舱室结构在战斗部舱内爆炸作用下 毁伤特性的实验研究

文章设计了典型多舱结构模型,开展了多舱结构在舱内爆炸作用下的毁伤特性实验,测量了爆炸破片和冲击波载荷,并用高速摄像机记录了爆炸毁伤过程,分析了塑性变形、毁伤模式等结构毁伤特点。结果表明:(1)舱内爆炸作用下结构受爆炸冲击波与破片群联合作用,且舱内爆炸载荷包含明显的准静态压力段;(2)紧贴战斗部的舱壁发生花瓣状破口并将压力泻到相邻舱室,较近结构受冲击波与破片联合作用效果明显;(3)加强筋较好地限制了爆炸破口,但变形梯度较大的地方易产生裂纹;(4)内爆炸作用下普通舱门是舱室结构薄弱环节,须重点关注。     

舱内爆炸作用下固支方板的变形与破坏模式

舱内爆炸与自由场爆炸载荷特点明显不同,威力比同等当量下的自由场爆炸大得多.本研究制作了内爆炸载荷发生装置,开展了不同方板在舱内爆炸作用下的动态响应与损伤特性试验,对比了舱内爆炸载荷特点、板的塑性变形、板的损伤特点,讨论了无量纲数的适用性.研究表明:(1)舱内爆炸作用下角隅处的冲击波压力峰值明显大于其他区域,但各测点的冲量趋于一致;(2)炸药相对泄爆孔位置的不同,主要通过影响准静态压力改变方板的变形,初始冲击波的影响相对较小;(3)舱内爆炸作用下固支方板的破坏模式主要为Ⅰ类破坏和Ⅱ类破坏,即整体大塑性变形破坏和边缘拉伸失效.     

舱内爆炸载荷作用下加筋板动态响应试验研究

相对于敞开环境来说,发生在封闭舱室内的爆炸将对舰船结构造成更加严重的毁伤。论文对四边夹持约束的方形加筋板在舱内爆炸载荷作用下的动态响应进行了试验研究,分析加筋板结构的塑性大变形特征和舱室封闭程度对爆炸载荷作用效果的影响。试验结果表明:加筋板在舱内爆炸载荷作用下主要是发生整体塑性变形,中心变形挠度远远大于板厚值,中面膜力在板变形过程中起主要作用。与敞开环境爆炸载荷作用效果相比,舱内爆炸载荷作用在加筋板上的"等效损伤冲量"提高了6~8倍。结构变形主要取决于舱室壁面的反射冲击波和舱内准静态压力载荷。舱壁开孔降低了舱室壁面的封闭限制效果,导致舱内准静态压力载荷衰减速度加大,从而降低了爆炸载荷对结构的破坏能力。     

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...     

舱内爆炸冲击载荷特性实验研究

为探讨舱室抗爆结构设计,采用典型舱室结构进行了舱内爆炸模型实验,研究了舱内爆炸下的冲击载荷及其作用过程,分析了舱内爆炸载荷的强度及舱内爆炸载荷作用下舱室板架结构的失效模式.结果表明:舱内爆炸载荷与敞开环境下的爆炸载荷有较大区别,由于舰艇结构的影响,舱内爆炸下,舱室板架结构承受的冲击载荷除壁面反射冲击波外,在舱室角隅部位还有强度远大于壁面反射冲击波的汇聚冲击波,以及这些冲击波的多次反复作用;舱内爆炸下舱室板架中部结构所承受的初始冲击载荷强度与敞开环境爆炸下壁面反射冲击载荷强度相当,而角隅部位舱内爆炸载荷的强度远大于敞开环境爆炸下壁面反射冲击载荷;舱内爆炸下舱室板架结构的主要失效模式是沿角隅部位发生撕裂失效并发生大挠度外翻变形.     

JWL状态方程及其等效多方状态方程在内爆炸计算中的应用分析

[目的]为研究JWL状态方程及其等效多方气体状态方程对内爆炸参数的影响规律,[方法]利用自主开发的程序开展舱室内炸药爆炸过程数值计算。首先,探讨JWL状态方程中ω参数及环境气体绝热指数的不同取值对内爆炸参数计算的影响规律;然后,基于JWL状态方程提出确定其等效多方气体状态方程中参数的方法,并通过算例对其可行性及可靠性进行验证。[结果]研究结果表明,ω参数及环境气体绝热指数的增大均可使最终的混合物绝热指数及冲击波峰值增大,并使冲击波到达舱室壁面的初始时间提前;ω参数的增大加快了爆炸初期爆轰产物的膨胀速率,最终使准静态压力峰值增大;而环境气体绝热指数的增大减缓了爆炸初期爆轰产物的膨胀速率,对最终准静态压力峰值影响很小。[结论]该等效方程具有一定的可靠性,研究结果可为抗爆结构设计及毁伤评估提供一定的参考和指导。     

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。     

水下爆炸载荷数值模拟方法

基于MSC-Dytran有限元软件,以水下爆炸载荷数值模拟的两类状态方程GAMA和JWL为讨论对象,通过大量数值试验,分析了欧拉网格密度、等效高压气团的初始半径、水的状态方程系数对水下爆炸载荷关键参数模拟效果的影响,给出使用GAMA状态方程时初始气泡半径的取值范围。提出采用JWL状态方程时,通过合理划分网格及提升水的状态方程系数技术模拟整个水下爆炸载荷过程的方法,该方法同时考虑了冲击波载荷和气泡脉动载荷,从而为研究近距水下爆炸载荷下结构响应提供较为准确地爆炸载荷,具有一定的工程意义和参考价值。     

