一种面向舰船结构毁伤的大变形流固耦合数值计算方法

水下爆炸导致舰船结构毁伤是一个复杂的非线性大变形流固耦合过程,高精度的流固耦合计算是获得高置信模拟结果的关键。基于浸没边界思想,本文提出一种面向大变形壳理论的流固耦合数值方法,可精确刻画流固耦合界面并高效求解流固界面约束方程。基于该方法,本文提出了完整的适用于水下爆炸舰船结构毁伤的大变形流固耦合数值计算方案,并基于大规模并行编程框架,研发形成适用于舰船结构毁伤的流固耦合大规模并行计算软件。与泰勒平板理论解和水下爆炸结构冲击响应实验数据等进行对比表明,本文方法可有效模拟大变形流固耦合工程问题,具备较高数值求解精度。在此基础上,完成了水下爆炸整船结构毁伤过程大规模数值模拟。该方法可有效应用于舰船毁伤等级评估,应用前景广阔。     

结构爆炸毁伤的浸没多介质有限体积物质点法

结构在爆炸载荷作用下的毁伤现象涉及强非线性激波、固体结构极端变形和破坏破碎、强流固耦合, 给数值计算方法带来了极大的困难与挑战. 针对结构爆炸毁伤问题, 建立了浸没多介质有限体积物质点法(iMMFV-MPM), 采用基于黎曼求解器的多介质有限体积法(MMFVM)模拟爆炸产物和空气的多介质流体, 采用物质点法(MPM)模拟固体结构, 并将提出的基于拉格朗日乘子的连续力浸没边界法(lg-CFIBM)扩展到多介质流体中以处理流固耦合边界条件. 该算法在每个时间步严格满足流固耦合界面处的速度边界条件及动量守恒方程, 不需要重构流固耦合界面, 能够有效地模拟近场爆炸下爆炸产物与结构的相互作用、激波与结构的相互作用和演化以及结构的动态断裂和拓扑变化. 利用iMMFV-MPM对近场爆炸下方形钢筋混凝土靶板的失效模式、外爆载荷下建筑物的毁伤现象以及多腔室内爆炸试验进行了模拟, 模拟结果与相关实验数据吻合良好, 验证了所建立的流固耦合算法的有效性及精度.      

一种基于黎曼解处理大密度比多相流SPH的改进算法

多相流界面存在密度、黏性等物理场间断,直接采用传统光滑粒子水动力学(smoothedparticle hydrodynamics,SPH)方法进行数值模拟,界面附近的压力和速度存在震荡.一套基于黎曼解能够处理大密度比的多相流SPH计算模型被提出,该模型利用黎曼解在处理接触间断问题方面的优势,将黎曼解引入到SPH多相流计算模型中,为了能够准确求解多相流体物理黏性、减小黎曼耗散,对黎曼形式的SPH动量方程进行了改进,又将Adami固壁边界与黎曼单侧问题相结合来施加多相流SPH固壁边界,同时模型中考虑了表面张力对小尺度异相界面的影响,该模型没有添加任何人工黏性、人工耗散和非物理人工处理技术,能够反应多相流真实物理黏性和物理演变状态.采用该模型首先对三种不同粒子间距离散下方形液滴震荡问题进行了数值模拟,验证了该模型在处理异相界面的正确性和模型本身的收敛性;后又通过对Rayleigh--Taylor不稳定、单气泡上浮、双气泡上浮问题进行了模拟计算,结果与文献对比吻合度高,异相界面捕捉清晰,结果表明,本文改进的多相流SPH模型能够稳定、有效的模拟大密度比和黏性比的多相流问题.      

多相流动的光滑粒子流体动力学方法研究综述

光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)具有粒子方法的无网格和全拉格朗日特征, 适用于具有界面大变形、不连续性和多物理场的多相流的高精度模拟. SPH方法模拟多相流已有大量报道, 具体的实现方式也大不相同. 本文首先阐述了采用SPH方法模拟流体的基本控制方程, 以及求解过程中需要考虑的流体压力求解、表面张力、固体边界等问题. 整理和总结了基于SPH方法进行多相流模拟的主要实现方式: (1)双流体模型的拉格朗日求解器: 两相离散为两组独立SPH粒子, 并用显式相间作用耦合两相; (2)多相SPH方法: SPH方法对多相流模拟的自然延伸, 相间作用由SPH参数隐式描述; (3) SPH与其他离散方法的耦合: 差异较大的两相各自采用不同离散方法, 发挥不同拉格朗日方法的优点; (4) SPH和基于网格方法的耦合: 网格方法处理简单的单相流动主体, 获得精度和效率间的平衡. 另外, 还在模拟参数物理化等方面论述了与SPH方法模拟多相流相关的一些改进和修正方法, 并在最后讨论和建议了提高多相流SPH模拟效率和精度的措施.      

一种基于黎曼解处理大密度比多相流SPH的改进算法

多相流界面存在密度、黏性等物理场间断,直接采用传统光滑粒子水动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)方法进行数值模拟,界面附近的压力和速度存在震荡.一套基于黎曼解能够处理大密度比的多相流SPH计算模型被提出,该模型利用黎曼解在处理接触间断问题方面的优势,将黎曼解引入到SPH多相流计算模型中,为了能够准确求解多相流体物理黏性、减小黎曼耗散,对黎曼形式的SPH动量方程进行了改进,又将Adami固壁边界与黎曼单侧问题相结合来施加多相流SPH固壁边界,同时模型中考虑了表面张力对小尺度异相界面的影响,该模型没有添加任何人工黏性、人工耗散和非物理人工处理技术,能够反应多相流真实物理黏性和物理演变状态.采用该模型首先对三种不同粒子间距离散下方形液滴震荡问题进行了数值模拟,验证了该模型在处理异相界面的正确性和模型本身的收敛性;后又通过对Rayleigh–Taylor不稳定、单气泡上浮、双气泡上浮问题进行了模拟计算,结果与文献对比吻合度高,异相界面捕捉清晰,结果表明,本文改进的多相流SPH模型能够稳定、有效的模拟大密度比和黏性比的多相流问题.     

