船用夹层板系统水下防护性能数值仿真分析

夹层板系统(SPS)具有优越的力学性能,可应用于船舶防护结构设计中,提高其防护性能。文章基于非线性有限元软件ABAQUS,分析了SPS在水下爆炸冲击载荷下的结构损伤变形模式、吸能、速度、加速度响应等力学行为,并与传统船体加筋板架结构的防护性能进行对比分析;然后系统研究了不同冲击波工况下SPS的防护性能,并讨论了SPS结构参数对其防护性能的影响。研究结构表明,SPS对冲击波载荷具有较好缓冲及卸载效果;随着冲击因子的增大,SPS上下面板中心单元的应力和应变以及结构吸能都在相应增大,其中心点位移、速度和加速度也呈现出近似线性增长趋势;SPS存在最优结构匹配问题,需要进一步开展结构尺寸优化。     

空爆载荷下U型夹层板抗爆性能数值仿真研究

力学性能优越的夹层板结构在飞机、高速列车等交通运输领域得到广泛应用.为研究U型夹层板空爆载荷下的损伤特性,利用有限元软件MSC.Dytran分析U型夹层板空爆载荷下的损伤变形模式、耦合力、结构位移、速度、加速度、吸能,并与加筋板架对比;应用正交试验设计方法分析结构参数对抗爆性能的影响程度及较优的尺寸组合.分析表明:冲击载荷下U型夹层板上下面板的变形模式为膜拉伸,产生波浪式变形;夹芯层易于压皱变形,减少了对上面板冲击载荷的传递,同时夹芯层吸能效率较高,使得上面板的塑性变形显著减小;夹层板上下面板位移、速度、加速度、吸能均小于加筋板,表现出优良的抗爆性能.结构参数对夹层板抗爆性能影响程度的主次顺序为:夹芯角度、上面板厚度、夹芯壁厚度、下面板厚度;经验证,优化尺寸后的夹层板抗爆性能显著提高.     

Y型激光焊接夹层板抗爆性能分析

金属基折叠式夹层板具有优良的抗冲击性能,Y型激光焊接夹层板(Y-LASCOR)作为其中一种新型结构,需对其抗爆性能进行分析研究.本文基于非线性有限元软件MSC.Dytran开展水下爆炸冲击波载荷作用下Y-LASCOR的抗爆性能研究,并在此基础上研究Y-LASCOR的主要尺寸参数对其抗爆性能的影响.研究结果表明,Y-LASCOR在水下爆炸冲击波载荷作用下,下面板发生膜拉伸变形,夹芯层发生压皱变形,对上面板起到缓冲作用,降低了上面板的损伤变形,改善了结构吸能效率,表现出了优良的抗爆性能;上、下面板厚度t(l),tb和夹芯壁厚tc在一定范围内可以有效改善Y-LASCOR的抗爆性能;夹芯层高度H对结构抗爆性能的影响不大.     

夹层板在舰船舷侧防护结构中的应用

水面舰船抗水下爆炸的性能是舰船生命力的重要方面,深受各国海军重视.以某型水面舰船为研究对象,基于夹层板进行舷侧结构设计;选取典型工况,采用三舱段模型技术,使用MSC.Dytran对夹层板舷侧结构在水下爆炸冲击波载荷作用下的动态响应进行仿真计算.比较分析了流-固耦合力、结构变形、速度、加速度、吸能等重要力学性能.结果表明夹层板应用于舰船舷侧结构使得结构的变形、位移减小,结构塑性吸能增加,显著改善了结构的冲击环境.夹层板是一种防护性能优良的结构形式,吸能效率较高,还减小了冲击波压力及冲量的吸收及传递,对减小舰船其它部位结构的损伤防护起到重要作用.     

冲击波和破片联合作用下U型夹层板毁伤特性研究

为提升舰船抗爆防护性能,探究船用夹层结构在冲击载荷下的毁伤机理,本文设计并开展船用U型折叠式夹层板近距空爆试验,分析夹层板在冲击波载荷作用下的变形及破坏模式,并进行有限元仿真分析.在此基础上,通过在炸药底部预制破片群,研究冲击波与破片联合作用下夹层板的毁伤特性,从面板破口大小、竖向位移和能量吸收三个方面,讨论面板厚度和爆距对夹层板抗爆性能的影响规律.结果表明:在冲击波与破片联合作用下,夹层板上面板的破坏形式为挠曲大变形、边界撕裂、冲塞破口和分散穿孔;下面板以挠曲大变形和凹坑为主;上面板破口形状随上面板厚度增加由\"蝶形\"向\"类圆形\"转变,此时上面板和芯层为主要吸能构件;夹层板中心区域的变形对爆距减小较为敏感,而边缘区域变形量无显著变化.夹层板的总吸能、下面板和芯层的吸能量和占比均随上面板厚度减小而增大,下面板和芯层厚度的改变对夹层板整体吸能及各部分占比影响较小.     

