近场水下爆炸过程中气泡脉动与射流载荷特性研究

为了深入研究近场水下爆炸过程中产生的气泡射流现象,本文开展了小当量TNT在固支方板底部爆炸的水下爆炸试验,设计了一种阵列式壁压传感器的方法成功测得了气泡射流的载荷时程曲线.实验结果指出,固支方板底部中心处气泡脉动压力峰值与射流压力峰值相差不大,但射流压力持续时间为气泡脉动压力的21.36倍,气泡脉动压力及其持续时间随着传感器距中心位置距离的增加只是略有衰减,而射流压力及持续时间随着传感器距中心位置距离的增加衰减较快,说明射流载荷作用范围较为集中.接着通过Abaqus软件开展了从炸药起爆到气泡射流形成全过程的数值模拟工作,模拟得到的气泡演化过程和气泡射流载荷时程曲线与实验结果基本一致.最后通过数值模拟得到了近场水下爆炸气泡脉动过程中气泡射流比冲量分布规律、气泡射流形态演变规律和气泡射流头部速度变化规律.本文的工作能够为利用近场水下爆炸气泡射流对水面舰艇结构实施毁伤打击提供依据.     

装药水下沉底爆炸压力场特性研究

对水下爆炸冲击波进行了概述,分析了影响冲击波传播的因素和球形装药中心起爆时出现驼峰的原因.利用AutoDyn软件对装药在自由场与沉底爆炸二种工况的压力场特性进行了数值模拟,计算中采用透射边界条件代替压力流出边界条件和提高能量守恒误差容许值的办法.仿真结果表明,装药自由场爆炸中,冲击波传播没有方向性;在装药沉底爆炸时,冲击波存在明显的水底反射效应,水底反射对药包上方范围起到增强作用,而对水底附近起削弱作用,当测点与水平夹角大于60°时,冲击波压力峰值增加到一个相对稳定值.     

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。     

爆炸荷载作用下空间钢框架破坏过程分析

采用有限元软件ANSYS／LS-DYNA研究空间钢框架在爆炸荷载作用下，从开始发生变形直至倒塌的全过程。分析中考虑了爆炸载荷作用时间和荷载峰值对结构动力响应的影响。结果表明：在爆炸荷载作用下，结构变形形态具有局部性和弱传递性，即爆炸区的梁柱首先产生大变形并伴随大塑性应变，最后在横梁和立柱端部达到材料失效应变而断裂，其他部位受到的影响则很小；爆炸部位处的构件断裂破坏后，剩余的结构会在自重和恒载作用下发生连续倒塌。     

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.     

核爆炸荷载作用下土埋钢油罐受力特性模型试验

为研究爆炸条件下土中钢油罐受力特性,根据模型几何相似理论,研究了地面爆炸作用下土埋钢油罐的受力特性.在核爆压力模拟器内进行了土埋钢油罐模型的爆炸压力加载试验,采用动态测量技术,得到了不同埋土表面超压下土埋钢质圆柱壳模型的动压力、动位移和动应变数据.试验表明,作用在土埋圆柱壳上的动压呈现底部动压峰值较大的特点,柱壳则为动态弯曲应力状态.其中,环向应变在底部为拉应变,侧部和顶部为压应变,纵向应变在壳体顶部和底部均为压应变,侧部为拉应变.在试验加载范围内(地面超压为0.09～0.88 MPa),应变仍在材料弹性变形范围内.     

近场水下爆炸载荷对舰船结构的局部毁伤特性

主要采用任意的拉格朗日-欧拉（ALE）方法的LS-DYNA软件,对舱段结构在水下近场爆炸与水下接触爆炸情况下的毁伤特性进行研究.为验证该方法的有效性,首先运用该方法对TNT炸药在水下爆炸产生的冲击波峰值进行模拟,将模拟得到的仿真值与经验公式的计算值进行对比,从而验证该方法的有效性.运用该方法对平板水下接触爆炸实验进行验证,将模拟结果与试验结果进行对比,进一步验证ALE方法的有效性.最后,采用ALE方法分别对不同结构型式的舱段在水下近场爆炸与水下接触爆炸进行数值模拟,研究不同结构型式舱段结构在不同工况下的毁伤特性,定量分析破口大小与结构毁伤模式.      

