水下爆炸载荷参数对舰船结构动响应的影响

采用数值方法对某典型水面舰船全船结构动响应进行研究,并分析了不同水下爆炸载荷的参数对舰船结构动响应的影响。计算结果显示,在相同炸药量不同爆距时,舰船结构响应随爆距增加呈指数衰减;在相同爆距不同炸药量时,舰船结构响应随炸药量增加近似呈抛物线增加。     

水下爆炸载荷特性数值计算方法

为了更好地研究水下爆炸冲击载荷,通过数值模拟的方式模拟水下爆炸过程中产生的爆炸冲击波和气泡脉动2种原生载荷。运用有限元软件AUTODYN建立一维炸药-水域模型模拟炸药爆炸产生的爆炸载荷,通过对比经验公式对有限元模型可靠性进行验证,计算结果与经验公式误差不超过15%。同时研究了爆距、炸药当量和水深等变量对水下爆炸冲击波以及气泡脉动的影响。     

蜂窝式夹层板结构单元的防护性能分析

基于某舰船的船底板架,设计出了四边形蜂窝夹层板结构单元,比较分析了船底板架、等效平板、夹层板在典型工况(炸药量500 kg,爆距15 m)水下爆炸冲击波载荷作用下的损伤变形、结构位移、吸能及运动响应,同时对比分析不同冲击因子下3种结构的防护性能。分析表明,夹层板在水下冲击波作用下的最大变形是船底板架的2/3~1/3处,一定程度上改善了冲击环境,具有优越的防护性能。     

船体结构对水下冲击波动态响应的数值研究

船舶的水下爆炸响应是一个重要而复杂的问题,对船舶抗爆能力的提高有着重要的意义.本文使用商业有限元程序ABAQUS对某船体在水下爆炸冲击波作用下的动态响应进行了数值模拟.该问题解决中包括流固耦合问题,边界条件的处理.详细给出了某船舶在水下爆炸的响应结果,揭示了船体的加速度响应、船体的应力响应、船体的速度响应3个方面的响应规律.通过和相关试验数据进行比较,表明数值结果与试验结果两者吻合良好.最后考察并给出了各层甲板在关键肋位上的点的应力和速度响应峰值.所得到船舶在水下爆炸下的响应规律,为船舶设计提供有力的依据.     

自由抛落式救生艇推进系统落水冲击响应计算分析

运用非线性多体动力学方法,建立某抛落式救生艇在主机怠速运转时推进系统的多体动力学模型,计算分析该救生艇落水时产生的冲击载荷对其推进系统主要轴承及艉轴的动态响应。结果表明：主轴承受力明显增大,轴心偏移增加6倍;艉轴承水平方向最大受力增大263%,垂直方向最大受力增大292%;艉轴水平方向弯曲振动偏移量增加190%,螺旋桨径向位移增大147%。曲轴和艉轴最大受力均在许用范围内,且有较大安全裕度,原来的设计方案不会对入水冲击带来不安全。这项研究为自由抛落式救生艇的可靠性设计提供了重要参考。     

水下爆炸冲击作用下舰船管路动响应研究

舰船管路是船舶抗冲击的薄弱环节之一,开展船舶管路抗冲击研究对提高舰船生命力很有意义。文中对大型船舶的压缩排气管路进行有限元建模,并基于有限元计算,分析了管路模型在水下爆炸冲击载荷作用下的响应。通过对管路应力、应变、加速度和位移等响应的归纳,得到空气管路在水下爆炸载荷作用下的响应规律并给出结论,可以为船舶管路系统的抗冲击研究提供参考。     