U型激光焊接夹层板极限强度试验研究

激光焊接夹层板因具有优越的力学性能以及众多结构优点在舰船防护结构设计中具有广阔的应用前景。本文以U型激光焊接夹层板为研究对象,设计其激光制造工艺流程,加工得到U型激光焊接夹层板试件;开展夹层板极限强度性能试验,通过试验得到了夹层板横向、纵向弯曲时的极限承载力及相应的变形模式;采用ABAQUS软件模拟试验工况,开展数值仿真研究,通过与试验结果进行比较,验证、完善有限元数值仿真分析技术,研究成果可为夹层板船体结构力学性能分析提供技术支撑。     

U型激光焊接夹层板极限强度试验研究

激光焊接夹层板因具有优越的力学性能以及众多结构优点在舰船防护结构设计中具有广阔的应用前景。本文以U型激光焊接夹层板为研究对象,设计其激光制造工艺流程,加工得到U型激光焊接夹层板试件;开展夹层板极限强度性能试验,通过试验得到了夹层板横向、纵向弯曲时的极限承载力及相应的变形模式;采用ABAQUS软件模拟试验工况,开展数值仿真研究,通过与试验结果进行比较,验证、完善有限元数值仿真分析技术,研究成果可为夹层板船体结构力学性能分析提供技术支撑。     

蜂窝式夹层板结构单元的防护性能分析

基于某舰船的船底板架,设计出了四边形蜂窝夹层板结构单元,比较分析了船底板架、等效平板、夹层板在典型工况(炸药量500 kg,爆距15 m)水下爆炸冲击波载荷作用下的损伤变形、结构位移、吸能及运动响应,同时对比分析不同冲击因子下3种结构的防护性能。分析表明,夹层板在水下冲击波作用下的最大变形是船底板架的2/3~1/3处,一定程度上改善了冲击环境,具有优越的防护性能。     

改进V型夹层板近场水下爆炸抗冲击性能研究

对水下爆炸结构的响应进行分析,设计相应的结构来降低载荷效应是提高舰船抗冲击性能的重要研究内容。基于耦合欧拉-拉格朗日(CEL)算法,考虑流-固耦合等因素的影响,建立完整的水下爆炸数值模型,运用显式动态分析对普通加筋板、常规V型夹层板、改进的V型夹层板进行近场水下爆炸作用下的动响应分析,从结构与流体的相互作用、结构产生的变形、吸能特性等角度综合分析。结果表明,改进后的V型夹层板抗冲击防护性能明显提高,可为舰船抗冲击结构设计提供一定的参考。     

水下非接触爆炸冲击下舱段模型的仿真分析

水下非接触爆炸冲击波容易引起舰船局部结构的大变形或破损。本文以舱段模型为基础,分别修改外底板板厚、增加强肋骨和龙骨数量得到了3种新的舱段结构模型。使用ABAQUS软件对各舱段水下非接触爆炸冲击下的动态响应进行仿真计算,对外板塑性变形、内底及各层甲板应力和加速度峰值进行分析和对比。结果表明：在本文的工况下,增加强肋骨数量能明显减小舷侧塑性变形;增加外底板厚度能提高舱段底部抗冲击性能;增加龙骨数量能减少船底板变形,但会增加舷侧变形及各甲板应力和加速度。     

U型防波堤与波浪相互作用的数值模拟

半淹没式固定U型防波堤,通过在自由水面附近设置挡浪结构增加能量耗散而达到降低港内波浪的目的;为了减小U型防波堤波浪反射,在其左侧设置成可渗透型沉箱。本文基于Navier-Stokes方程,采用k-ε模型封闭雷诺方程,以spatially-averaged方程作为孔隙流的控制方程,用VOF方法跟踪自由表面,建立了波浪与建筑物相互作用的数学模型,采用该模型模拟了规则波入射时波浪与可渗透型U型防波堤的相互作用,针对不同尺寸U型防波堤,进一步讨论了U型防波堤对波浪传播中反射和透射的影响。     

