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.     

Influence of turbulence closure models on the vortical flow field around a submarine body undergoing steady drift

Manoeuvring underwater vehicles experience complex three-dimensional flow. Features include stagnation and boundary layer separation along a convex surface. The resulting free vortex sheet rolls up to form a pair of streamwise body vortices. The track and strength of the body vortex pair results in a nonlinear increase in lift as body incidence increases. Consequently, accurate capture of the body vortex pair is essential if the flow field around a manoeuvring submarine and the resulting hydrodynamic loading is to be correctly found. This work highlights the importance of both grid convergence and turbulence closure models (TCMs) to the strength and path of the crossflow-induced body vortices experienced by the DOR submarine model at an incidence angle of 15°. Five TCMs are considered; Spalart–Allmaras, k-ε, k-ω, shear stress transport, and the SSG Reynolds stress model. The SSG Reynolds stress model shows potential improvements in predicting both the path and strength of the body vortex over standard one- and two-equation TCMs based on an eddy viscosity approach.     

隧道穿越堤防时的堤顶面沉降规律研究*

基于上海长江隧道工程,用数值模拟方法对隧道穿越堤防时的堤顶面沉降规律进行了研究。研究发现,隧道半径和隧道收敛率对堤顶面沉降的影响相对简单,而堤身弹性模量、隧道上覆土层厚度、隧道间距对堤顶面沉降的影响相对复杂;堤顶面沉降随隧道半径和隧道收敛率的增大而增大;隧道正上方堤顶面最大沉降和最大差异沉降随堤身弹性模量的增大而减小,最后趋于一稳定值;隧道正上方堤顶面最大沉降和最大差异沉降开始时都随着隧道上覆土层厚度的增大而减小,当覆土厚度大于20 m之后堤顶面沉降减小幅度趋缓;在隧道间距小于10 m时两隧道之间的堤顶面沉降随隧道间距的增大而增大,而在两隧道间距大于10 m时堤顶面沉降随隧道间距的增大而减小;堤顶面最大沉降和最大差异沉降都和隧道间距呈S形关系。结果表明,当隧道穿越堤防时,可采取增大堤身弹性模量、减小隧道收缩率、采用适当的隧道半径、覆土厚度和间距来减小堤顶面沉降。     

CD法开挖小净距公路隧道的优化研究

采用CD法对浅埋小净距公路隧道在不同开挖顺序下进行施工力学数值模拟。通过对不同开挖顺序时的围岩位移和应力进行分析和比较,数值结果表明：在采用CD法施工时,不同的开挖方式最终位移和应力相差不大。综合考虑开挖过程中围岩应力和位移可知,采用先封闭先行隧道,再开挖后行隧道远离先行隧道侧的开挖方式较为适宜。     

海洋悬空管道非线性振动稳定性分析

以海洋悬空管线为研究对象，根据海洋悬空管道的主要特征，将海洋悬空管道简化为两端简支梁力学模型．涡激升力简化为简谐荷载。在考虑管道非线性因素下，建立悬空管道的横向振动方程，并采用谐波平衡法对方程求解。可得出洋流涡激作用下海洋悬空管道横向振动失稳的双尖点突变模型，由此导出悬空管道失稳条件。根据失稳条件分析发现．海洋悬空管长度对稳定性影响起主导作用，并在假定其他条件不变的情况下，分析影响悬空管道稳定性的因素和悬空段临界长度之间的关系。分析结果表明：随着外流流速、管内流流速、管内压强的增加，悬空管道的临界长度减小：随着材料弹性模量、管外直径的增大．悬空段的临界长度增加：其他影响因素相比较而言可以忽略．     

基于有限元的浅埋隧道受力分析及变形破坏处理

采用有限元软件对浅埋隧道受力进行分析,分别从垂直向位移、主应力及剪应变来分析隧道围岩受力情况,分析结果与实际变形破坏一致。垂直向位移最大发生在拱顶,主应力最大集中在拱顶及拱脚,剪应变最大在拱脚。根据分析结果制定合理的隧道变形破坏处理方案,处理后,隧道变形较小,结构稳定。     

