爆炸波高精度数值计算程序开发及应用

[目的]当爆炸发生在约束空间内部,由于壁面的约束限制,爆炸冲击波的传播和演化特性将更加复杂,其对结构、内部设施及人员的损伤也更加严重。为了研究约束空间内部的爆炸特性,[方法]基于FORTRAN平台,采用三阶WENO有限差分格式,自主开发约束空间内部爆炸波高精度三维数值计算程序。利用Sod激波管、双爆轰波碰撞、空中爆炸等经典算例,验证所开发程序的可靠性。基于验证的程序,开展约束空间内部爆炸波数值计算,研究密闭空间、泄压空间及连通空间内部的爆炸波传播规律与爆炸载荷特性。[结果]研究表明,所开发的程序能较好地模拟约束空间内的爆炸过程。[结论]该开发工作可为后续研究复杂空间内部爆炸波传播路径、评估爆炸载荷以及合理设计抗爆结构奠定基础。     

密闭多舱室内柱形气云爆炸过程二维数值模拟

为了研究密闭多舱室空间内爆炸波传播过程及舱室壁面爆炸载荷分布特性,采用三阶WENO有限差分格式,编写了多舱室内爆炸冲击波二维数值计算程序。利用平面激波与矩形方腔相互作用实验验证了本文数值程序的可靠性与正确性。采用验证的程序开展了密闭多舱室内柱形高压气云爆炸波数值计算研究,探讨了多舱室内爆炸波传播路径,不同舱室内部爆炸载荷特性及爆源位置对爆炸载荷特性的影响规律。本文研究可为工程抗爆结构设计及爆炸毁伤评估提供一定的参考和指导。     

约束空间内爆超压载荷影响因素二维数值模拟

[目的]为了研究炸药运动、初始界面扰动及网格尺寸对舱内爆炸超压载荷的影响规律,[方法]采用五阶WNEO有限差分格式、三阶TVD龙格—库塔法对二维可压缩欧拉方程的空间项和时间项进行数值离散,并基于Fortran平台,自主开发约束空间内爆炸波高精度数值计算程序,利用所开发的程序对舱内爆炸超压载荷的影响因素进行初步探讨。[结果]研究表明,增大炸药运动速度、选取特定的初始界面扰动、减小网格尺寸均能较明显地提高舱内爆炸冲击波峰值,但对准静态超压载荷的影响较小。[结论]研究结果可为抗爆结构设计及舱内爆炸毁伤评估提供一定的参考和指导。     

后燃烧效应对约束空间内爆炸载荷的影响规律

[目的]为了研究后燃烧效应对约束空间内炸药爆炸载荷的影响规律,[方法]将反应率模型耦合到可压缩欧拉方程中,并以源项的方式进行后燃烧能量的添加。采用五阶WENO有限差分格式和三阶TVD-RK格式对耦合方程空间项和时间项进行离散求解,自主编写约束空间内炸药爆炸后燃烧过程的二维数值计算程序。基于自主程序开展不同工况下内爆炸后燃烧效应数值计算,探讨内爆炸过程中反应速率及后燃烧能量大小对爆炸载荷的影响规律。[结果]研究表明:在后燃烧能量大小一定的情况下,反应速率常数增大时,冲击波到达时间提前,冲击波峰值、冲量均增大,准静态超压峰值保持不变;在反应速率常数一定的情况下,随着后燃烧能量的增大,冲击波峰值、冲量及准静态超压峰值均增大;后燃烧能量的加入能显著增强爆炸载荷强度。[结论]研究成果可为抗爆结构设计及毁伤评估提供一定的参考和指导。     

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.     

