加筋圆柱壳水下爆炸动响应数值模拟

圆柱壳是潜艇和海洋工程结构物广泛采用的结构单元,研究其水下爆炸动响应有助于深入了解圆柱壳结构的失效规律和机理,对于提高潜艇的生命力和战斗力有着重要的意义.本文首先研究了采用ABAQUS软件的水下爆炸载荷模型和计算参数的选取范围,然后选取加筋圆柱壳舱段为研究对象进行水下爆炸数值模拟,计算得出基座的冲击环境与试验数据吻合良好.本文进一步对圆柱壳在水下爆炸条件下的动响应规律进行了研究,得出了结构不同部位冲击动响应和冲击环境,并对不同部位冲击环境的差异进行了分析,得出了复杂圆柱壳结构在水下爆炸作用下的动响应和冲击环境规律.     

圆柱壳在水下爆炸气泡作用下的动态塑性响应研究

圆柱壳是潜艇的主要结构单元,其在水下爆炸作用下产生的动态塑性响应是潜艇破坏的主要因素之一,因此研究其水下爆炸动态塑性响应有助于深入了解圆柱壳结构的失效规律和机理.对于提高潜艇的生命力和战斗力以及改良水中兵器战斗部装药设计有着重要的意义.文章首先根据Geers-Hunter的水下爆炸气泡集成的双重渐近模型进行数值求解,得到的结果很好地模拟了水下爆炸载荷从冲击波到第一次气泡脉动的整个过程.然后利用ABAQUS软件,将圆柱壳简化成一根梁,并从圆柱壳在水下爆炸气泡作用下产生的塑性铰的个数这一角度,当气泡第一次脉动频率与圆柱壳梁模型的第一、二阶固有频率接近时,对圆柱壳在水下爆炸气泡作用下的动态塑性响应进行了探索性的研究.     

水下爆炸冲击波和气泡联合作用下结构响应数值分析

结构在水下爆炸作用下会产生严重的破坏,研究水下爆炸作用下结构的响应特征和规律,并为舰船抗冲击设计提供参考。首先验证了ABAQUS软件模拟结构受水下爆炸载荷作用弹塑性响应的有效性和准确性。然后应用ABAQUS软件计算不同工况水下爆炸载荷作用下结构的动态响应。从应变、应力等角度考察了水下爆炸载荷对结构动态响应的影响。计算结果表明气泡脉动压力是结构产生鞭状响应和整体破坏的主要因素。     

遭受沉底爆炸载荷作用下的圆柱结构冲击损伤计算

论述了圆柱结构对水下爆炸的冲击损伤计算方法与数值模拟算法。简要介绍了试验工况、计算模型、计算条件等,对沉底状态下圆柱结构遭受沉底水下爆炸作用下的实际损伤与仿真结果进行了对比,研究了冲击毁伤与载荷强度、炸药之间的关系,并应用圆柱壳屈曲理论讨论计算圆柱结构冲击响应的方法,提出了应用表面平均总压力来表征爆炸载荷强度,为今后的潜艇结构抗冲击试验方案设计提供参考。     

水下爆炸与冲击载荷作用下结构物的响应特性

介绍了结构物(尤其是圆柱壳结构)在水下爆炸冲击载荷作用下的响应特性的研究近况，其中包括水下爆炸特性的分析、圆柱壳结构在水下爆炸冲击载荷下的屈曲与响应分析等几个方面，并展望了今后研究的重点和目标。     

载荷内部子空间缩比方法在水面舰船水下爆炸鞭状响应试验上的应用

水下爆炸载荷作用下舰船结构的鞭状运动不仅受冲击波载荷的影响,而且与气泡脉动载荷密切相关.理想条件下,水面舰船鞭状响应的缩比模型试验预测必须在离心机或增压水池内进行,这样才能保证冲击与气泡载荷在整个力学空间上的一致性,这对于通常采用的大尺度模型鞭状试验来说,显然不切实际.之前,作者提出一个专门的称为载荷内部子空间的缩比模型方法(LIS Scaling Method),能够在与原型载荷条件紧密相连的特定子空间内模拟水下爆炸载荷与鞭状响应.文中将该方法用于水面舰船,通过精心设计的“原型”和“子模型”水下爆炸鞭状响应模型对比试验研究进行验证,结果表明,原型与子模型的鞭状响应通过LIS方法换算后,有非常好的一致性.此外,发现阻尼随模型鞭状响应的幅值而变化.     

圆柱壳附近水下爆炸气泡动态特性研究

基于不可压缩势流理论,运用边界元方法,建立圆柱壳附近水下爆炸气泡三维数值模型。然后采用该模型模拟深水中圆柱壳附近近场水下爆炸气泡运动,并对气泡动态特性以及攻角大小对其影响规律进行了研究。计算结果表明,膨胀阶段气泡受浮力作用以及壁面的排斥作用影响较小;收缩阶段气泡受浮力作用以及气泡受壁面的吸引作用影响较大,随攻角的减小,气泡射流作用和气泡脉动压力均逐渐增强,即爆点位于圆柱壳结构正下方时所造成的结构损伤最为严重。研究结论有益于潜艇结构抗爆防护设计,也为水下爆炸气泡载荷作用下潜艇结构毁伤机理研究提供了参考依据。     

潜艇典型结构在撞击载荷作用下动态响应的试验研究

针对潜艇典型结构单元（加筋平板和加筋圆柱壳）在受到撞击载荷作用下的损伤变形模式和撞击过程中结构的动态响应进行试验研究。研究结果表明：筋材的内置和外置对平板和壳体结构的损伤变形模式具有很大影响,但对加筋板和加筋圆柱壳模型结构整体的吸能特性并无太大影响;壳体结构与平板结构相比较,具有更好的吸能特性,平板结构具有更好的抗撞击能力。     