水下爆炸近场载荷的试验与数值模拟

借助于小药量水下爆炸试验及数值模拟研究了水下爆炸近场载荷及其运动特性。试验在爆炸水箱中进行,采用同时分幅扫描超高速光电系统拍摄炸药爆炸后视场600 mm×600 mm以内的冲击波及爆轰产物演化过程。使用LS-DYNA软件的ALE方法计算了水下爆炸近场冲击波、爆轰产物气体运动特性,以及冲击波峰值压力和爆轰产物气体与水介质边界压力变化特性,数值模拟结果与试验结果有很好的近似。在试验和数值模拟基础上,提出了适用于水下爆炸近场的冲击波运动、峰值压力的变化规律,并建立了爆轰产物气体初期膨胀运动规律及压力变化。     

浅层水中沉底爆炸冲击波相互作用数值模拟

根据试验模型和试验结果，进行了浅层水中沉底爆炸冲击波相互作用数值模拟；研究了水底水面对沉底爆炸冲击波传播与相互作用的影响。结果表明，水底对冲击波压力峰值有较大的削弱作用，水面使冲击作用冲量明显减少，冲击波相互作用的压力叠加或多次冲击作用大大提高了爆炸威力。     

水下爆炸载荷作用下舰用齿轮箱强度极限数值仿真研究

考虑到设备冲击极限载荷作为舰艇抗水下爆炸冲击设计与评估的重要基础,为了获取舰用设备冲击极限载荷特性,建立了某舰用齿轮箱的有限元模型,采用容许应力法分析了该设备的冲击极限载荷特性.结果表明,容许应力法是一种直接、有效获取舰用设备冲击极限载荷的计算方法,舰用齿轮箱的冲击极限载荷与输入载荷的加速度峰值和脉宽相关.     

近爆作用下方形板表面爆炸载荷分布函数研究

爆炸载荷作用的方式和大小是结构物遭受破坏的主要原因.目前的大多数研究都将爆炸载荷简化为双直线的形式,与实际的时程曲线差异较大,并且直接施加到结构上,回避了气体和结构间的流固耦合相互作用,对于近爆或内部爆炸将会对计算结果带来较大的误差.为了快速确定方形板近爆作用下结构表面的荷载,本文利用数值模拟方法研究了爆炸冲击波与结构的相互作用,提出了方形板结构表面上不同点处爆炸载荷的分布函数,并建立了板结构表面中心点处爆炸载荷参数的简化预测公式,利用这些公式提出了构建结构表面任意点处爆炸载荷的一般方法.结果表明,利用这些公式,可以预测任意尺寸结构构件在近爆爆炸环境中承受的爆炸载荷的各参数(峰值压力和冲量).     

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.     

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.     

几种炸药水下爆炸能量损失特性分析

针对炸药水中爆炸能量损失特性,通过水下爆炸试验,测定了TNT,RS211,RBUL,GUHL,RS3-4等水下爆炸时的超压、冲击波能、气泡能等冲击波性能参数. 对试验结果进行相似分析,得到了超压以及冲击波能的衰减规律,同时分析了装药的水下爆炸的能量输出结构及其能量损失特性. 结果表明,RS211和RS3-4具有较高冲击波超压峰值,而RBUL、GUHL衰减较为缓慢,RBUL、GUHL水下爆炸能量可到达约1.8倍TNT当量. 5 kg炸药水下爆炸时,在0～3 m处,总能量损失Δe_d呈现抛物线形式的增长;在3 m之后呈现线性增长;5 m之后为理想冲击波状态.      