钢制金属I型夹芯板界面疲劳脱粘特性分析

[目的]针对金属I型夹芯板界面的脱粘失效破坏,开展金属夹芯板界面疲劳脱粘特性分析。[方法]基于内聚力模型理论,考虑时间历程、三维结构节点多自由度的损伤演化方程与收敛判定准则,开发适用于三维复杂结构的界面疲劳脱粘模拟程序;与焊接接头脱粘实验结果进行对比,验证所开发程序的准确性,并进一步对钢制金属I型夹芯板的界面疲劳脱粘行为进行数值模拟。[结果]结果显示,所开发的三维界面疲劳脱粘数值模拟程序与焊接接头脱粘实验间最大的模拟误差仅为14.05%;I型夹芯板承受面外载荷时,夹芯板界面处的脱粘破坏主要表现为沿焊缝方向的表面裂纹扩展,当裂纹扩展至夹芯板长度的70%左右时,裂纹开始贯穿腹板形成贯穿裂纹。[结论]所开发的三维复杂结构界面疲劳脱粘程序可以实现对金属夹芯板界面疲劳脱粘寿命的有效评估,对实际工程应用具有一定的指导意义。     

战斗部舱内爆炸下舰船耦合毁伤数值计算

[目的]旨在研究舰船结构在战斗部舱内爆炸下的耦合毁伤效应。[方法]以带壳弹起爆试验验证SPH-FEM耦合数值方法的有效性,对实船舱段缩比模型起爆试验进行数值计算,分析战斗部舱内爆炸时破片与冲击波对舰船结构的耦合毁伤效应。[结果]结果显示,在战斗部舱内爆炸作用下,金属壳体产生的随机高速破片群具有特殊的空间分布特征,率先引起当舱结构的局部破坏,冲击波压力加剧了局部破坏效应,结构破口进一步对舱内爆炸冲击波的传播扩散空间产生了影响,进而对相邻结构造成毁伤。[结论]研究表明：简单地将战斗部等效为裸装药的方法不能真实反映战斗部舱内爆炸对舰船结构的毁伤效果;采用SPHFEM耦合的数值方法能够良好地还原试验中战斗部对舱室结构的毁伤模式。     

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。     

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。     

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。     

密闭空间内爆炸准静态压力理论计算研究

[目的]密闭空间内爆炸过程不仅涉及冲击波的传播和反射,还包含复杂的后燃烧效应。后燃烧效应既增强了冲击波强度,还会对最终准静态压力产生较大影响。为对约束空间内爆炸准静态超压进行预测,[方法]基于化学反应分析及能量守恒定律,推导给出一种考虑后燃烧效应内爆炸准静态超压峰值的计算模型,并将模型计算得到的准静态超压与相关文献的实验测量结果及经验公式的结果进行对比分析,以验证所提理论模型的可靠性和准确性。[结果]结果表明:理论模型计算的准静态超压峰值与文献的实验测量及经验公式的结果吻合较好;Anderson经验公式在药量体积比小于0.5 kg/m~3的爆炸工况下并不适用,文献[8]的拟合公式不能外推至药量体积比大于8.87 kg/m~3的爆炸工况下使用。[结论]研究结果可为更好地了解内爆炸后燃烧效应对准静态压力贡献的物理机制,以及为抗爆结构设计及毁伤评估提供一定的参考和指导。     

WENO格式精度对舱室内爆炸载荷影响规律研究

舰船舱室内爆炸载荷主要包含瞬态多峰值冲击波和持续时间较长的准静态超压,为了研究WENO格式精度对舱室内爆炸载荷影响规律,基于Fortran平台,采用3阶、5阶、7阶WENO有限差分格式,开发了高精度舱室内爆炸载荷三维数值计算程序。采用Sod激波管、双爆轰波碰撞、激波与熵波相互作用等经典算例初步考察了各数值格式的计算性能。开展了封闭舱室、泄压舱室内爆炸载荷数值计算,探讨了WENO格式精度对舱室内爆炸载荷影响规律。研究表明:WENO格式精度对舱室内爆炸冲击波载荷影响较大,对舱室内爆炸准静态超压载荷影响较小。     

饱和冲量及其等效方法在舱室内爆炸中的应用

[目的]对于受到爆炸脉冲载荷冲击作用的船体结构,基于饱和冲量现象的相关研究表明,仅根据最大载荷幅值和脉冲总冲量来设计船体结构是不合理的,需探究工程应用中的饱和冲量现象.[方法]首先,总结饱和冲量概念的提出及研究发展;然后,以舱室内爆炸为典型算例,分析内爆炸载荷的曲线特性及结构响应特征;最后,基于饱和等效方法将复杂的内爆...     

