近场水下爆炸冲击波对板架结构毁伤特性研究

加筋板架广泛应用于船体结构,其优良性能可以为舰船结构的防护及优化设计提供技术支持。本文针对近场水下爆炸冲击荷载作用下加筋结构的动力学响应,基于ALE方法采用LS-DYNA软件对三种加筋形式结构进行了数值模拟,分析了板架的变形响应。结果表明:加强筋的设置方式对板架的变形有一定的影响,当三种类型加筋结构的总质量相同时,井字形加强筋的效果较好;对于矩形截面加强筋,结构动力学性能受高宽比影响较明显,在舰船结构设计中应根据实际情况合理选择。此外,还针对不同爆距作用下加筋板的毁伤特性进行了研究,得到了两种不同的毁伤模式。     

水下爆炸冲击波作用下加筋板结构动态响应研究

运用大型商业有限元程序MSC.Dytran数值模拟了水下爆炸冲击波作用下舰船底部板架结构的响应,采用一般耦合算法（General Coupling）模拟了流体与结构的耦合效应,在计算中考虑了材料的应变率强化效应,并将数值仿真结果与试验结果进行了比较,两者吻合较好。结果表明：合理的设置计算参数,有限元模型能够很好地模拟水下爆炸冲击波对舰船底部结构的冲击作用。在此基础上分析了板架的变形模式,加强筋在板架变形过程中的作用,以及板架最大塑性应变出现的位置。     

船体板架在水下接触爆炸作用下的破口试验

针对船体中常见的加筋板结构，在矩形方板上运用了3种不同尺寸的T型材，采用“井”字形和“＋＋”字形两种加筋形式设计了4个板架模型，将模型四边刚性固定，在板中央放置炸药，分别对其进行了水下接触爆炸试验。爆炸作用下板架模型均以花瓣形破裂，产生大面积的破口，不同形式和尺寸的加强筋对板架的破坏程度具有不同的影响。通过对破口尺寸和形状的观测，分析了加强筋对破口长度的影响，提出了板架结构加强筋相对刚度Cj的概念，描绘了不同尺寸加强筋在不同炸药量下对板架结构破口范围的影响。同时，对现有的水下接触爆炸作用下的破口长度估算公式进行了修正，给出了考虑加强筋影响的破口计算公式；经过比较，该公式比现有的破口估算公式与试验结果更加吻合。     

水下爆炸作用下加筋板结构响应的数值仿真研究

运用有限元程序MSC.Dytran数值模拟水下爆炸作用下舰船上典型的加筋板结构的响应,采用一般耦合算法模拟了流体与结构的耦合效应,在计算中考虑了材料的应变率强化效应,并将数值仿真结果与试验结果进行比较,两者吻合较好。在此基础上分析了板架的变形模式,加强筋在板架变形过程中的作用,以及板架最大塑性应变出现的位置。     

水下爆炸气泡载荷对舰船的总体毁伤研究

在水下非接触爆炸中,气泡载荷因其脉动频率经常接近于舰船的垂向固有频率而造成舰船总体毁伤。阐述水下爆炸气泡与弹塑性船体梁之间的流固耦合理论,建立了一个考虑气泡迁移,自由面效应和气泡阻力的气泡模型和船体梁的弹塑性模型。以实船为算例,计算了气泡载荷作用下船体梁的弹塑性变形,分析船体梁发生弹塑性损伤的机理和特征。     

水下爆炸载荷作用下舰船总体毁伤模式研究

建立舰船三维有限元模型,采用数值仿真方法计算舰船总体在水下爆炸载荷作用下的动响应,讨论船体主要构件破坏模式以及舰船鞭状运动对船体总纵强度的影响,总结舰船总体在冲击波阶段与气泡脉动阶段舰船毁伤模式及规律。     

水下爆炸气泡射流对壳板毁伤的计算方法

导出气泡射流速度及其与壁面作用周期的计算公式,并对舰船典型舱段进行了水下爆炸试验,探究典型工况下气泡射流对船体板架的毁伤效应与适用于工程计算的方法。结果表明,水下爆炸产生的气泡射流在船体局部产生的毁伤比冲击波更强,并且射流驻压是导致结构破坏的主要原因。导出的射流作用周期以及将射流载荷按正弦波形式处理的方法,具有一定的工程计算精度。数值计算与试验结果对比,估得典型工况下射流峰压值的量级,它与经验公式计算值相吻合。该方法可为相关的水下爆炸试验提供参考。     

