基于SPH方法的浅水爆炸研究

通过SPH方法,利用Fortran编程,首先对自由场中装药爆炸进行模拟,将结果与经验公式对比,验证Fortran程序的有效性和正确性。然后对浅水爆炸问题进行数值模拟,再现浅水爆炸的基本物理现象,研究浅水爆炸相对于无限水域爆炸所独有的压力和冲量特性;通过对浅水爆炸不同参数的研究,给出了不同爆深对压力和冲量的影响,分析水底泥沙密度对冲击波压力的影响,给出不同泥沙密度下浅水中压力的变化规律。研究表明,浅水爆炸同时受到水面和水底的作用,水面效应使压力曲线产生截断效应,底部效应会增加压力脉宽。随着爆深的增大,压力曲线逐渐由削弱峰值、削弱脉宽过渡为增大峰值、增大脉宽,冲量逐渐增大,水冢逐渐减小;随着泥沙密度的增加,浅水中压力峰值增大,作用脉宽也增大,直达波、水面反射波以及水底反射波的相互作用更加明显。本文研究旨在揭示上述问题的作用机理,总结规律性结论,为舰船水下爆炸结构响应预报和舰船结构的防护设计提供参考。     

直立式防波堤的设计（Ⅲ）

图4．9所示是一男孩扑入水中的照片。入水时他的身体几乎与水面平行,胸部和腹部猛烈地拍击水,在身体上产生强烈的冲击压力。破碎波引起的冲击波压力是类似的现象,即波表面与直立墙碰撞。冲击波压力是直立式防波堤设计中的一个大问题,甚至被看作是固有的缺陷。其实,了解了这种波压力的本质和产生条件就可以消除它。     

球形炸药水下爆炸的舰船空化效应研究

运用通用软件MSC.Dytran建立舰船、炸药和水域的有限元模型,并利用该软件进行有限元分析,准确地模拟出了爆炸冲击波在水中的传播过程、空化效应以及整船结构的动态响应,为舰船的抗冲击性能分析提供了输入条件。通过数值模拟可知:炸药水下爆炸后产生的冲击波会以球面波的形式传播开来,速度接近水中声速;冲击波的瞬时压力与时间的关系呈指数分布,但在水面附近由于空化效应迅速衰减,与库尔理论吻合较好。水中爆炸产生的冲击波是影响舰船冲击响应的主要因素,尤其是冲击波的垂向作用影响更大;冲击载荷主要作用集中在舰底,其所承受的应力要比上层建筑大很多,全船的最大应力就集中在船肿的迎爆面位置。水下爆炸产生的冲击波最先作用到舰底,接着冲击振动通过舰船的垂向结构会向上层快速传递,一直传到甲板和上层建筑为止,与此同时垂向结构也会降低冲击振动的强度,所以舰船上层构件所受到的冲击响应会小于舰船底部或舰船舭部,并呈逐步减小的趋势。     

飞片撞击冲击波载荷在液舱中的弥散效应

[目的]大型水面舰船舷侧受反舰武器攻击威胁较大,通常设置多舱防护结构以保证内部重要舱室的安全。为研究多舱防护结构中飞片撞击冲击波载荷在液舱中的弥散效应,[方法]首先开展爆轰驱动飞片作用小型液舱的机理性试验,获得液舱中典型位置的自由场压力等试验数据;然后基于试验结果验证本文采用的数值仿真方法;最后,计算实尺度舷侧防护结构中液舱对飞片撞击产生的压力波载荷的弥散作用。[结果]结果显示,在液舱中,压力波的压力峰值和冲量随空间位置变化满足指数衰减规律。[结论]研究成果对舷侧防护结构的优化设计有一定的参考价值。     

高速破片在防雷舱结构中引起的冲击荷载的理论研究

  目的  大型水面舰船舷侧受反舰武器攻击威胁较大,通常设置多舱防护结构以保证内部重要舱室的安全。为研究多舱防护结构中飞片撞击冲击波载荷在液舱中的弥散效应,  方法  首先开展爆轰驱动飞片作用小型液舱的机理性试验,获得液舱中典型位置的自由场压力等试验数据;然后基于试验结果验证本文采用的数值仿真方法;最后,计算实尺度舷侧防护结构中液舱对飞片撞击产生的压力波载荷的弥散作用。  结果  结果显示,在液舱中,压力波的压力峰值和冲量随空间位置变化满足指数衰减规律。  结论  \t\t研究成果对舷侧防护结构的优化设计有一定的参考价值。     