采用混合面和滑动网格模型对艇体流场数值分析比较

借助CFD软件,对螺旋桨／艇体相互作用的流场进行了数值模拟。采用了混合面模型和滑移网格模型分别对螺旋桨,艇体流场的整体进行计算,揭示了螺旋桨和艇体之间相互作用的内在规律。     

水中悬浮隧道受撞击作用的数值分析

针对水中悬浮隧道在偶然状况下受到的潜艇撞击问题,文章采用流固耦合方法,建立了撞击作用下浮筒式悬浮隧道的有限元动态模型,分别撞击跨中、隧道四分之一跨、浮筒,分析隧道变形、撞击力、连接钢管拉杆力、隧道端部约束力、隧道动能情况。结果表明:撞击作用下,隧道整体变形明显,结构内力大。不同撞击位置处,悬浮隧道在水下的结构变形和受力行为区别明显。对此,有必要考虑撞击位置进行悬浮隧道的抗撞击设计。     

潜艇水下隐蔽通信技术研究

潜艇是海战中重要的作战平台，在战争中起着不可替代的作用。因此，潜艇的隐蔽性非常重要。通过介绍潜艇水下隐蔽通信的几种方式，分析了各种通信方式的特点，并对潜艇水下隐蔽通信的发展进行了探讨。     

潜艇动力舱浮筏隔振参数对振动与声辐射的影响

降低动力机械引起的潜艇壳体振动以及水下声辐射一直是工程上的一个重要问题。本文利用ANSYS有限元软件，建立了潜艇动力舱的水下声振耦合模型。通过数值计算，分析了主动力浮筏隔振系统中的参数变化，如上下隔振器的刚度、筏体的质量比和刚度改变对动力舱内振动传递率以及水下辐射噪声的影响。本文建立的计算模型可进一步推广应用于因机械设备引起的整个潜艇水下耦合声振预报。     

不同主压载水舱状态下的双层圆柱壳冲击响应分析

对潜艇结构冲击响应（压力）的分析可以评价结构的抗冲击能力并为提高结构抗冲击性能提供依据。以双层圆柱壳为基础,建立有限元模型。利用仿真算法计算当双层圆柱壳结构在主压载水舱状态改变时,耐压壳与非耐压壳的压力响应,并对压力响应进行了分析。通过数据分析表明：主压载水舱的状态对潜艇主要结构响应有很大影响,尤其是对耐压壳、非耐压壳的压力响应及冲击波过后结构响应的衰减方式、频率都有明显影响。     

水下爆炸气泡脉动作用下细长加筋圆柱壳的鞭状响应分析

细长加筋圆柱壳是潜艇耐压壳体的主要结构,其在水下爆炸载荷之下发生的鞭状运动是潜艇结构破坏的主要因素之一.为了考察不同的因素对于细长加筋圆柱壳鞭状响应的影响,该文将圆柱壳简化为一根变截面的梁,用双重渐进近似法(DAA)描述了结构的动态变形与瞬态流场的耦合作用,从弯矩的角度的考察了水下爆炸第一次气泡脉动载荷对结构鞭状响应的贡献,总结了圆柱壳上的弯矩随潜深,爆距,爆炸方位角变化的规律.研究结果有助于进一步了解水下爆炸作用下潜艇的鞭状动响应特征,并用以改进潜艇的抗冲击设计.     

国外援潜救生装备体系及发展

潜艇以它隐蔽性好、远程性及突击性强的特点为各国海军所公认,已成为各国海军最重要的装备之一.但潜艇在水下一旦发生事故,艇员的脱险和对其进行援救,目前仍然是较困难的问题.近年来,随着各国海军对援潜救生重要性认识的提高,纷纷加大研究投入,促使援潜救生装备不断完善和改进.经过多年的研究,美国、俄罗斯等国家逐步形成了一套完整的援潜救生装备体系.本文介绍了美国和俄罗斯援潜救生装备体系的构成及发展历史和现状,概括出国外援潜救生装备体系发展的特点和趋势,为我国援潜救生装备的发展提供借鉴和参考.     

