港池环境近水面水下爆炸特性及其毁伤效应

为研究港池环境近水面水下爆炸载荷及其对码头结构的损伤特性,设计了一种典型码头结构,并构建港池环境,运用LS-DYNA程序开展水下爆炸数值模拟研究,对爆炸现象、荷载特性、结构动态响应和能量吸收特性4个方面进行了详细研究,分析了边界、比例爆距等参数的影响规律。结果表明:爆炸气泡脉动主要受到码头结构边界和水面的影响,水底和有限港池内的流体运动对其亦有一定影响;冲击波荷载以比例爆深为中心呈垂向对称分布,气泡脉动荷载主要分布于比例爆深以下位置;结构变形和毁伤主要在冲击波传播阶段形成,气泡脉动和射流的二次毁伤效果较弱;混凝土和沉箱内填土是主要能量吸收部分。     

水下爆炸气泡作用下梁中垂损伤及流场变化特性

 以水面箱形梁模型为研究对象,利用数值计算和实验验证相结合的方法,对梁在水下爆炸气泡作用下的中垂损伤特点进行了研究,确定了中垂弯曲载荷的形成原因,深入分析了气泡运动时周围流场的变化特性;研究了爆炸参数对梁响应特性的影响,初步提出了梁发生中垂损伤的条件。研究发现：在爆炸气泡收缩阶段,结构和气泡之间的流场形成一个“凹”型分布的低压区,导致梁发生中垂弯曲变形;当爆径比参数λ满足1<λ<2.5时,爆炸气泡对梁结构的中垂损伤作用明显,且λ越小,等量炸药对梁的整体损伤作用越大。     

典型结构参数对船体梁抗水下爆炸特性的影响

为了提升舰船抗水下爆炸冲击防护设计水平，首先需要揭示舰船典型结构参数变化对其损伤特性的影响规律。以某型舰船为参考，保留主要结构特征参数，设计了接近真实尺度的梯形横截面船体梁。利用Geers-Hunter理论公式得到各计算工况下的水下爆炸载荷，基于ABAQUS有限元数值模拟方法，对比分析了船体梁长度、外板板厚、型深、型宽等参数变化对船体梁抗水下爆炸冲击的结构响应特性的影响。提出了一种可以表征各典型结构参数对船体梁整体结构强度影响规律的无因次结构强度因子。结果表明：气泡脉动频率与结构固有频率耦合将导致中垂变形；船体梁长度增加使得结构抗弯能力减弱，在水下爆炸响应中的初始中拱变形缓慢增加，最大中垂变形显著增加；船体梁外板板厚、型深、型宽的增加会导致结构在响应期间的初始中拱变形和最大中垂变形减小；初始中拱变形受结构参数变化影响的敏感程度低于最大中垂变形。提出的无因次结构强度因子可以较好地表征船体梁结构整体强度。     

水下爆炸下有限尺度平板的载荷特性及结构响应试验研究

为研究近结构边界下水下爆炸冲击波和气泡载荷特性,设计几种典型尺寸的平板模型,通过调整爆径比、平板厚度等参数,试验研究了水下非接触爆炸下的气泡脉动过程,分析平板边界处的低压流场特性,并基于应变分析获得了平板结构的局部及整体响应特征。研究发现:在近平板爆炸气泡的运动过程中,平板边界处会出现低压(负压)流场,低压维持时间约占气泡脉动周期的60%~80%,最大负压值可达0.1MPa;随着爆径比的减小,平板的最终变形由弹性变形、中垂变形向中拱变形转变。     