水下爆炸数值仿真

基于MSC.Dytran软件,通过一维球对称数值仿真模型,模拟了水下爆炸冲击波传递以及第一次气泡脉动过程,其计算结果与经验公式计算结果吻合较好,在此基础上讨论了网格划分方式、网格密度以及计算区域大小对计算结果精度的影响.通过一维模型与三维模型数值计算结果的对比,论证了基于一维球对称数值仿真模型,通过Remap映射技术进行三维模型数值仿真的计算方法.该方法在保证计算精度的同时较大地提高了计算效率,具有较强的工程应用价值.     

四边形蜂窝夹层板的优化设计分析

夹层板结构是近代发展起来的一种比较先进的结构形式,具有比强度高、比刚度大等特点。以某舰船中部双层船底一个纵桁和肋板间距的船底板架单元为基础,在保证夹层板总质量、主尺寸与原板架相同的前提下,建立一系列夹层质量不同的四边形蜂窝夹层板模型。利用仿真算法,从结构损伤、能量吸收的角度分析其抗爆与抗冲击性能。对四边形蜂窝夹层板进行优化分析,得到一种优化模型。     

舱室内爆载荷作用下夹层板优化设计研究

舱室内战斗部爆炸产生的冲击波是舱室结构板架承受的主要载荷之一,舱室内爆冲击波在舱室内部将发生多次反射,并在舱室内部形成持续时间较长的准静态压力,在此过程中舱室板架承受多次冲击波反射载荷。本文以舱室典型加筋板为对象进行夹层板概念设计,选取面板厚度、背板厚度、夹芯壁厚及夹芯间距4个参数作为试验参数,以抗爆综合评价指标最小为目标,采用正交试验优化设计方法得到该加筋板结构在舱室内爆冲击波载荷作用下最优抗爆性能的夹层板结构,并对比最优夹层板与普通加筋板在舱室内爆载荷作用下的响应特征。研究表明,经过优化设计后的夹层板具有更好抵抗冲击波载荷的能力,正交试验设计能较好适用于夹层板结构优化设计。     

铝合金夹心板结构极限承载能力有限元分析

随着新材料及新型结构的不断出现,以往的线性理论已不能满足现代工程设计的需要.本文利用MSC.NASTRAN的弧长法对一种新型铝合金夹心板结构进行了极限承载能力有限元分析,跟踪出了其屈曲平衡路径以及破坏模式.为验证有限元模拟的准确性,对结构进行了静载强度模型试验.研究结果表明,计算结果与试验符合较好.     

新型舱壁结构抗侵彻性能的数值仿真

对加筋舱壁结构、平板夹芯舱壁结构以及蜂窝夹芯舱壁结构在高速破片侵彻作用下的抗侵彻性能进行数值仿真研究。分别对3种舱壁结构在侵彻作用下的动态响应进行分析,得到3种舱壁结构抗侵彻过程中的变形能,以及破片穿透3种舱壁结构后的剩余动能。计算结果表明:高速破片穿透加筋舱壁结构以及平板夹芯舱壁结构后仍具有较强杀伤力,因而需要改良舱壁结构,以更有效地抵御高速破片的冲击。蜂窝夹芯舱壁结构的抗侵彻性能高于加筋舱壁结构及平板夹芯舱壁结构。     

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。     

舰船舷侧防护结构水下接触爆炸动响应分析研究

舰船舷侧防护结构在接触爆炸载荷作用下的动响应问题是舰船抗爆抗冲击设计的重要组成部分。根据国外水面舰船防护结构形式,在某单层舷侧舰船模型基础上增设舷侧防护隔壁结构,并应用国际上通用的动力有限元程序ABAQUS对其进行水下接触爆炸系列数值仿真实验,考核舷侧防护结构对舰船抗爆抗冲击性能的影响。通过结果的对比分析发现,增设舷侧防护结构后较明显改善了船体外板的损伤情况,且防护隔壁仅发生了少量的塑性变形没有产生破口,从而达到了保护内部机舱等重要舱室的目的,并以防护结构双层隔舱内填充液体抗冲击性能最佳。