舰船舱内爆炸载荷特征与板架毁伤规律分析

[目的]炸药在自由场、舱室内爆炸时,载荷特征存在很大差别。[方法]模拟不同药量炸药在自由场、密闭舱室与开口舱室中爆炸的过程,并对比数值计算载荷与亨利奇公式计算结果,分析炸药在密闭舱室以及开口舱室内的载荷特征。[结果]研究表明,在密闭舱室中,冲击波在角隅处形成汇聚压力,其在角隅处的冲击波总冲量约为板架中心处冲击波总冲量的1.45倍,而开口舱室角隅处的压力并不明显;与密闭舱室相比,开口舱室的反射压力峰值与准静态压力值均较小;开口舱室的冲击波总冲量约为密闭舱室的20%;密闭舱室板架的失效模式为板架沿加强筋发生塑性变形,沿角隅发生撕裂;开口舱室角隅处并未发生撕裂,但开口边缘处发生了外翻变形;只考虑冲击波作用时,采用数值模拟方法得到的板架中心最大变形值与简化计算方法得到的值比较接近,但在同时考虑冲击波、准静态压力作用时,误差较大。[结论]研究结果可为舱室内爆载荷的特征与板架毁伤规律提供较为合理的预报。     

波浪与水下爆炸气泡脉动载荷联合作用下船体梁的响应特性北大核心CSCD

[目的]舰船在执行任务的过程中有可能因同时遭受波浪载荷与水下爆炸气泡脉动载荷的联合作用而使船体响应发生“叠加效应”,导致总强度的损失,因此需要探索水下爆炸气泡脉动与波浪联合作用时船体梁的动力响应规律。[方法]首先,采用理论分析的方法建立船体梁的简化模型,并对水下爆炸气泡脉动载荷与波浪载荷进行求解;然后,基于Hamilton原理,分别推导两端自由船体梁在波浪载荷与水下爆炸气泡脉动载荷单独作用及联合作用下的运动微分方程;最后,基于对运动微分方程的求解,分析船体梁的自由振动响应在与外载荷组合的3种工况下简化模型的运动响应。[结果]结果显示,在波浪载荷与水下爆炸气泡脉动载荷的联合作用下,船体梁的运动响应相比2种载荷单独作用时运动响应的线性叠加值增大了15%。[结论]所做研究可为舰船结构在联合载荷作用下运动响应分析的计算程序开发提供参考。     

典型舱内爆炸载荷对加筋板的毁伤特性

[目的]为研究典型舱内爆炸载荷对加筋板的毁伤特性,将舱内爆炸载荷分为初始爆炸冲击波载荷和准静态气压载荷,利用有限元分析软件LS-DYNA开展爆炸载荷下固支单向加筋板毁伤特性的数值模拟。[方法]主要模拟载荷冲量相等和载荷峰值相等时固支单向加筋板的变形特性,以及加筋板分别在初始爆炸冲击波载荷、准静态气压载荷及2种载荷联合作用下的毁伤特性,并分析上述载荷作用下加筋板的变形特点。[结果]结果表明:当作用在加筋板上的冲量相等、载荷作用时间小于0.05倍垂向一阶自振周期时,加筋板的最终挠度值处于最大值附近;当载荷峰值相同时,存在饱和冲量值,达到饱和冲量值以后,载荷作用时间不再影响加筋板的最终变形。[结论]在舱内爆炸载荷作用下,加筋板的最终变形不是2种载荷作用下的简单叠加,2种载荷的联合作用会增强毁伤效果。     

舱内爆炸载荷下箱型梁船体节点结构强度分析

[目的]为了研究箱型梁典型节点结构在舱内爆炸下的结构强度,[方法]基于ANSYS/LS-DYNA显式动力有限元软件,首先建立箱型梁船体舱段结构的有限元模型。然后,采用ALE算法开展舱内爆炸载荷下舷侧箱型梁与强横梁连接处不同型式节点结构的动态响应数值计算。最后,在给定的炸药当量和爆点位置情况下,获得舱室结构的整体变形和破坏模式,并分析在不同节点结构设计方案下典型位置的应力特征。[结果]计算结果表明:舷侧箱型梁与强横梁连接处圆弧式和肘板式节点结构的应力峰值与甲板破口尺寸基本相当;从舱壁撕裂长度来看,肘板式稍逊于圆弧式,在中间箱型梁与强横梁连接处,圆弧连接最优,单侧肘板次之,双侧肘板最差。[结论]所得到的数值计算结果可为箱型梁节点连接结构的工程应用提供有益的参考。     