爆炸载荷下舱内泡沫铝夹芯结构的动响应特性

为探索爆炸载荷下舱内夹芯复合结构的动态响应特性与防护效能,采用小尺度舱室结构模型实验,结合有限元数值分析,开展了不同爆炸距离下舱内双层泡沫铝夹芯结构的动响应特性和变形模式研究。分析了不同爆距下舱内爆炸载荷的作用过程和时空分布特性,讨论了在初始冲击波、初始冲击波叠加各壁面二次反射波和舱内爆炸准静态压力3种载荷下泡沫铝夹芯结构的变形模式。爆炸载荷下舱室壁板承受的载荷依次为初始冲击波、各壁面二次反射波和准静态气压。炸药在靠近舱室一端处起爆时,初始冲击波在近端壁的局部效应明显,在远端壁的作用范围更大,与舱室中心爆炸相比,其爆轰产物波动次数更少。泡沫铝夹芯结构的变形过程可分为泡沫芯层压缩、局部凸起变形和整体挠曲变形3个阶段,对应迎爆面板局部凸起叠加整体挠曲大变形、局部凸起叠加整体挠曲大变形和整体挠曲大变形3种变形模式。     

多次水下爆炸中船体梁的累积毁伤效应

针对在多次水下爆炸中船体梁的累积毁伤问题,采用AUTODYN软件与试验相结合的方法,分析了炸药当量、爆距、爆炸次数等因素对船体梁累积毁伤效应的影响。结果表明:在水下爆炸加载作用下,船体梁会发生中部凹陷局部塑性变形和整体中拱塑性弯曲变形。在一定冲击因子作用下,其挠度与水下爆炸加载次数呈线性关系,且药量越大,挠度越大。爆距相同时,同等当量炸药对船体梁进行单次和均分连续3次水下爆炸加载,其最终塑性变形挠度不同,均分连续3次爆炸作用下船体梁的塑性变形挠度更小。     

刚性柱附近浅水爆炸荷载特性研究

刚性柱附近浅水爆炸时冲击波传播、气泡射流受多种因素影响。考虑水面、水底、刚性柱与水下爆炸冲击波及气泡的耦合作用,基于LS-DYNA有限元软件,建立浅水爆炸全耦合模型,通过经验公式验证有限元模型的正确性。研究表明:采用炸药直径1/3～1/2中心渐变网格能够较好地保证数值模拟精度。在冲击波传播阶段,刚性柱迎爆区冲击波峰值上升并产生切断现象,冲击波下降段被"截断",而背爆区冲击波峰值衰减约50%,同时正压作用时间增加;在气泡脉动阶段,气泡在收缩阶段产生指向刚性柱的气泡射流,当刚性柱与炸药之间的距离约为一个气泡半径时,刚性柱附近的脉冲荷载增幅最大,脉冲荷载最大测点水深较爆心上移。     

球形炸药的水下爆炸场仿真

水下爆炸过程是一个非常复杂的过程，大体上分为3个阶段：炸药的爆轰、冲击波的传播、气泡脉动。爆炸所产生的冲击波、气泡和脉动水流，都能使目标受到一定程度的破坏。在多数情况下，冲击波的破坏起着决定性的作用，脉动水流和气泡（爆轰产物）一般引起附加的破坏作用。     

铝氧比对含铝炸药水下爆炸载荷及能量输出结构的影响

为了系统地研究铝氧比对含铝炸药水下爆炸载荷及能量输出结构的影响,在验证数值模型有效性的基础上,针对铝氧比分别为0、0.16、0.36、0.63的RDX基含铝炸药,利用耦合欧拉-拉格朗日方法模拟了其水下爆炸连续的全过程,考虑了冲击波载荷和气泡载荷之间的耦合作用,从冲击波、气泡和能量输出结构三方面对影响效应进行评估。计算结果表明:随着铝氧比的增大,含铝炸药水下爆炸冲击波衰减时间常数、冲击波冲量、气泡脉动周期、气泡最大半径以及比气泡能都增大;铝氧比为0.36时,冲击波峰值压力、冲击波能流密度和比冲击波能达到最大。铝粉的加入对气泡能的提高相对于冲击波能更加显著。     

一种水中爆炸气泡脉动实验研究方法

 在2 m×2 m×2 m的实验水箱中开展小当量PETN炸药水中爆炸气泡脉动实验时,利用弹性波从声阻抗高的物质传入声阻抗低的物质时的“减震缓冲”原理,采用在水箱壁贴低声阻抗材料的方法,有效降低了水箱壁反射冲击波对气泡脉动过程的影响,获得了清晰的气泡脉动过程图像、气泡水射流形成过程图像和气泡脉动压力曲线。将水箱实验结果与8 kg TNT当量爆炸水池实验结果对比,得到的最大相对误差仅为5.1%,验证了水箱实验方法的准确性,为炸药水中爆炸气泡脉动现象研究提供了一种简便有效的实验方法。     