基于边界元方法的气泡脉动诱导壁压特性

针对圆柱壳结构在水下爆炸气泡脉动载荷作用下的诱导壁压特性,采用Geers-Hunter模型得到气泡脉动运动,在势流假设下采用边界元方法建立了水下爆炸气泡脉动载荷壁压计算方法,通过对不同水下爆炸工况进行计算分析发现:圆柱壳表面的气泡诱导壁压有明显的绕射现象,在爆距较小时迎爆面气泡脉动诱导压力峰值要远大于背爆面压力;在圆柱壳轴向上随距中心点距离的增大绕射特性逐渐减小,壁压向自由场压力逼近。所得到的方法和规律可为潜艇抗冲击设计和评估人员提供参考。     

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。     

水下爆炸气泡作用下船体总纵强度估算方法

水下爆炸中的气泡脉动载荷会造成舰船的鞭状运动,对其总纵强度产生很大威胁,是战争中造成船体总体毁伤与丧失生命力的主要原因之一。基于势流理论,推导并建立船体梁气泡弯矩的理论与计算方法,同时综合考虑气泡弯矩、船体静水弯矩、波浪弯矩及砰击弯矩等其他影响因素,建立一套完整的气泡作用下船体梁总纵强度估算方法。通过算例,校核典型工况下多种弯矩同时作用时船体梁的总纵强度。计算结果表明,气泡脉动载荷产生的总纵弯矩具有周期性鞭振特性,且数值大于其他弯矩。在评估舰船总纵强度与生命力时,应充分考虑气泡脉动载荷的影响。     

水下爆炸作用下箱形梁模型响应试验研究

对模拟水面舰船结构的箱形梁模型在水下爆炸作用下的响应进行试验,借助高速摄像机观测气泡脉动过程和结构响应过程,发现箱形梁结构在水下爆炸作用下的响应可以分为三个阶段.不同的爆点位置,气泡脉动能够激起不同振动形式的鞭状响应运动.     

减压条件下深水圆柱附近气泡的运动特性

为深入探究气泡与附近潜艇的相互作用规律,采用电火花气泡发生装置与高速摄像分析系统,在减压环境中对近似潜艇的深水圆柱周围不同位置的气泡进行研究。并以气泡通过圆柱结构中心的铅垂线为界的分类情况讨论深水圆柱周围气泡的动态变化。实验结果表明：圆柱结构附近的气泡的运动主要取决于气泡与圆柱结构间相对的攻角以及气泡质心到就近圆柱壁面的无量纲距离这两种因素的影响。在此基础上同时考虑减压环境中浮力的因素分析了浮力参数及攻角和爆距半径比对气泡第一周期运动时间和位移的影响,并总结圆柱下侧气泡不同爆距半径比下射流宽度的作用范围变化规律。研究结论为圆柱状的潜艇结构在水下受到攻击时的毁伤状态提供了参考。     

圆柱壳在水下爆炸载荷作用下的动响应分析

主要研究了在无限水域中两端简支的圆柱壳受球形炸药爆炸冲击载荷作用下的动响应特性.首先,计及流-固耦合作用的影响,文中由Hamilton变分原理推导出了圆柱壳受爆炸载荷作用的控制方程.然后分别将位移函数的Fourier形式代入方程中,运用迦辽金方法进行化简,最后在时间域上使用四阶经典龙格-库塔方法,圆柱壳在某一时刻的动响应就可以得到.通过将计算结果与有限元计算软件MSC.DYTRAN的计算结果进行比较,可以证明文中计算结果的正确性和可靠性.     

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。     

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。     

Dynamic response of a surface ship structure subjected to an underwater explosion bubble

Bubble load in a noncontact underwater explosion can cause the ship hull global response and local response. In current literature, the ship hull is usually simplified as a hull girder to analyze its global response. However, literature dealt with the local response of a 3-D surface ship hull subjected to an underwater bubble were limited. This investigation develops a procedure which couples the finite element method with doubly asymptotic approximation (DAA) method to study the problem of transient responses of a ship hull structure subjected to an underwater explosion bubble. Using a 3-D ship model as examples, the global and local responses of the ship model in vertical, transverse and longitudinal directions are performed in detail. The acceleration, velocity and displacement time histories are presented. The characteristics of both the global and local responses of the ship model are discussed. The numerical results show that besides global whipping response, the ship hull also sustains severe local responses in different directions subjected to underwater explosion bubble jetting, which should be taken into consideration.     

水下爆炸气泡载荷作用下船体梁的动态水弹性响应

文章基于势流理论,针对水下爆炸气泡脉动载荷作用下船体梁的动态水弹性鞭状响应及其共振效应进行了研究。阐述了水下爆炸气泡与船体梁之间的流固耦合理论分析,并分别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一个船体梁的弹性响应的计算模型。文中以两条实船作为算例,研究了刚体运动对船体梁弹性振动响应的影响,分析了船体梁在气泡脉动载荷作用下产生的共振破坏的机理。     

波激振动和砰击颤振对大型油船疲劳强度影响研究

文章给出线性波激振动和砰击颤振引起的大型油船结构疲劳贡献度的计算方法。基于三维线性水弹性理论可计算得到包括刚体和2节点的振动模态下的垂向弯矩的传递函数,采用谱分析法对某30万吨油船进行结构疲劳强度计算,分析波激振动对船体结构疲劳损伤影响;基于二维非线性波浪载荷程序（含砰击颤振的波浪载荷）,采用时域方法对该油船进行船体梁弯矩计算,分析砰击颤振对船体梁弯矩及疲劳载荷的影响;结果表明对于该类大型油船波激振动和砰击颤振对船体的结构疲劳损伤的影响不可忽略。