舱室内爆冲击波载荷特性及影响因素分析

战斗部爆炸产生的冲击波载荷是舰船舱室结构的主要载荷之一,舰船舱室内爆炸载荷准确与否是正确计算板架响应的关键。舰船舱室内爆冲击波在舱室内部多次反射,舰船舱室内部形成持续时间较长的准静态压力过程,在此过程中舱室板架承受多次冲击波反射载荷。本文采用实验验证数值程序计算舱室内爆炸冲击波的可靠性,在此基础上采用数值方法研究舱室内爆冲击波壁面反射特性及爆点位置对舱室内爆载荷的影响。计算结果表明舱室内爆各壁面反射冲击波明显,爆点位置仅对爆点附近区域冲击波特性有影响,对远离爆点区域的冲击波特性无明显影响。     

舱室内爆冲击波载荷特性及影响因素分析

战斗部爆炸产生的冲击波载荷是舰船舱室结构的主要载荷之一,舰船舱室内爆炸载荷准确与否是正确计算板架响应的关键.舰船舱室内爆冲击波在舱室内部多次反射,舰船舱室内部形成持续时间较长的准静态压力过程,在此过程中舱室板架承受多次冲击波反射载荷.本文采用实验验证数值程序计算舱室内爆炸冲击波的可靠性,在此基础上采用数值方法研究舱室内爆冲击波壁面反射特性及爆点位置对舱室内爆载荷的影响.计算结果表明舱室内爆各壁面反射冲击波明显,爆点位置仅对爆点附近区域冲击波特性有影响,对远离爆点区域的冲击波特性无明显影响.     

舰船舱内空爆数值仿真方法研究

利用Ansys/LS-DYNA动力分析软件模拟大型水面舰船在舱室内部爆炸情况下船体结构的加速度响应情况。炸药及空气采用欧拉网格,船体结构采用拉格朗日网格,计算采用多物质ALE算法。数值模拟中对爆炸环境进行简化,以附连水质量代替水线面下方水介质对船体结构的影响。将不同尺寸网格计算出的冲击波载荷曲线与经典经验公式对比,得到数值仿真的合理网格尺寸。采用简化模型讨论2种边界约束条件对各层平台加速度峰值响应的影响,得到较为合适的约束条件。计算得到沿船长方向船体结构加速度分布并与实验结果相比较,数值仿真计算得到的加速度峰值与实验数据较为吻合,表明仿真中对于空爆载荷及约束条件等冲击环境的模拟合理。     

舰船舱内空爆数值仿真方法研究

利用 Ansys/LS-DYNA 动力分析软件模拟大型水面舰船在舱室内部爆炸情况下船体结构的加速度响应情况。炸药及空气采用欧拉网格,船体结构采用拉格朗日网格,计算采用多物质ALE算法。数值模拟中对爆炸环境进行简化,以附连水质量代替水线面下方水介质对船体结构的影响。将不同尺寸网格计算出的冲击波载荷曲线与经典经验公式对比,得到数值仿真的合理网格尺寸。采用简化模型讨论2种边界约束条件对各层平台加速度峰值响应的影响,得到较为合适的约束条件。计算得到沿船长方向船体结构加速度分布并与实验结果相比较,数值仿真计算得到的加速度峰值与实验数据较为吻合,表明仿真中对于空爆载荷及约束条件等冲击环境的模拟合理。     

舱内爆炸载荷作用下加筋板动态响应试验研究

相对于敞开环境来说,发生在封闭舱室内的爆炸将对舰船结构造成更加严重的毁伤。论文对四边夹持约束的方形加筋板在舱内爆炸载荷作用下的动态响应进行了试验研究,分析加筋板结构的塑性大变形特征和舱室封闭程度对爆炸载荷作用效果的影响。试验结果表明:加筋板在舱内爆炸载荷作用下主要是发生整体塑性变形,中心变形挠度远远大于板厚值,中面膜力在板变形过程中起主要作用。与敞开环境爆炸载荷作用效果相比,舱内爆炸载荷作用在加筋板上的"等效损伤冲量"提高了6~8倍。结构变形主要取决于舱室壁面的反射冲击波和舱内准静态压力载荷。舱壁开孔降低了舱室壁面的封闭限制效果,导致舱内准静态压力载荷衰减速度加大,从而降低了爆炸载荷对结构的破坏能力。     

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.     

舰船水下爆炸鞭状运动中的阻尼效应

舰船在水下爆炸气泡脉动压力作用下将产生鞭状运动冲击响应。为了掌握冲击响应的衰减规律,建立了舰船结构、设备、水舱内流体和外部流体等在振动和晃荡过程中的阻尼效应动力学模型,并编写程序对是否考虑上述阻尼效应的舰船鞭状运动响应进行了数值计算。研究结果表明,对于具有相对较大质量的内部设备和水舱的舰船来说,上述阻尼效应对舰船水下爆炸鞭状运动的衰减起到重要的作用,如不予以考虑有可能造成对舰船鞭状运动响应幅值的高估。     