舰船防护水舱在接近爆炸载荷作用下响应的理论研究

防护水舱作为抵御反舰武器爆炸破片和冲击波效应的有效手段之一,在舰船防护结构中经常被采用.爆炸冲击波是一种瞬态的作用,水舱在这种瞬态冲击载荷作用下的响应涉及内、外板以及舱内水的相互作用,其响应机理十分复杂.迄今为止人们还没有对其进行比较完整和严格的理论分析.文章通过适当的假设,对防护水舱内外舱壁在接近爆炸载荷作用下的响应机理进行了理论分析,推导出了水舱内、外板的响应计算公式,并做了算例研究.文中的研究对防护水舱这种特殊结构抵御爆炸冲击波的机理有了进一步的理论解释,并对其设计提出了可供参考的依据和原则.     

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。     

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。     

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。     

角隅结构对舱内爆炸载荷影响的实验研究

在空间较封闭的舱室中发生爆炸时,舱室板架结构所承受的载荷包括壁面反射冲击波和角隅部位的汇聚冲击波,这种载荷特性将直接影响到结构的破坏形式。采用双层舱室结构模型进行了不同装药量的舱内爆炸实验,研究了三种不同的角隅连接结构型式对冲击波在角隅汇聚情况的影响。基于图象法(Method of Images)解释了冲击波在角隅的汇聚现象,采用数值计算方法分析舱内爆炸冲击载荷与结构的相互作用。结果表明:舱室角隅位置的连接结构型式只对小药量工况下的舱内爆炸冲击波流场有一定的影响,其中相对平缓过渡连接的结构型式一定程度上减缓了冲击波在角隅的汇聚。当初始冲击波强度较大时,结构型式的改变对冲击波的角隅汇聚影响不大。舱室内形成的反射冲击波高压区将首先作用在横舱壁中部位置,基于这种传播路径和特性,横舱壁上设置适当的开孔将有效地降低舱内的冲击波汇聚压力。     

多层防护结构舱内爆炸试验

舰船舷侧多层防护结构的主要作用是抵御反舰武器对内部结构的破坏。文章通过反舰武器战斗部模型在舰船舷侧防护结构内部爆炸的模拟试验,研究了战斗部内爆作用下防护结构的破坏模式、多层防护结构防御冲击波和高速破片的效果以及内部结构的冲击响应,对比分析了空舱和水舱在战斗部接近爆炸作用下的变形和破坏情况。通过对试验数据的分析发现在战斗部接近爆炸载荷作用下,水舱内板的动态响应出现了"二次加载"现象。     

泄爆薄板厚度对舱室破坏及舱内载荷影响的数值仿真

[目的]为了研究DDG 1000驱逐舰所采用新型舷侧泄爆结构中泄爆薄板厚度对泄爆效果的影响,[方法]首先,通过实验数据验证仿真方法的可靠性;然后,运用有限元分析软件建立泄爆舱室的仿真模型,分析薄板泄爆结构的泄爆原理,研究不同薄板厚度下舱室破坏及舱内载荷的变化情况;最后,通过函数拟合,得到比冲量和挠度随泄爆薄板厚度变化的二次函数模型。[结果]结果表明:舱室的破坏失效最先发生在薄板和舱壁的连接处,并逐渐向舱壁边角扩大,且薄板厚度越小,越容易形成泄爆口;泄爆口的形成表现为薄板整体飞出舱体;泄爆结构的存在对初始冲击波超压的影响不大,但能有效降低舱内的准静态压力和比冲量;造成防护舱壁变形的主要因素是前期的初始冲击波和反射冲击波,而造成防护舱壁最终破坏的主要因素是长时间作用的准静态压力。[结论]研究结果可为舰船舷侧舱室等结构开展泄爆设计提供一定的参考。     

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。     

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。     

轮压载荷下夹层板直升机平台结构响应特性

以直升机平台甲板为研究对象,基于数值仿真方法,考虑弹性工况和塑性工况,分别采用动态冲击、轮胎准静态压载、刚体准静态压载和均布压载4种处理方式模拟轮压载荷,分析夹层板上面板、夹芯层和下面板的响应特点,讨论载荷处理方式对轮压压力分布和结构响应的影响规律,并初步探讨4种载荷处理方式间的内在关系。研究结果表明:在轮压载荷作用下,板架产生高应力、高变形的局部结构响应,采用动态冲击、轮胎准静态压载和均布载荷3种处理方式均能较好地反映夹层板响应,这3种载荷处理方式之间存在联系,轮压载荷可通过等效处理达到一定程度的简化。     

轮压载荷下夹层板直升机平台结构响应特性

以直升机平台甲板为研究对象,基于数值仿真方法,考虑弹性工况和塑性工况,分别采用动态冲击、轮胎准静态压载、刚体准静态压载和均布压载4种处理方式模拟轮压载荷,分析夹层板上面板、夹芯层和下面板的响应特点,讨论载荷处理方式对轮压压力分布和结构响应的影响规律,并初步探讨4种载荷处理方式间的内在关系。研究结果表明:在轮压载荷作用下,板架产生高应力、高变形的局部结构响应,采用动态冲击、轮胎准静态压载和均布载荷3种处理方式均能较好地反映夹层板响应,这3种载荷处理方式之间存在联系,轮压载荷可通过等效处理达到一定程度的简化。