一种舰艇水下爆炸冲击响应的简化分析方法

针对舰船设计初期缺少水下爆炸冲击响应预估方法的问题,提出了一种将DDAM方法和Taylor平板理论相结合的舰艇水下爆炸冲击响应理论模型。该理论模型根据Taylor平板理论将船底简化为自由平板,根据DDAM方法将船体结构各层甲板简化为质量-弹簧系统以模拟各层甲板对底舱的反作用。计算得到了船体结构各层甲板冲击响应,并与缩比模型试验数据进行了对比验证。结果表明这种简化分析方法能够较好模拟舰艇舱段各层甲板在水下爆炸的冲击响应,可为舰艇设计初期的冲击环境预估提供借鉴。     

水下爆炸作用下船体梁整体运动简化理论模型

针对水下爆炸作用下舰船整体运动响应的理论预报问题,将船体结构简化为等截面直梁,以炸药在船体梁中部正下方爆炸工况为研究对象,将爆炸载荷压力曲线划分为五个典型阶段.结合平板边界条件下的冲击波和气泡载荷压力分布函数,建立了冲击波和气泡联合作用下船体梁整体运动响应的简化理论计算模型,并利用船体梁模型试验对该方法进行了验证.结果表明:所建立的水下爆炸作用下船体梁整体运动响应理论模型具有一定的合理性,能够反映船体梁整体运动过程及响应幅值.     

近距水爆冲击波对船体梁总体毁伤的“刀锋效应”

针对船体梁在船舯底部受到近距水下爆炸冲击波作用下的中拱毁伤现象进行了研究.首先分析了水中装药在船舯底部近距爆炸时对船体梁的冲击载荷时空场.在船体梁运动模式分析的基础上,建立了不同冲击载荷时空场区域下的运动微分方程并进行求解.将计算结果与船体梁模型水下爆炸试验结果对比验证了理论方法的有效性.在分析船体梁运动规律的基础上,揭示了其毁伤机理,并提出了近距水爆冲击波作用下导致船体梁总体毁伤的"刀锋效应"概念.     

舰艇抗冲瓦整体冲击隔离新概念及其机理研究

基于声阻抗失配原理,提出了舰艇抗冲瓦对水下爆炸冲击的整体隔离新概念.采用波动理论和Taylor平板模型.以冲击波在水、覆盖层、空气层、船体钢中的传播过程为研究对象,建立了实心敷设层结构(消声瓦的简化模型)和带空腔敷设层结构(抗冲瓦)的流固耦合模型.利用Abaqus软件建立舰艇抗冲瓦三维冲击响应模型.算例结果表明,抗冲瓦能够很好地隔离水下爆炸冲击波.大大降低船体结构材料应力和加速度冲击响应峰值,并能在广泛的频域内显著降低舰艇冲击响应.     

敷设声学覆盖层结构在水下爆炸作用下的流固耦合分析

为解决水下冲击波作用下带声学覆盖层结构的动响应问题,提出了敷设声学覆盖层结构遇水下非接触爆炸冲击波的流固耦合分析方法.冲击早期高频作用段采用声学波动理论,以冲击波在水、覆盖层、钢板中的传播过程为研究对象,利用冲量等效修正冲击早期Taylor板模型反射系数;冲击波早期高频段过后,覆盖层的影响主要体现在其质量效应上,将覆盖层质量加载在其对应的结构有限元结点上,并结合二阶DAA,给出流固耦合计算方法,分析结构动响应,该方法大大缩减了有限元计算规模.最后实施了敷设去耦瓦加筋圆柱壳水下爆炸试验,其加速度峰值与试验偏差在20%以内,速度峰值偏差在10%以内,应变峰值偏差在15%以内,充分验证了计算方法.     

基于阻抗的水面船基座冲击动响应折减方法

水下爆炸下舰载设备会引起冲击谱的谱跌现象.为研究舰载设备对基座处冲击环境的影响,首先用ABAQUS的频响分析计算基座和设备自身的机械阻抗,然后通过简化设备-基座动力学模型,推导基座的响应与系统中各部分机械阻抗的关系,最后根据稳态响应与瞬态响应的差异,利用机械阻抗得到设备安装对基座响应影响的折减公式.结果表明:基于阻抗的折减公式在大部分区域较规范中的折减公式能够更好地吻合试验数据.      