爆炸气泡与自由水面相互作用动力学研究

为探究爆炸水幕形态与水下流场变化之间的联系,设计了小当量RDX装药水箱内爆炸实验系统.采用两台高速录像机同步拍摄了气泡和水幕形态的演变过程,获得了三种典型气泡形态和六种典型水幕形态.通过观察气泡-水面-空气之间的流场变化和理论分析,揭示了六种形态水幕的演变规律及其形成机理,并与电火花形成气泡实验结果进行了对比分析.通过对不同比例深度条件下的气泡横向半径、纵向半径、膨胀时间、脉动周期、气泡边界运动过程等的统计分析,揭示了近水面水下爆炸形成气泡的动力学过程.     

不同水底介质对有限域中装药沉底爆炸特性的影响

通过开展装药沉底爆炸原理性实验研究,得到了不同水底条件对装药沉底爆炸气泡运动和冲击波压力的影响规律:沉底装药水下爆炸气泡通常呈半球形,依附在水底并同时急剧膨胀达到最大半径,随后气泡做收缩运动并连带水底介质颗粒迅速上浮,同时形状发生显著变化,如在石底和泥底时气泡在水底射流的作用下呈蘑菇状上浮,砂底时气泡则呈现出柱状上浮、未出现明显脉动运动即已坍塌破裂;沉底爆炸与水底介质发生强烈耦合作用而形成不同程度的反射波,通常水下石底的反射冲击波较泥底和砂底更强烈,且一般迭加后的冲击波峰值压力高于入射波阵面压力;不同水底介质条件下,装药与水底发生的强烈耦合作用均对水底造成强冲击破坏。     

近壁面气泡运动特性的数值计算

采用体积加速度模型确定水下爆炸气泡运动的初始条件,基于MSC.DYTRAN有限元软件开发了定义流场初始条件和边界条件的子程序,对气泡在水平刚性壁面附近的运动特性进行了数值模拟,通过对比发现数值计算结果与实验结果具有较好的一致性,证明了初始条件定义、子程序开发和有限元模型建立的正确性和数值计算的准确性。以此为基础,研究了水深、泡心与刚性底面之间的距离对气泡动态特性和射流速度的影响,通过数值计算得到了一些有规律的曲线。计算模型、方法及结果对相关的工程研究和计算具有一定的参考价值。     

圆形破口附近气泡动态特性实验研究

以往对于壁面附近气泡动态特性的研究均是针对完整壁面进行的, 而对带破口壁面附近气泡运动特性的研究很少, 例如舰船结构在遭受药包爆炸冲击波作用后形成破口, 其仍可能会遭受随后生成气泡的二次打击, 破口的存在必定会影响爆炸生成气泡的动力学行为. 本文采用电火花气泡生成与观察实验装置, 对带有破口的壁面附近气泡脉动和射流特性进行研究.通过实验发现, 当气泡在破口同心位置生成时, 破口的存在会使气泡靠近破口一侧形成"腔吸现象", 并使气泡形成对射流. 在此基础上分析了破口大小和无量纲距离对破口附近气泡的影响规律, 最后讨论气泡在破口偏心位置生成时的运动特性, 结果发现破口附近气泡的二次打击威力随偏心距离的增加而增加, 文章旨在为不同边界附近气泡运动规律研究提供参考. 关键词： 气泡 实验 破口 射流     