环肋圆柱壳在水下爆炸冲击下的响应

针对水下非接触爆炸问题过程复杂、计算速度慢的问题,本文以一环肋圆柱壳为例,基于以内嵌的水下爆炸载荷计算方法和声-结构耦合方法为关键技术的水下爆炸分析法(AUA),对其水下爆炸冲击下的响应进行了分析。结果发现,壳板厚度对圆柱壳的水下非接触爆炸响应有较为显著的影响,随着壳板厚度的增加,环肋圆柱壳最大位移减小的幅度逐渐变小。在爆炸初期爆距对环肋圆柱壳冲击响应的影响不大,随时间的推移这种影响逐渐增大,环肋圆柱壳各测点变形随爆距的增大线性减小;当肋骨间距大于0.25倍环肋圆柱壳长时,环肋圆柱壳最大变形量可减小90%;继续减小肋骨间距,环肋圆柱壳最大变形减少量并不明显,说明肋骨对其附近测点和中间的板壳起到了显著的加强作用,肋骨间距为0.25倍环肋圆柱壳长时为最经济的肋骨布置方式。     

环肋圆柱壳在水下爆炸冲击下的响应

针对水下非接触爆炸问题过程复杂、计算速度慢的问题,本文以一环肋圆柱壳为例,基于以内嵌的水下爆炸载荷计算方法和声-结构耦合方法为关键技术的水下爆炸分析法(AUA),对其水下爆炸冲击下的响应进行了分析。结果发现,壳板厚度对圆柱壳的水下非接触爆炸响应有较为显著的影响,随着壳板厚度的增加,环肋圆柱壳最大位移减小的幅度逐渐变小。在爆炸初期爆距对环肋圆柱壳冲击响应的影响不大,随时间的推移这种影响逐渐增大,环肋圆柱壳各测点变形随爆距的增大线性减小;当肋骨间距大于0.25倍环肋圆柱壳长时,环肋圆柱壳最大变形量可减小90%;继续减小肋骨间距,环肋圆柱壳最大变形减少量并不明显,说明肋骨对其附近测点和中间的板壳起到了显著的加强作用,肋骨间距为0.25倍环肋圆柱壳长时为最经济的肋骨布置方式。     

水下爆炸载荷作用下变截面结构中应力波的传播特性研究

随着科学技术的发展,越来越多的学者关注水下爆炸对舰船结构的毁伤特性研究。应力波作为结构载荷和能量传递的形式,对于认识结构系统的冲击响应特性至关重要。但是,关于水下爆炸载荷作用下船体板架类变截面结构中应力波的传播特性目前仍认识不足。本文将基于应力波理论,借助有限元法研究在冲击载荷作用下变截面杆和舷侧外板中弹性波的传播特性。首先,结合应力波理论,基于耦合的欧拉-拉格朗日法(CEL)和欧拉体积分数法研究在水下爆炸冲击载荷作用下变截面杆中弹性波的传播特性,对数值研究方法的精度进行验证;然后研究舷侧外板在受到水下爆炸冲击载荷作用下结构中弹性波的传播特性,并且利用冲击响应谱分析方法研究结构的响应规律,为后续研究复杂舰船结构的冲击响应规律提供参考。     

远场爆炸潜艇典型舱段冲击响应

应用Autodyn有限元计算程序,建立潜艇典型舱段在1 000 kg TNT当量装药水下爆炸,潜艇壳体距爆炸中心30 m,60 m,120 m,180 m四种工况条件下的潜艇壳体损伤及潜艇典型位置冲击环境。计算结果表明,远场爆炸条件下,潜艇壳体迎爆面一般不会出现塑性损伤,潜艇舱室隔板是应力最大的部位。30 m,60 m,120 m,180 m四种工况条件下,潜艇典型位置的速度响应峰值分别为6.5 m/s,4.5 m/s,1.6 m/s和1.0 m/s。     

Hydrothermally degraded carbon fiber / epoxy plates subjected to underwater explosive loading in a fully submerged environment