基于结构水下冲击响应识别结构模态参数

在冲击载荷作用下,基于水下结构的动力学方程,结合Hilbert-Huang变换(HHT)推导出冲击作用下结构响应与模态参数的关系,并识别了水下结构的频率和模态阻尼比.HHT方法适合处理冲击等非平稳响应,设计的带通滤波器能自动选取截止频率,可以准确地得到各阶模态响应.且只需要结构适当一点的冲击响应,就可得到结构的固有频率和模态阻尼比.最后,以一水下矩形钢板为例,经数值计算在典型的爆炸冲击载荷作用下结构的振动响应,通过本方法得到了结构的固有频率和模态阻尼比,再以水下圆柱壳结构为例,同样得到了结构的固有频率和模态阻尼比,验证了本方法在冲击作用下识别水下结构模态参数的可行性.     

参数对冲击波作用下船体梁变形的影响特性

将船体结构简化为刚塑性等截面直梁,提出了一种计算船体梁在近场爆炸冲击波作用下发生整体塑性运动响应的理论模型.以该理论模型为基础,研究了船体梁在近场爆炸冲击波作用下的一般运动响应特性,分析了不同爆炸工况及结构几何参数对响应特性的影响.结果表明:在常见爆炸工况下,船体梁的塑性变形表现为先正向上升,后反向下降的过程,并且以反向变形损伤为主;同一爆炸工况下,船体梁的最终塑性变形量与极限弯矩、长度、宽度以及底板厚度之间呈线性关系.     

水下爆炸载荷作用下隔振系统与舰船结构的动态响应分析

本文利用理论公式和ANSYS瞬态响应计算方法,计算舰船结构与隔振系统在水下爆炸冲击波与气泡脉动作用下的冲击响应。分析结果表明：隔振系统可以有效地隔离来自基础的冲击能量。相对于爆炸冲击波,气泡脉动压力对隔振系统的影响更大;而对船底内表面则正好相反。     

设备缓冲平台在水下爆炸载荷作用下冲击响应分析

 在水下爆炸舰船抗冲击试验中,缓冲平台是设备冲击防护的有效工具。为检测缓冲平台在爆炸载荷下的缓冲特性,用小型浮动冲击平台作为试验冲击载体,对缓冲平台和平台上设备的基础输入进行测量,并采用冲击谱分析方法进行处理分析,得到了缓冲平台冲击响应特性。试验分析结果表明,缓冲平台采用不同的阻尼比对平台设备冲击响应的影响较大;当设备的自身质量较大时,平台上设备响应谱会出现明显的谱跌现象;在设备抗冲击防护设计时,应当考虑设备质量及固有频率对冲击谱的影响,这样有利于减小设备抗冲击防护设计难度。     

舰艇抗冲瓦水下爆炸流固耦合冲击动力学模型

 为更好的反映水下爆炸作用下舰艇抗冲瓦芯层复杂结构动力学特性,基于多自由度动力学、Taylor平板理论一阶DAA法,提出了舰艇抗冲瓦在水下爆炸冲击波载荷作用下的流固耦合与冲击动力学模型。抗冲瓦冲击响应分为3个阶段,I阶段是在冲击载荷作用下的一维流固耦合开始阶段,水中气穴开始产生;II阶段芯层开始被压溃,但此时抗冲瓦表层速度开始降低,水质点的附加冲量起到重要作用;III阶段是从减速到回弹阶段,抗冲瓦在弹性恢复力和流体阻尼共同作用下产生减速和反弹。3个阶段的理论模型揭示了水下爆炸作用下抗冲瓦的冲击响应过程。通过理论模型和算例研究发现,所提出的模型能很好的反映具有复杂芯层结构的抗冲瓦在水下爆炸冲击波作用下的缓冲与耗能机理,抗冲瓦芯层密度对其缓冲效果影响显著。这些性能特点可以用于在给定质量情况下对抗冲瓦进行几何优化设计。     

水下接触爆炸载荷作用下舰船舱段动态响应的数值仿真

该文利用ALE（Arbitrary Lagrange—Euler）算法，应用非线性动力有限元软件LS—DYNA，计算了舰船一个舱段的舷侧防护结构在水下接触爆炸载荷作用下的动态响应过程，给出了各层防护板的应力、应变、速度和位移等动态参数的时间历程，讨论水下接触爆炸载荷对舷侧防护结构的破坏效应及影响。验证了加筋板对结构的加固作用。该文的研究工作对舰船舷侧的安全防护设计具有一定的参考价值。     

水下爆炸作用下近岸场地动态响应数值模拟

以某近岸场地为研究背景,通过选取合理的材料本构模型及状态方程,建立水下爆炸荷载作用下近岸场地动力响应数值分析模型,利用ANSYS/LS-DYNA进行近场水下爆炸荷载作用下动态响应分析.研究爆炸冲击作用下冲击波在近岸场地的传播特性以及近岸场地动态响应的变化规律.研究表明:在冲击波传播过程中,其传播特性会受到边界面的影响;...     

