金属蜂窝夹芯结构抗水下冲击性能

为揭示高强度水下爆炸冲击载荷作用下金属夹芯结构的抗冲击性能,在实验室开展小尺寸水下爆炸加载技术对金属蜂窝夹芯结构性能影响的实验研究。基于实验结果,开展了全尺寸数值模拟金属蜂窝夹芯结构在水下冲击载荷作用下的动态响应和抗冲击性能研究。结果表明,数值模拟、实验和理论模型计算的结果具有良好的一致性。由于蜂窝芯材相对密度对夹芯结构能量耗散方式和载荷传递机制的影响,结构动态响应、失效模式以及抗冲击性能随着冲击强度的变化表现出较为明显的不同。通过抗冲击参数分析,建立了反映金属蜂窝夹芯结构抗冲击性能的结构横向变形、固支反力、透射脉冲和塑性能耗随冲击强度和芯材相对密度变化的结构-载荷-性能量化关系。     

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。     

基于数值仿真船体结构毁伤测点布设方法研究

为有效测量水下爆炸作用下船体结构的毁伤程度,优化测点布设,建立了典型舰船有限元模型,运用大型有限元分析软件ABAQUS提供的声固耦合方法,对船体结构在爆炸载荷作用下的冲击响应进行仿真。依据数值仿真结果,分析船体结构薄弱环节,并将这些薄弱环节作为重点测量部位,结合工程实践和海上试验经验,在准确测量结构毁伤的基础上,合理布设传感器测点,研究设计了水下爆炸作用下船体结构毁伤测点布设方法。经海上爆炸试验验证,数值仿真结果与试验测试结果吻合良好,该毁伤测点布设方法设计合理。     

泡沫铝柱壳对药柱水下爆炸压力场影响的数值研究

基于流体弹塑性模型,建立了描述泡沫铝在爆炸载荷下的冲击响应方程;采用Lagrange差分格式,在均匀网格上对方程进行了离散;编写数值计算程序,进行了药柱水下爆炸的一维数值计算,重点考虑了泡沫铝对水中爆炸冲击波分布的影响。结果表明,数值计算结果与实验数据、LS-DYNA模拟结果基本吻合,证明所建立的泡沫铝流体弹塑性本构方程可以用来描述泡沫铝的冲击响应行为,且泡沫铝对水中爆炸冲击波压力场的影响显著。     

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。     

水下近距爆炸作用下船体梁的动态响应特性

为研究舰船在水下近距爆炸作用下的结构响应及损伤模式,以相似准则为基础,设计了船体梁模型,选用4种不同能量结构的炸药,将其置于模型中部正下方爆炸,通过改变药量和爆距,实验研究了船体梁在近距爆炸作用下的动态响应特性。利用高速摄影技术观察了模型的整个运动过程,结合实验数据定量分析了结构的应变和加速度响应特性,比较了冲击波和气泡脉动对结构的损伤特点。研究发现:近距爆炸气泡脉动会使结构下方形成一个低压流体区,该低压区的存在会使模型受到中垂弯矩作用,并可能使其发生中垂弯曲破坏;随着爆距的增大,爆炸能量与损伤效果之间的相关性变得明显;近距条件下,为了发挥爆炸气泡的最大破坏作用,爆距应该接近于最大气泡半径。     

非球形水下爆炸气泡坍塌机制

 为研究非球形水下爆炸气泡的坍塌机制和射流特性,采用水下爆炸实验和数值模拟相结合的手段,研究了典型的柱形装药自由场水下爆炸气泡的运动过程。实验结果与数值模拟结果符合较好,通过对比发现,非球形水下爆炸气泡坍塌所形成的射流与球形气泡坍塌射流的行为存在差异。研究结果表明：非球形气泡的坍塌过程与气泡初始形态的局部曲率半径有关,初始气泡表面曲率半径大的区域的初始膨胀速度较曲率半径小的区域的小,坍塌时刻也较早,导致气泡产生非球形坍塌。     