深水域近水面水下爆炸水柱形态及演变实验研究

 为研究不同起爆深度的水下爆炸水柱形态及演变特征,进行了1 kg球形RDX装药在不同起爆深度下的海上爆炸实验,通过高速摄像机记录装药起爆后水柱的形成和成长过程,获得了喷射水柱形态的演变特征以及水柱高度、直径、水柱突出水面时间等参数的变化规律,并与Cole、Hole和Swisdak等人的研究结果进行对比分析。研究结果表明：对于深水域近水面水下爆炸,水柱以垂直喷射形态为主,当气泡在膨胀阶段到达水面时水柱存在微弱的径向飞散现象;水柱最大高度随起爆深度呈脉动变化,水柱直径随起爆深度线性减小;Swisdak关于水柱最大高度的计算公式不适用深水域近水面水下爆炸情况。     

射流冲击模型在水下爆炸实验中的应用研究

 为研究射流冲击载荷对结构的作用效果,从理论和数值角度研究了射流的载荷特性,以舱段模型实验为研究对象,建立了射流计算模型,结合实验数据,对射流冲击问题进行了分析。结果表明,射流冲击能够造成结构强烈的局部响应,某些情况下,射流冲击载荷引起的结构响应甚至比冲击波载荷引起的响应更大。因此,中近场水下爆炸实验需要考虑射流的影响。建立的射流模型能够较好地反映射流冲击的载荷特性,为水下爆炸实验分析提供了一种新的手段。     

深水爆炸冲击波作用下圆柱壳动态响应影响因素的数值模拟研究

 运用通用有限元程序ABAQUS，对圆柱壳在深水爆炸冲击波作用下的动态响应进行了数值模拟，研究了圆柱壳所处深度、爆心方位和预应力对于圆柱壳动态响应的影响。研究结果表明：在同样的水下爆炸冲击波作用下，随着深度的增大，圆柱壳的毁伤逐渐加重，而且响应过程中的变形逐渐增大，低频响应阶段的速度曲线趋于平坦；爆距不变时，不同的爆心方位在不同深度上的毁伤效果存在一定差异；预应力的存在使圆柱壳的毁伤加重，并且预应力对圆柱壳动态响应的影响与爆心方位有关。研究结果对于潜体结构的生命力评估具有一定参考价值。     

Cavitation bubble behavior and bubble–shock wave interaction near a gelatin surface as a study of in vivo bubble dynamics

The collapse of a single cavitation bubble near a gelatin surface, and the interaction of an air bubble attached to a gelatin surface with a shock wave, were investigated. These events permitted the study of the behavior of in vivo cavitation bubbles and the subsequent tissue damage mechanism during intraocular surgery, intracorporeal and extracorporeal shock wave lithotripsy. Results were obtained with high-speed framing photography. The cavitation bubbles near the gelatin surface did not produce significant liquid jets directed at the surface, and tended to migrate away from it. The period of the motion of a cavitation bubble near the gelatin surface was longer than that of twice the Rayleigh's collapse time for a wide range of relative distance, L/R_max, excepting for very small L/R_max values (L was the stand-off distance between the gelatin surface and the laser focus position, and R_max was the maximum bubble radius). The interaction of an air bubble with a shock wave yielded a liquid jet inside the bubble, penetrating into the gelatin surface. The liquid jet had the potential to damage the gelatin. The results predicted that cavitation-bubble-induced tissue damage was closely related to the oscillatory bubble motion, the subsequent mechanical tissue displacement, and the liquid jet penetration generated by the interaction of the remaining gas bubbles with subsequent shock waves. The characteristic bubble motion and liquid jet formation depended on the tissue's mechanical properties, resulting in different damage mechanisms from those observed on hard materials.     

近自由面水下爆炸气泡的运动规律研究

基于边界积分法建立水下爆炸气泡与自由面耦合数值模型；并开发相应的计算程序，计算值与实验值符合较好.从气泡与自由面相互作用的基本现象入手，运用开发的程序系统地研究了近自由面水下爆炸气泡的动态特性，包括近自由面气泡的环状回弹及自由面的水冢现象；研究距离参数、浮力参数以及强度参数等特征参数与自由面Bjerknes效应之间的关系，总结相关规律，近自由面气泡的动态特性与这些特征参数有密切的关系.并在研究过程中，讨论了基于Kelvin-impulse理论的Blake准则的适用范围，并解释了Blake准则的失效的原因. 关键词： 气泡 自由面 环状 水冢