空中和水下爆炸时钢筋混凝土板动态响应对比分析

 利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立钢筋混凝土板在不同介质中（空中和水下）爆炸的数值模型,在对比分析爆炸冲击波在空中和水下传播特性的基础上,研究了空中和水下爆炸冲击波对钢筋混凝土板动态响应及损伤程度的影响,并对比分析了不同炸药量及起爆距离对钢筋混凝土板在空中和水下爆炸时动态响应的影响规律。研究表明,在近爆区域内,爆炸冲击波在空中和水下的传播特性存在较大的差异：在空中的传播速度较水下快,并且冲击波压力在空中衰减较水下快;但水下爆炸冲击波压力峰值较空中爆炸大很多,对钢筋混凝土板的潜在破坏能力较强。两种介质中爆炸时钢筋混凝土板的破坏形态对比分析,发现无论是迎爆面还是背爆面,同等炸药量及起爆距离下水下爆炸时混凝土板损伤程度均较空中爆炸时大。     

水下爆炸圆柱壳塑性动态响应实验及数值计算

采用实验与数值模拟相结合的方法,对圆柱壳结构在水中受到柱形TNT炸药产生的冲击载荷作用下的动力响应过程进行研究.对不同装药量、爆炸距离和爆炸角度的影响分别进行了实验,利用大型有限元软件MSC.DYTRAN,对流场边界采用流-同耦合的处理方法进行计算,并将计算结果与实验数据进行对比,结果表明,计算结果与实验结果具有较好的一致性.证明了在有限区域内采用MSC.DYTRAN有限元软件中的流-固耦合方法进行水下爆炸的数值计算是可行的.     

水下爆炸载荷作用下气背固支方板的动态响应分析

分析了炸药水中爆炸冲击载荷作用下气背固支钢方板的动态响应过程. 通过对不同装药量和炸距下的水下爆炸冲击作用试验,使用更准确的水介质冲击载荷模型,采用改进的强化系数方形屈服线假设和刚线性硬化材料屈服模型,对固支气背薄钢方板的2种运动形态的动态响应过程进行了理论分析,得到了板的动态响应解析解并进行了典型情况下的计算. 结果表明,实验和理论计算结果有较好的一致性,验证了理论假设与分析的合理性.     

舰艇抗冲瓦隔声性能试验研究

抗冲瓦能够很好地实现对水下非接触爆炸载荷的整体冲击隔离.其特殊的空腔结构是否同时具有隔声性能也广为关注,为此,在某海域港湾内对一艘试验船进行了敷设与未敷设抗冲瓦的声辐射噪声对比试验.试验结果表明,抗冲瓦在广泛的频域内均具有良好的隔声性能.舰艇湿表面敷设抗冲瓦对舰艇本体噪声向水中辐射的抑制效果量级为:0.1～1 kHz频段约为5 dB:1～3 kHz约为10 dB;3 kHz以上15 dB,能够较大地降低舰艇的水中辐射噪声,为提高舰艇整体的隐身性能提供了一种新的技术和方法.     

船舶锚泊操纵运动预报与分析

结合船舶操纵模拟器的开发,建立了船舶锚泊操纵运动数学模型,以预报分析船舶在锚泊操纵全过程中各种动态运动响应.提出了一种较为合理的锚抓底力的数学计算模型,并计入抓底走锚等影响,给出了具体的数值计算方法.整个模型包括：水面船舶采用MMG模型来进行建模,并计入低速时水动力的影响;水下锚链因其运动是一种三维动态运动,采用针对海洋缆索系统的集中质量法来描述其运动;锚自身因其尺度很小,在确定其抓力的基础上将其视为锚链的一个节点,溶入到锚链的运动控制方程中去.最后,应用该模型对一水面船舶进行了锚泊操纵运动计算,并对比分析了不同情况下的锚泊操纵性能,给出了一些规律性的定性结论.