舱室内爆载荷作用下夹层板优化设计研究

舱室内战斗部爆炸产生的冲击波是舱室结构板架承受的主要载荷之一,舱室内爆冲击波在舱室内部将发生多次反射,并在舱室内部形成持续时间较长的准静态压力,在此过程中舱室板架承受多次冲击波反射载荷。本文以舱室典型加筋板为对象进行夹层板概念设计,选取面板厚度、背板厚度、夹芯壁厚及夹芯间距4个参数作为试验参数,以抗爆综合评价指标最小为目标,采用正交试验优化设计方法得到该加筋板结构在舱室内爆冲击波载荷作用下最优抗爆性能的夹层板结构,并对比最优夹层板与普通加筋板在舱室内爆载荷作用下的响应特征。研究表明,经过优化设计后的夹层板具有更好抵抗冲击波载荷的能力,正交试验设计能较好适用于夹层板结构优化设计。     

船体与增压锅炉一体化抗冲击研究

为真实模拟增压锅炉与船体之间的耦合作用,将船体与增压锅炉装配在一起,在船体模型外加流场,进行爆炸数值模拟,分析求解增压锅炉在冲击载荷下的响应。同时将爆炸产生的冲击载荷以BV0430/85规范进行等效,单独加载到增压锅炉底座。两种加载方法的计算结果表明,设备与船体的耦合作用及边界条件是不可忽略的,一体化分析方法能更真实地模拟冲击环境。     

Development of simplified method for prediction of structural response of stiffened plates under explosion loads

During their lifetime, marine structures may be exposed to accidental loadings such as from collisions or explosions, as well as environmental loadings such as from slamming, sloshing and green water. Such loadings can cause damage to structures. Therefore, to minimize such damage, advanced and robust design guidelines should be formulated. Among those loads, in this study, explosions imparting an impulsive pressure loading containing a rapid increase in pressure and a short duration that can cause serious casualties, property losses, and marine pollution were considered. In this paper, a practical and robust method for damage assessment of marine structures exposed to explosion loads based on a single degree of freedom (SDOF) system and numerical simulations is proposed. The SDOF method was improved by introduction of new and better idealization resistance for the system and consideration of the effect of strain-rate, and subsequently was verified by a numerical method developed using the commercial ABAQUS software package. The numerical method was itself validated by comparison with relevant pulse pressure test data available in the open literature (good correlation was shown). Based on the validated numerical models, a rigorous parametric study of the structural response of stiffened plates having actual scantlings of offshore structures was performed. The numerically obtained maximum deformations were compared with the results from the improved SDOF method in a parametric study, and the variation of both methods was verified. Finally, simple yet accurate and reliable formulations for prediction of structural response were empirically derived. These formulations are expected to be usefully employed as a first-hand tool for prediction of damage extent of marine structures (including offshore structures) due to explosion loads.     

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。     

水下远场爆炸下船舶结构响应计算有限元建模方式影响分析

利用有限元软件ABAQUS,针对船舶结构和设备采用不同建模方式,建立4种水下远场爆炸载荷作用下全船结构冲击响应计算的有限元模型,对比分析船体结构局部与总体冲击响应。结果表明:船舶骨材结构与设备的建模方式对结构局部冲击响应如加速度、应力等影响很大,而对结构的总体响应如剖面弯矩等刚性安装设备采用质量点均摊的方式处理以减小建模的工作量。对于大型的弹性安装设备,需采用质量点和弹簧单元仔细建模。     

Effects of the standoff distance on hull structure damage subjected to near-field underwater explosion

The near-field underwater explosion poses a great threaten to marine ships by introducing both local and overall damage on their hull structures. In this paper, a series of near-field underwater explosion experiments were carried out on the mimic steel hull structures to investigate the effects of the standoff distance on their dynamic behavior. Special attention was paid on their deformation process and failure modes. After that, a fluid-solid coupling algorithm was implemented in establishing a finite element (FE) model to simulate dynamic response of the hull structures under a near-field underwater explosion. The numerical results showed a good agreement with the experimental data. A standoff distance threshold was found to result in the maximum structural deformation. The deformation magnitude was monotonically decreased by either increasing or decreasing the standoff distance from the threshold value.     

船体典型结构局部强度考核试验模型设计

针对船体舱段模型典型结构,设计易于实际操作实施的缩比模型试验方案;通过有限元软件对板架水下爆炸响应进行分析．对比各个缩比模型在水下爆炸载荷作用下的响应规律．寻找为完成不同试验目的而设计的最佳试验方案。数值分析结果表明：纵桁和实肋板梁模型在水下爆炸作用下的动力响应可验证梁在爆炸冲击载荷作用下的理论分析方法,十字交叉梁塑性变形可验证实船板架结构中交叉梁系的结构动力响应分析方法。双层底板架结构的塑性变形可对舰船局部强度考核的理论分析提供基础,缩比模型计算结果与实船较为一致。计算结果对舰船型号研制和强度考核具有理论指导意义。