水下爆炸冲击波产生的区域空化效应二次加载的并行数值研究

船舶等水面结构受到水下爆炸作用时,其附近水域会产生空化现象,包括局部空化和区域空化。以某水面船为对象,数值模拟了该船受水下爆炸作用时的动态响应。比较了考虑空化效应和不考虑空化效应下船体结构的不同响应,分析了区域空化效应对此船的二次加载作用,二次加载引起的加速度峰值与冲击波引起的加速度峰值在同一量级上。使用高性能计算机并行计算比较了不同流体网格密度模型的计算结果。结果对比显示,为了更精确地模拟空化效应及其对结构的影响,加密水域网格是必要的。     

阻抗管中多自由度波导抑振器的声辐射

多自由度波导抑振器通过自身的运动来抑制弹性基板中弯曲波的传播,但其自身的运动也将引起声波向周围介质辐射。为了定性研究其声辐射性能,在物理建模时,将波导抑振器视为由一个单极子共振器(类似于Helmholtz共振器)和一个偶极子共振器复合而成的结构。单极子共振器通过一根弹性细杆连接在弹性基板上。在外界振动的激励下,单极子共振器产生一个振荡的体积速度,偶极子共振器产生一个振动的偶极子弯矩。它们都将在介质中引起相应的声辐射。由于该模型具有损耗阻尼,因而可以耗散部分振动能量。同时,在单极子共振器的共振频率处,受激振动声辐射将出现峰值,而在偶极子共振器的共振频率处,由于受弯矩阻抗特性的影响,该频段的受激振动声辐射将产生一个阶跃。水声阻抗管中的试验研究证实了这一结果。     

斜向不规则波对斜坡堤堤头作用的试验研究

在物理模型试验的基础上,描述斜向不规则波对斜坡式防波堤堤头的作用形态,分析冲击波流的形成原因,找出不同波向所产生冲击波流的影响范围及对护面块体的影响,为同类工程的设计提供借鉴.     

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。     

舰船舱段模型在水下爆炸作用下的壁压分析

对舰船舱段模型进行了海上水下爆炸试验,试验的目的是测试药包处于不同水下深度时,舱段模型龙骨处冲击载荷的差别。试验时,测量了自由场压力和壁压。根据试验结果,给出了自由场压力与壁压实测曲线。同时,采用正向超压时间计算公式,和实测自由场冲击波长超压时间以及自由场压力峰值与壁压峰值进行了对比。最后利用matlab软件对自由场压力和壁压进行了定性分析。试验结果对海上水下爆炸理论分析和今后的海上水下爆炸试验均有一定参考价值。     

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.     

起伏海面水面船回声强度预报方法及统计规律研究

本文基于随机起伏水面舰船目标六自由度动力学模型和界面附近目标多路径声散射理论，考虑水面多次反射的影响，建立时变海面条件下水面舰船声散射预报模型，分析不同海浪谱条件下水面舰船回波强度统计规律。通过开展拖曳水池造波条件下舰船缩比模型声散射试验，获取舰船模型在水平探测角上时域回波特征。研究表明：120～180 kHz探测频段下回声强度理论预报幅值与实测结果平均误差小于3 dB；从舰船模型声散射实测和计算结果中均发现，波浪作用下舰船随时间变化的回声强度幅值符合χ2分布的统计规律，其回声强度均值和双自由度数值k符合较好，验证了预报模型的有效性。     

冲击波和破片联合作用下舱段毁伤效应分析

为了研究冲击波和破片联合作用下船舶舱段的毁伤效应,首先在ANSA中建立舱段的有限元模型,设定材料模型、模拟舷侧破口、建立战斗部模型和耦合模型;之后在AUTODYN中对比分析了爆炸冲击波单独作用以及冲击波、破片联合作用2种情形下,船舶舱段的舱内爆炸载荷特性、舱室结构等效塑性应变及位移等数值结果的差异。结果表明：考虑冲击波和破片的联合作用时,冲击波压力曲线的前期趋势与冲击波单独作用下大致相同,但由于冲击波从破口发生泄漏,舱室内压力会较早达到准静态压力状态。同时,爆炸当舱的更多区域出现了大破口,毁伤主要表现为角隅大塑性变形以及边缘大面积撕裂,甲板和舷侧的最大位移和等效塑性应变也较冲击波单独作用大得多。     