改进的3阶WENO-N3格式及其在内爆炸载荷计算中的应用

[目的]高分辨率激波捕捉格式对含激波流场的数值模拟具有重要意义,其不但可以降低网格的规模,而且能较好地分辨出流场中复杂的波系结构。[方法]通过在权函数公式中增加额外项的方式构造出WENO-N+3格式,并采用泰勒级数展开的方法对WENO-N3和WENO-N+3格式在极值点处的精度进行理论推导和精度数值测试。选用激波与熵波相互作用、双爆轰波碰撞、瑞利—泰勒不稳定性等问题验证改进格式WENO-N+3与WENO-JS3,WENO-Z3和WENO-N3格式的区别。最后,将改进格式WENO-N+3应用于内爆炸载荷的数值计算。[结果]研究表明,改进格式WENO-N+3相较其他格式耗散低,并且在相同的计算网格下能给出较高的冲击波峰值。[结论]该方法可用于内爆炸载荷的数值计算。     

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...     

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.     

舰船舱室内部爆炸的数值模拟研究

反舰武器战斗部在舰船舷侧防护结构内部爆炸将造成舱室的严重破坏,数值模拟是分析结构在爆炸载荷作用下破坏情况的有效手段之一.舱室内部爆炸的数值模拟涉及到冲击波传播、多个流场与结构的耦合、结构的变形与破坏.文章基于MSC.Dytran软件平台,实现了舱室内部爆炸的数值模拟.研究表明,在舱壁开口有利于减小舱室角隅处的汇集压力,保护舱室结构.同时,爆炸产生的二次破片对舱室结构能产生进一步毁伤效果.     

大型邮轮中央大厅结构直接计算研究

[目的]中央大厅是邮轮上层建筑中一种重要空间功能性舱室,其结构具有板厚薄、跨度大、支撑少、载荷复杂等特点,为结构设计带来了较大的难度。亟需提出一种可靠便捷的中央大厅结构分析评估方法,用以指导结构设计工作。[方法]以中国船级社（CCS）《邮轮局部结构直接计算指南2021》为主要依据,结合中央大厅结构载荷特点,开展邮轮中央大厅结构直接计算研究。直接计算研究中,结构所受载荷被等效并简化为总纵弯矩载荷、垂向剪切载荷、以及局部甲板载重的叠加。[结果]结构直接计算结果与全船有限元仿真结果吻合较好,验证了将直接计算流程应用于邮轮中央大厅结构设计研究的可行性。[结论]研究结果可为大型邮轮中央大厅结构设计计算流程提供参考。     

舱室内爆载荷燃烧增强效应试验及仿真研究北大核心CSCD

[目的]TNT炸药在密闭空间中发生爆炸时,其爆轰产物的燃烧效应不可忽视,为准确分析TNT炸药在密闭空间中的爆炸载荷,需要探究爆轰产物燃烧释放的能量与药量体积比的关系。[方法]首先开展5种不同质量的TNT分别在空气和氦气环境密闭空间中的爆炸试验,然后基于化学反应分析、能量守恒、等熵假设3种不同的方法计算5种不同药量体积比对应的爆轰产物燃烧能量,并基于有限元分析软件ANSYS/AUTODYN开展考虑燃烧效应的密闭空间内爆炸数值计算。[结果]准静态压力仿真结果与试验结果的对比表明:3种方法中,通过化学反应计算得到的燃烧能量理论值可作为上限值,能量守恒法的准确性依赖爆炸后混合气体的绝热指数,等熵假设法仿真值与试验值误差稳定在4%~7%之间;不同的燃烧能量释放历程会影响反射冲击波压力,但不改变最终的准静态压力。[结论]研究结果可为舰船抗爆结构设计及毁伤评估提供更精确的输入载荷。