,分析桥梁结构受爆破边载影响的危险区域,提出不同距离的药量控制,可为类似工程提供借鉴。     

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.