水下爆炸对船底结构毁伤效应的数值仿真

水下爆炸是毁伤舰船等水中航行器的一条重要途径,但是水下爆炸对船舶毁伤效应的试验操作复杂,理论分析也难于进行,因此应用数值仿真手段研究水下爆炸对目标的毁伤效应具有实际意义。大中型船舶均采用双层船底结构,在给定的装药量的作用下双层船底结构的破坏程度就成为了一个关注的重要问题。采用非线性动力学分析软件AUTODYN-3D研究了薄板在水下非接触爆炸作用下的力学响应并与实验进行了对比,验证了计算的合理有效。对舰船典型的双层船底结构建模,进行了水下爆炸对双层船底结构毁伤效应的数值仿真研究,给出不同的船底结构在水下爆炸作用下的响应特点。     

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。     

反舰导弹舱内爆炸作用下舰船结构毁伤机理研究进展

反舰导弹对水面舰艇最主要的攻击模式是它侵彻舷侧后在舱内爆炸。论文系统总结了在反舰导弹舱内爆炸作用下舰船舱室结构毁伤机理的研究进展,论述了两种最重要的舱内爆炸载荷—高速破片群和舱内爆炸压力,分析了船体材料本构关系和模型的发展历程,回顾了在爆炸载荷作用下舰船板/加筋板/舱室动态响应的规律和毁伤模式。最后提出了反舰导弹作用下舰船结构毁伤机理的研究建议。     

A numerical study of whole ship structural damage resulting from close-in underwater explosion shock

There are quite a few researches on far-field underwater explosion and contact underwater explosion. However, few studied the close-in non-contact underwater explosion. In this paper the numerical simulations on the deformation and rupture of a rectangular plate and a stiffened plate are conducted, respectively. The simulation results are close to the failure modes shown in the tests. The limit of acoustic–structure coupling method is also pointed out. Then a full-scale surface ship subjected to underwater shock is presented using the same method. The damage evolution process is studied and three damage modes of the whole ship are specified according to the standoff distance. All of these results can be reference to the research of close-in non-contact underwater explosion.     

典型舱室结构内爆毁伤效应

为研究内爆载荷下的典型舱室结构毁伤效应,针对大型舰船的典型舱室结构,结合冲击波载荷的经验计算公式,采用一种简化算法对爆炸舱室板架整体损伤情况进行计算,并使用数值仿真方法进行验证。分析常规反舰导弹作用下的典型舱室结构毁伤模式。根据相关大尺度模型内爆试验结果,研究爆炸舱室板架失效模式,并用试验结果对简化算法再次验证。结果表明,该简化算法具备一定的可靠性和准确性。     

水下爆炸数值模拟联合算法求解结构稳态响应

在研究水下爆炸作用下加筋板架的稳态响应方面,以往的研究主要利用瞬态显式算法,得到的稳态响应结果存在一定的精度缺陷。提出一种改进的水下爆炸数值模拟方法。该方法利用ABAQUS/Explicit Standard算法,针对瞬态显式与稳态隐式静力分析,建立联合数值模拟方法。利用该方法分析某船体加筋板架的“瞬态稳态”响应。结果表明:联合“瞬态显式稳态隐式”算法的仿真结果与试验结果相差在10%以内,说明该方法可用于水下爆炸作用下加筋板架结构的响应分析,且采用联合“显式隐式”算法得到的结果更接近试验值,误差降低了39.8%。     

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。     

高速破片侵彻防护液舱试验研究

为研究水下接触爆炸产生的高速破片在水中的侵彻特性,针对3.3 g立方体破片进行了水下弹道试验,结果表明:破片的侵彻阻力系数受形状的影响较大,撞击隔板时产生压缩波使破片产生墩粗和侵蚀,造成破片迎流面积的增加和质量的下降,从而使破片在速度较高时侵彻深度反而下降。     

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。     

水下爆炸冲击波作用下平板塑性动力响应的数值模拟

根据流固耦合的Taylor平板理论和Cole的水下爆炸经验公式,得到了水下爆炸冲击波作用下平板迎爆面的总压力载荷,并将该压力载荷嵌入到ABAQUS程序的用户自定义载荷子程序VDLOAD中,实现了对ABAQUS的二次开发.作为验证,利用该方法模拟了水下爆炸冲击波作用下固支平板的塑性动力响应,模拟结果与试验结果吻合良好.与通用的模拟方法相比,本文所采用的模拟方法在保证较高计算精度的前提下,可以显著降低计算成本并简化建模过程,对于工程应用具有一定参考和实用价值.     

固支方形板在水下爆炸冲击波载荷作用下动态响应数值仿真研究

舰船在实际海战中的抗打击能力是舰船生命力的重要指标.板格是舰船结构的基本组成单元,为了研究板格在爆炸载荷作用下的承载能力,采用数值方法研究了正方形板在水下爆炸冲击波载荷作用下的动态响应,分析了板的变形模式,研究了板厚和爆炸冲击因子对板的最大变形绕度的影响,推导出简单适用的经验公式.     

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.     

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.