冲击载荷下含表面裂纹潜艇典型结构的动态断裂研究

文章基于大型通用有限元分析软件ANSYS研究了带有初始表面裂纹的潜艇典型结构在不同下潜深度、不同爆心到船壳距离R和不同作用方位冲击载荷作用下的动态应力强度因子及其最大值与冲击因子的变化规律,然后以921A钢为例对多种工况下结构是否发生失稳断裂作出初步判断。     

美国海军潜艇舱室液压系统泄漏火灾风险研究进展

本文针对潜艇舱室液压油泄漏后的火灾风险研究,概述了美国海军所开展的一系列研究工作。为开展这项专项研究,美国利用根据核潜艇艏部舱室搭建的“沙德威尔/688”测试平台,对火灾、爆炸和其它相关风险进行了试验研究,取得大量成果,同时基于实测数据验证了针对性开发的潜艇舱室火灾预测软件的准确性。文章结合我国该领域的研究进展,指出液压油泄漏火灾风险控制思路和未来发展方向。相关研究对我国开展潜艇及其它船舶和密闭环境火灾风险控制研究具有指导意义。     

Seismic response of liquid-filled tank with baffles

In thispaper, the effects of a rigid baffle on the seismic response of liquid in a rigid cylindrical tank are evaluated. A baffle is an annular plate which supplies a kind of passive control on the effects of ground excitation. The contained liquid is assumed incompressible, inviscid and has irrotational motion. To estimate the seismic response, the method of superposition of modes has been applied. To analyze the rigid tank response, Laplace＆#39;s equation is considered as the governing equation of the fluid domain, in both time and frequency domains. The boundary element method （BEM） is employed to evaluate the natural modes of liquid in a cylindrical tank. To gain this goal, the fluid domain is divided into two upper and lower parts partitioned by the baffle. Linearized kinematic and dynamic boundary conditions of the free surface of the contained liquid have been considered.     

航道开挖对下方已建地铁工程的影响性分析

为预测并控制航道大面积开挖对下方已建地铁结构变形的影响,以京杭运河浙江段Ⅲ级航道整治杭州段(新开挖航道)跨地铁1号线节点工程为例,分别研究正常开挖和采用一定措施时地铁盾构隆起位移的理论值。结合工程的地质条件和地铁安全运营要求,提出分块挖土条、坑内满堂加固和抗拔门架结构等多种抗隆起措施,并利用三维有限元分析软件对河道开挖全过程进行施工阶段数值模拟。结果表明,该措施对控制地铁位移是有效的,能够满足地铁安全运行的要求。     

基于蒙特卡罗有限元法分析运营中的厦门海底隧道荷载效应

文中在总结运营公路隧道的荷载特点、概括影响隧道荷载效应各种因素及其统计特征的基础之上,运用蒙特卡罗有限元法对厦门海底隧道海域Ⅳ类围岩下左洞某断面二次衬砌的荷载效应和弯矩的统计特征进行了计算和分析。研究结果表明：厦门海底隧道海域Ⅲ级（Ⅳ类）围岩下左洞某断面的二次衬砌结构最大弯矩发生在仰拱处,最大轴力发生在拱脚处;衬砌拱顶、拱腰以及拱脚和仰拱处的弯矩不拒绝服从对数正态分布;衬砌拱顶、拱腰以及拱脚和仰拱处的荷载效应不拒绝服从正态分布。     

通气空泡流中洞壁效应对空化数和压力场影响的研究

文章在均质平衡多相流模型的基础上耦合输运方程型空化模型,通过求解混合介质的RANS方程、RNG k-ε湍流输运方程以及各相的质量输运方程,采用通用CFD软件—FLUENT数值模拟了水洞中带圆盘空化器航行体模型的定常通气空泡流动,研究了圆形截面闭式空泡水洞中洞壁效应对通气空化数和压力场的影响。得到的阻塞空化数线性正比于圆盘水洞直径比,且与三维圆盘自然空泡流的势流近似解基本一致,分析了洞壁效应作用下空化流场内的压力分布特点,并根据计算结果拟合了一定适用条件下通气空泡长度、最大直径和模型阻力系数的近似公式。