水下爆炸条件下自由场压力载荷时频特征分析

在舰船结构水下爆炸试验中,为了研究水下爆炸条件下水中自由场压力载荷的时频特征,针对某水下爆炸试验自由场压力测试试验数据,基于小波分析对信号进行时频特性分析,得到水中自由场压力信号的时频分布和能量分布状况。分析结果表明:针对水下爆炸自由场压力载荷,基于小波分析技术对其时频特征进行分析,可得到水下爆炸自由场压力载荷所包含的频率信息、强度信息以及不同频段下的载荷持续作用时间等信息;另外,可对冲击波、滞后流和二次压力波这3个不同信号阶段进行频段与能量统计分析;在不同频段上对冲南击信号的能量进行统计发现,冲击波阶段在8 kHz以下频段集中了超过90%的能量,其中4 kHz以下频段的能量最大,在滞后流和二次压力波阶段,需特别重视250 Hz以下的低频段对船体结构及设备的影响,该结果对舰船结构及设备的抗冲击防护具有借鉴意义。     

隔声去耦瓦抗冲击性能数值研究

在水下结构表面敷设隔声去耦材料是应用最广泛也是非常有效的一种提高水下航行器隐身性能的方法。但由于隔声去耦瓦含有空腔的特殊结构形式,该空腔结构形式在受到爆炸冲击波时,腔体将产生变形并吸收能量,这必然会对水下航行器的抗冲击性能产生影响。基于有限元法,通过改变敷设在结构表面的隔声去耦瓦性能参数（包括空腔结构形式、空腔尺寸及材料厚度等）,采用ABAQUS大型非线性动力学分析软件,对隔声去耦瓦空腔结构变形与冲击波能量吸收之间的关系进行了研究,得到了隔声去耦覆盖层空腔结构变形、速度及加速度与冲击波能量吸收之间的关系,并在此基础上,给出兼具抗冲和隔振功能的声学覆盖层结构设计建议。结果表明在声学覆盖层满足结构减振降噪要求情况下,建议尽量减小声学覆盖层的腔体形状。     

沉箱防波堤沙质底床对波浪动态响应的研究

海床破坏同孔隙水压力的分布有着密切的关系。利用波浪水槽试验,对波浪作用下沙质底床的孔隙水压力响应进行了研究。试验中观测了不同波况条件下自由底床和有抛石基床防波堤的土体孔隙水压力的变化。结果分析表明,土体孔隙水压力受波高、周期、水深、泥沙粒径、沙床厚度的影响较大,建堤后,底床中的孔隙水压力会增大;堤中断面以前海床中的孔隙水压力均较大。     

超固结土直剪剪切试验探讨

土工室内试验时,由于超固结土在不同垂直压力下直接剪切试验结果差异较大,因此,试验结果,会对计算地基承载力造成较大影响.结合辽宁某地区的超固结土的性质,探讨超固结土在不同垂直压力下直接剪切试验结果的差异.     

防波堤—码头结构的波压力试验研究

通过试验。对防波堤－码头结构的波压力进行研究。比较了不同堤顶宽度时波压力的变化。并根据试验得出了相对波浪传播距离ｂ／Ｌ和波压力折减系数Ｋ的经验曲线，可供类似的防波堤－码头结构的波压力计算参考。     

多几何缩比的水下爆炸试验换算律

受试验场地条件限制,试验设计不得不采用多个几何缩比时,水下爆炸相似律将不再适用.本文从能量角度给出以水下爆炸动响应试验为目标的模型缩比设计换算律,能在一次试验过程中同时获取一次冲击波和气泡二次压力波冲击环境的测值.     

水介质中复合材料壳板结构的声学设计

将复合材料壳板代替钢质壳板,建立了复合材料壳板结构的水中声学计算模型。从水声波动学方程出发,推导了不同终端边界条件下的传递矩阵、声反射系数和吸声系数,并通过试验研究证明了运用传递矩阵法进行声学设计的可靠性;考虑表层阻抗,吸声层厚度、损耗因子,及水层厚度的影响,应用数值方法对水中复合材料壳板结构进行了声学设计,分析了各参数对结构反射系数和吸声系数的影响规律。