An experimental and computational investigation was conducted to evaluate the underwater blast response of fully submerged carbon fiber composite plates after prolonged exposure to saline water. The material was a biaxial carbon fiber/epoxy composite with a [±45°] fiber orientation layup. The plates were placed in a saline water bath with a temperature of 65 °C for 35 and 70 days, which simulates approximately 10 and 20 years of operating conditions in accordance to Fick's law of diffusion coupled with Arrhenius's Equation and a reference ocean temperature of 17 °C. Underwater blast experiments were performed in a 2.1 m diameter pressure vessel. The composite plates were placed in the center of the vessel while fully submerged in water, and an RP-85 explosive was detonated at a standoff distance of 102 mm from the center of the plate. Two cases of fluid hydrostatic gage pressures were investigated: 0 MPa, and 3.45 MPa. Two high speed cameras were utilized for three-dimensional Digital Image Correlation, which provided full-field displacements and velocities of the composite plates during underwater blast loading. A third high speed camera captured the behavior of the explosive gas bubble. Moreover, the pressure fields generated by the explosive detonation and resulting gas bubble were recorded with tourmaline pressure transducers. A water diffusion study was completed which showed that the diffusion of water into the composites reached a point of complete saturation after 35 days of exposure. Quasi-static material characterization tests were performed before and after prolonged exposure to saline water. The properties obtained from quasi-static testing also served as material inputs for the numerical models. The quasi-static test results showed that the tensile modulus E_1,2 does not change with exposure to saline water, whereas the in-plane shear modulus G₁₂ decreases with saline water exposure. During blast loading, for the case of 0 MPa hydrostatic gage pressure, the gas bubble interacts with the composite plate substantially. In such an event, the out of plane displacement increased for saline water exposed plates when compared to virgin structures. For the case of 3.45 MPa hydrostatic gage pressure, the gas bubble does not visibly interact with the composite plate. In this case, the out of plane displacement for specimens exposed to saline water was similar to the virgin specimen. A fully coupled Eulerian–Lagrangian fluid structure interaction simulation was performed by using the DYSMAS code. The numerical simulations showed that the displacement of fully submerged composite plates is driven by the displacement of fluid, as well as the size of the gas bubble formed by the explosive rather than the peak pressure generated by the explosive. The numerical simulations were in agreement with the experimental findings in terms of pressure history and plate deformation.     

岷江龙溪口水下岩体钻爆的爆破能量特征研究

为研究岷江龙溪口水下岩体钻爆的破岩效率,建立动力有限元模型,对比水与空气耦合介质对爆炸能量传递效率的影响,分析露天与水下爆破中岩体动力响应与能量特征。结果表明,水耦合装药条件下爆炸传入岩体的爆破能量和传递效率大于空气耦合装药条件,可见水介质耦合可以增强破岩效果。在水耦合装药条件下,覆水条件对初始阶段爆炸应力波的传播不存在影响;当压缩应力波从自由面反射后,露天水耦合爆破的单元动能以及内能较大,说明在水下爆破中与自由面接触的水介质抑制了岩体的运动并吸收了部分爆破能量。水下爆破需要增加炸药单耗才能获得露天水耦合同样的爆破效果。     

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.     

考虑静水压力的加筋圆柱壳体径向碰撞机理研究

水下碰撞是水下结构物的主要事故形式之一,而深水静压载荷环境下的碰撞、触礁等问题是深水静压和碰撞联合载荷作用下的结构响应问题,是最为危险的碰撞环境.采用MSC/Dytran大型非线性动力有限元程序,建立数值有限元模型,考虑深水静压和外物撞击的联合作用,进行深水静压环境、无水压力环境下以及不同撞击载荷多工况碰撞环境和撞击历程的数值分析,对加筋圆柱壳体碰撞载荷作用下的变形、失效机理和变形历程进行比较,分析了不同速度、质量撞击物撞击载荷作用下撞击强度、深水压力载荷等对碰撞历程的影响和加筋圆柱壳体深水碰撞环境下的动态响应特性和碰撞机理.结果显示:由于准静压载荷的附连联合作用,撞击形变将不可避免地带来准静压载荷的做功,其能量将直接由结构吸收,从而将导致加筋圆柱壳体结构的防撞能力急剧下降.同时,随着静水压力的增大,撞击初始阶段所产生的小变形将导致圆柱壳体的整体环向失稳,从而导致壳体整体迅速压溃,因此,深水环境下结构碰撞问题的研究主要是结构的初始稳定性问题的研究.圆柱壳体通过横向平台的加强后将有效提高壳体结构的横向失稳临界应力,从而能够明显地改善加筋圆柱壳体结构的径向耐撞能力.     