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。     

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。     

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。     

船舶典型结构损耗因子试验及应用研究

损耗因子是衡量系统阻尼特性并决定其振动能量耗散能力的重要参数,对船舶水下噪声预报分析具有重要影响。针对船舶结构特点,选取内底板、舱壁板和甲板等典型结构建立试验模型,基于瞬态衰减法,对船舶典型结构损耗因子进行测试,分析、掌握其特性规律。在此基础上,开展船舶典型结构损耗因子水下噪声预报应用研究,结果表明,损耗因子对船舶水下噪声具有较大影响,进行船舶水下噪声预报时需开展相关损耗因子测试。     

水中空气隔层衰减冲击波性能研究

 根据鱼雷对舰船毁伤的特点,建立了多介质水下爆炸数值模型,提出了交界面处理及广义光滑长度计算方法,编制了多介质水下爆炸计算程序,并对水下爆炸空气隔层衰减冲击波的性能进行了定量分析。结果表明：无论是接触爆炸还是非接触爆炸,空气隔层均可有效衰减冲击波,并且接触爆炸中空气隔层衰减冲击波的效果更好,最大可使冲击压力峰值降低约55%;空气隔层厚度与爆炸厚度之比为1时便可达到较好的衰减冲击波效果,继续增加空气隔层厚度对衰减冲击波效果影响不大。研究结果可为舰船结构防护及防雷舱的结构设计提供参考。     

固支方板对水中爆炸作用的动态响应研究

 分析研究了在装药水中爆炸产生的强冲击载荷作用下固支方板的塑性动力响应过程。通过对水中爆炸理论和板的大变形理论分析，应用能量原理和Lagrangian函数，推导出反映固支方板在冲击载荷作用下变形的最终挠度的解析解。水中爆炸对固边方板破坏的实验在自制的水箱中进行。对不同的装药重量和炸距情况下方板的变形情况进行了理论计算，并对实验结果和误差来源进行了分析。实验结果和理论结果具有较好的一致性。     

舰船水下接触爆炸数值研究

计及船体外板的材料强度,基于SPH算法建立水下接触爆炸数值模型,提出混合密度、广义光滑长度等解决数值模拟中计算崩溃的问题,对舰船的水下接触爆炸进行数值模拟,计算结果和冲击波基本理论及接触爆炸试验吻合良好.结果表明,接触爆炸时钢结构会产生圆形冲塞破口,其破口大小和炸药的厚度接近,当板与炸药的正则化厚度达1.8时,板仅会发生较大的塑性变形而不会冲塞破坏.并得到钢的反射系数约为1.2,及接触爆炸钢板的近似变形公式.     

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     

光纤探针应用于爆速测试实验研究

为研究光纤探针应用于炸药爆速测试的可行性及其在冲击作用下的响应特性,开展了梯黑铝（THL）炸药和混合B炸药爆轰实验、冲击作用下光纤响应实验。分别采用直径0.063 5 mm、前端带聚光准直凸透镜的玻璃光纤探针和直径1 mm、前端不带聚光准直凸透镜的塑料光纤探针,测定爆轰过程化学反应阵面传播速度。结果表明:两者都能够准确测定约7 000 m/s的炸药爆轰速度,测量不确定度2%。另外,采用直径1 mm、前端不带聚光准直凸透镜的塑料光纤探针,记录强冲击波作用下光纤响应信号,验证了强冲击产生的高压高温作用下的黑体辐射现象。因此,光纤探针能够准确测定炸药爆轰速度,且在冲击作用下出现色温现象,即黑体辐射现象。     

加载波前沿宽度对铝表面微射流的影响

利用光滑粒子流体动力学方法,计算了金属表面沟槽在冲击下的微射流现象,详细讨论了微射流对加载波前沿宽度的依赖性. 计算结果表明：随加载波前沿宽度增加, 射流质量和头部速度都减小,同时低速喷射物所占比例增大. 对结果分析得出,微射流由沟槽斜面粒子在冲击加卸载后获得轴向速度,并在对称轴附近碰撞形成;射流体由沟槽斜面的金属薄层构成;当加载波前沿变宽,形成射流的金属层变小,这是由于沟槽斜面粒子的碰撞速度降低,碰撞角度增大,部分粒子碰撞时不满足射流强度封锁条件,而不再形成射流. 关键词： 微射流 光滑粒子方法 加载波前沿     

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。