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.     

考虑空化效应的水下爆炸舰船结构响应研究

建立某舰船典型舱段结构模型,采用声固耦合法分析舰船结构在水下爆炸作用下的动力响应特性,分析了二次加载及空化区域随时间的变化情况.当考虑空化效应时,分别给出药包在不同深度和不同舷侧角度爆炸情况下,舱段结构典型位置的加速度和速度响应量的时间历程曲线,总结了舱段典型位置各响应量峰值的变化规律.结果表明:空化区域溃灭产生的二次加载作用会对结构响应产生较大影响,在二次加载作用下结构振动更剧烈,载荷作用时间更长;相比于舱段底部,随着爆深的增加,甲板和舷侧的响应受二次加载的影响较小;当爆点沿舷侧不同角度分布时,对于舱底和甲板结构,型深方向的响应峰值均为最大.     

水下爆炸能量耗散特性分析研究

基于特征线理论得到了水中冲击波的近似传播规律,提出了炸药水下爆炸冲击波传播过程中的熵变及能量耗散特性的近似评估方法.使用该评估方法,对TNT和RS211两种炸药水下爆炸近场冲击波传播过程中的能量耗散进行了计算.研究表明,水下爆炸近场的冲击波超压峰值迅速衰减,熵增与能量损失主要发生在水下爆炸近场的10倍装药半径范围内.对于TNT和RS211两种炸药,20倍装药半径处水中冲击波的能量耗散分别约为水下爆炸总能量的34%和32%,与水下爆炸试验结果基本一致.     

层状结构顶板锚杆组合拱梁支护机理

对层状结构顶板锚杆支护机理应用离散元模拟、物理模拟方法开展研究,表明锚杆支护回采巷道层状结构顶板形成组合拱梁结构,锚杆支护机理相应称为组合拱梁作用。物理模拟表明组合拱梁纵向载荷、横向载荷与挠度关系曲线存在峰值前和峰值后两个变形阶段,横向载荷首先达到峰值,破坏进一。步发展后纵向载荷达到峰值。锚固作用表现为组合拱梁层问离层和错动量减小,提高了组合拱梁峰值后承载力,可变形性得到改善。竖直方向地应力使顶板岩层形成铰接拱结构,水平地应力是拱铰压碎的主要力源。     

爆炸载荷作用下埋地聚乙烯管的动力响应分析

爆炸载荷作用下埋地管线的动力响应研究对管道附近的爆破施工和管道安全防护设计具有重要意义。数值模拟研究了四种相同标准尺寸比(管外径与壁厚的比值)的埋地聚乙烯(PE)管在爆炸载荷作用下的动态响应,初步揭示了PE管的振速、应变、应力和压力等指标参数的动响应规律。研究表明：PE管正对爆心截面处受横向振动影响最大,而管道正对爆心截面两侧受轴向振动影响最大;管道受压应变影响程度比拉应变大,易受压损伤;在误差允许范围内,四种相同标准尺寸PE管的动态响应参数(峰值振速、峰值环向压应变和峰值压力)可采用考虑场地系数和衰减系数的拟合公式进行预测分析。     

水下爆炸载荷的静态等效方法

水下爆炸对水中结构物的作用一是直接压力,另一个是使结构物产生速度和加速度,而且,不仅仅是结构物产生速度和加速度,其附加质量(也称附连水质量)也产生相应的加速度,即:爆炸要同时改变结构物和附加质量的动能与动量。水下爆炸作用下结构物的响应研究极其复杂,计算量极大。如果能采用静态等效的方法分析结构的响应,不但使结构分析过程得到简化,更重要的是为结构设计提供一个等效载荷值和施加方法。根据能量原理、动量原理和达朗贝尔原理,给出了水下爆炸载荷静态等效研究的分析方法和计算方法,并通过算例对该算法进行了验证。结果表明:提出的静态等效方法可行。