水下爆炸声源对抗低频声呐干扰效果研究

在分析水下爆炸声源声学特性的基础上,研究了水下爆炸噪声对低频被动声呐的对抗机理,以圆柱形基阵为例,对不同水声干扰弹装药量、干扰弹到潜艇距离以及海况等级条件下对声呐主瓣、旁瓣的压制干扰效果进行仿真分析。结果表明,与传统噪声干扰器相比,水下爆炸声源对声呐的干扰效果更为明显,能显著降低声呐的探测距离,可为己方舰艇的机动规避和后续对抗创造有利条件。     

潜艇缓变声学故障预报研究

潜艇在使用过程中,因设备产生的振动噪声异常可能使潜艇的声隐身性能恶化．从而显著增加在敌方水声威胁中的暴露率。利用多输入多输出（MIMO）模型获得潜艇机械噪声源对其水下噪声贡献比大小．通过分析噪声源贡献比时间序列是否异常,判断潜艇是否存在潜在声学故障。跟踪故障变化情况．调整噪声源贡献的计算时间间隔,同时根据贡献时间序列的变化趋势,线性预估发生故障的时间。最后通过试验验证该方法的可行性。     

基于边界元和爆震分析韩国天安舰水下爆炸事件(英文)

On March 26,2010 an underwater explosion(UWE)led to the sinking of the ROKS Cheonan.The official Multinational Civilian-Military Joint Investigation Group(MCMJIG)report concluded that the cause of the underwater explosion was a 250 kg net explosive weight(NEW)detonation at a depth of 6 9 m from a DPRK"CHT-02D"torpedo.Kim and Gitterman(2012a)determined the NEW and seismic magnitude as 136 kg at a depth of approximately 8m and 2.04,respectively using basic hydrodynamics based on theoretical and experimental methods as well as spectral analysis and seismic methods.The purpose of this study was to clarify the cause of the UWE via more detailed methods using bubble dynamics and simulation of propellers as well as forensic seismology.Regarding the observed bubble pulse period of 0.990 s,0.976 s and 1.030 s were found in case of a 136NEW at a detonation depth of 8 m using the boundary element method(BEM)and 3D bubble shape simulations derived for a 136kg NEW detonation at a depth of 8 m approximately 5 m portside from the hull centerline.Here we show through analytical equations,models and 3D bubble shape simulations that the most probable cause of this underwater explosion was a 136 kg NEW detonation at a depth of 8m attributable to a ROK littoral"land control"mine(LCM).     

海洋风力电机支撑结构在风机故障状态下的动力响应研究

通过控制叶片的行为模拟风机故障状态,采用广义动态尾迹理论获得叶片的气动力载荷并将其加载到风机支撑结构顶部,最后获得故障情况下风机支撑结构危险截面的等效应力、弯曲应力和塔顶的位移等时程曲线。分析结果显示,风机故障情况将在短时间内急剧增大结构的动力响应。研究表明,应尽量减小故障情况对支撑结构造成的载荷影响,避免结构破坏。     

洋流作用下悬浮隧道动力学行为试验研究

本研究根据相似准则和试验条件设计试验模型。在试验模拟的1节悬浮隧道管段上分别布置2组和3组锚索支撑，测试在不同流速条件下，悬浮隧道管体结构的环向应变、轴向应变及张力腿锚索的轴力。根据试验结果，初步分析悬浮隧道应力的空间分布特征和张力腿的轴力情况；给出在相同环境条件下，张力腿锚索数量对结构应力的影响、洋流速度对悬浮隧道管段结构变形和张力腿轴力的影响关系等。