水下爆炸冲击载荷的一种新型算法研究

近年来,越来越多的研究者都重视使用计算机的数值模拟对水下爆炸进行研究.水下爆炸包含了一系列复杂的物理过程,如大变形、高度非均匀性、可变形边界和自由表面.对于传统的基于网格的数值方法,水下爆炸问题的模拟是一项非常具有挑战性的工作.介绍了无网格光滑粒子流体动力学(SPH)方法在水下爆炸模拟中的应用,并且提出了处理固壁和物质交界面的算法,给出了水下爆炸过程具有代表性瞬间的压力分布、速度分布以及气泡的演变和脉动,为舰船水下爆炸冲击载荷的计算提供了一种新型有效的研究方法.     

SPH方法模拟水下爆炸研究进展

对SPH方法模拟舰船水下爆炸的主要技术问题及其研究现状进行分析。结果表明,大密度比多相流模拟、三维或基于对称算法的三维模拟、无反射边界等边界的处理是SPH方法实现舰船水下爆炸工程应用的主要技术瓶颈。提出SPH方法实现舰船水下爆炸工程应用的重点研究方向。     

基于SPH方法的水下接触爆炸数值模拟

水下爆炸涉及的物理现象极其复杂,特别是水下接触爆炸数值模拟极为困难.文章编制了基于体积近似的修正SPH方法计算程序,成功模拟了水下接触爆炸冲击波传播和结构破坏的整个过程.文中通过模拟圆柱形装药对水中结构的破坏,发现了钢结构的破坏模式、背空钢板处冲击波的传播特性.结果表明,修正SPH方法在高密度比介质的交界面处仍能反映基本的物理过程,在解决高速、强压缩和高密度比的多相流问题时具有较大优势.该文计算结果旨在为舰船水下接触爆炸相关研究提供参考.     

水下爆炸载荷数值模拟方法

基于MSC-Dytran有限元软件,以水下爆炸载荷数值模拟的两类状态方程GAMA和JWL为讨论对象,通过大量数值试验,分析了欧拉网格密度、等效高压气团的初始半径、水的状态方程系数对水下爆炸载荷关键参数模拟效果的影响,给出使用GAMA状态方程时初始气泡半径的取值范围。提出采用JWL状态方程时,通过合理划分网格及提升水的状态方程系数技术模拟整个水下爆炸载荷过程的方法,该方法同时考虑了冲击波载荷和气泡脉动载荷,从而为研究近距水下爆炸载荷下结构响应提供较为准确地爆炸载荷,具有一定的工程意义和参考价值。     

基于AUTODYN的水下爆炸冲击波模拟研究

为提高水下爆炸冲击波的模拟精度,基于AUTODYN程序,采用数值模拟和实验研究相结合的方法,研究了网格密度、状态方程等对数值模拟结果的影响.发现要同时获得较好精度的压力和冲量模拟结果需要设置较高的网格密度;而状态方程的不同也有影响,计算结果表明,相对于多项式状态方程,SHOCK状态方程模拟中远场冲击波时更为准确.基于上述研究结果,通过设置较高的网格密度并利用SHOCK状态方程模拟了实验室小水池水下爆炸的冲击波传播情况,发现无论是峰值压力还是压力衰减趋势的模拟结果都和实验相符,说明了AUTODYN模拟冲击波传播的精确性.     

非药式水下爆炸冲击波特性数值模拟研究

非药式水下爆炸冲击波模拟实验可以克服炸药式水下爆炸耗费大、危险性高等困难,对研究水下爆炸冲击波载荷作用下舰艇的动态响应与损伤具有重要意义。本文运用实验与仿真相结合的方法对非药式水下爆炸冲击波特性进行了研究,分析了不同飞片质量、速度及活塞质量对冲击波载荷强度和衰减时间常数的影响规律,建立了预测非药式水下爆炸冲击波初始峰值和初始冲击波衰减时间常数的经验公式。结果表明：水下爆炸初始冲击波峰值与飞片的初始撞击速度成正比,与飞片及活塞的质量无关。初始冲击波的衰减时间常数仅随飞片和活塞质量的改变而改变,飞片的初始撞击速度对其无显著影响。     

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.     

近自由面水下爆炸冲击波切断效应研究

近自由面水下爆炸形成的冲击波到达自由面时会反射稀疏波,并伴随着水面的上升、破碎和飞溅等复杂物理现象。文章基于无网格SPH方法建立了近自由面水下爆炸数值模型,开发了计算程序,模拟了冲击波和自由面反射的稀疏波的相互作用过程,分析了切断现象的特性、产生机理以及对冲击波参数的影响。研究发现,爆心正上方且距自由面较近处,稀疏波作用最强;近自由面爆炸冲击波冲量可衰减为无限水域爆炸的1/3左右。文中的研究旨在探索冲击波在自由面处的传播规律,并为近自由面水下爆炸载荷的确定提供参考。     

近水面水下爆炸作用下舰船损伤数值模拟

探讨使用MSC/DYTRAN模拟水下爆炸冲击波,与经验公式进行比较,认为使用该方法模拟近水面水下爆炸冲击波是合理的,使用该方法模拟舰船舭部舱段近水面水下爆炸,拟合了变形和装药沉没深度曲线,变形和爆距曲线,与试验结果基本吻合.     

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。