舱段结构在气泡射流作用下的毁伤效果

为研究水下爆炸气泡载荷对船舶局部结构的毁伤效果,设计建造了实尺度舱段模型,并进行水下 爆炸实验,测量了水中压力、气泡脉动周期、舱段外板结构的动应变与塑性变形。分析了不同冲击因子作用下 舱段结构的动态响应,并结合水中压力测量结果,探讨了气泡射流的成因。在此基础之上,分析了气泡射流载 荷的影响范围以及外板在不同载荷作用下的毁伤模式。实验结果表明,相比冲击波载荷,在某些情况下射流 冲击载荷引起的结构响应更剧烈,毁伤效果更严重,因此在中近场水下爆炸作用下,气泡射流冲击载荷对船体 结构的影响不能忽视。     

流固耦合破坏分析的多分辨率PD-SPH方法

流固耦合破坏是一类涉及结构变形与破坏以及复杂自由表面现象的强非线性力学问题. 结合近场动力学(peridynamics, PD)与光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)各自的优势并考虑其计算效率问题, 提出一种适用于分析流?固耦合破坏问题的多分辨率PD-SPH混合方法. 分别采用SPH和PD方法以不同的空间和时间分辨率对流体和结构进行离散与求解, 利用具有与流体粒子相同光滑长度的虚粒子处理流?固界面, 以高精度满足界面边界条件. 通过两个经典算例: 液柱静压力下弹性板的变形和溃坝流体冲击弹性闸门的变形问题, 表明提出的多分辨率PD-SPH方法兼具较高的计算精度和计算效率; 对含裂缝的Koyna重力坝水力劈裂问题进行模拟计算, 所得裂缝扩展路径与文献结果吻合, 说明该方法适用于涉及结构破坏的流固耦合问题仿真. 最后尝试采用该方法进行流体冲击作用下含裂纹混凝土板崩塌过程数值仿真, 准确描述混凝土板的断裂破坏和全过程中的流体运动. 多分辨率PD-SPH混合方法或可为流?固耦合作用下的结构损伤破坏仿真提供一种新选择.      

一种冲击波作用下结构毁伤算法研究

针对爆炸冲击波与建筑物结构相互作用过程,分析了冲击波与结构碎块作用机理,发展了一种能够模拟建筑物结构破坏及冲击波传播过程的计算模型和方法。采用建筑物结构工程毁伤载荷作为判据,处理结构在冲击波作用下的破坏问题;利用流固耦合界面算法处理结构运动引起的泄压效应,利用“虚拟网格通气技术”处理结构碎块对冲击波的阻碍作用,模拟了冲击波作用下典型建筑物的毁伤过程及冲击波传播过程。结果表明,该模型在模拟冲击波与结构的作用过程中,压力计算结果与非结构动网格模拟结果符合较好;在典型建筑物毁伤过程的数值模拟中,计算得到的建筑物毁伤效果和冲击波超压分布与建筑物物理毁伤特点符合。     

基于相变松弛法则的水下爆炸空化模型研究

水下爆炸过程中存在着大量的空化现象,空化的产生、演化及其溃灭过程对于水下冲击波传播、爆炸气泡运动以及水下结构物冲击损伤都会产生重要影响。本文基于多相可压缩流体理论模型,考虑空化发生过程中汽-液两相流体亚平衡状态下两相之间发生的热力学-化学平衡机制,分析汽-液两相介质之间的质量和热量交换,从而实现对相变过程的自动捕捉。该系统的控制方程采用分步法处理,首先利用二阶MUSCL-Hancock格式和HLLC黎曼求解器来求解齐次双曲型方程,再采用牛顿迭代法求解相变方程。数值测试结果表明,本文的计算模型对于空化相变过程具有较好的捕捉能力。最后将该模型应用到水下近水面爆炸空化的数值模拟当中,研究发现空泡的溃灭压力峰值约为冲击波压力峰值的15%,有效作用时间是冲击波载荷有效作用时间的2倍以上。本文的空化相变模型能够为水下爆炸空化现象的机理研究提供重要支撑。     

水下爆炸载荷作用下环肋加筋圆柱壳结构的弹塑性动力屈曲

为研究水下爆炸载荷作用下潜艇结构的动力屈曲现象,以潜艇耐压结构的简化模型环肋加筋圆 柱壳结构为研究对象,建立流固耦合有限元分析模型,应用瞬态有限元分析程序MSC.Dytran对该结构在水 下爆炸冲击载荷作用下的弹塑性动力屈曲行为进行研究,基于Budiansky-Roth准则和Southwell方法确定环 肋加筋圆柱壳结构的临界屈曲载荷,讨论结构动力屈曲的影响因素如载荷强度、网格密度、径厚比、长径比、加 筋截面间距、加筋尺寸等对环肋加筋圆柱壳结构动屈曲模态和临界屈曲载荷的影响。结果表明:采用建立的 流固耦合有限元分析模型,应用动力瞬态有限元软件MSC.Dytran可以对加筋圆柱壳结构的动力屈曲行为进 行模拟,模型网格尺寸大小、结构几何参数对结构的动力屈曲临界载荷都有一定的影响,其中加筋圆柱壳结构 的径厚比对结构的动力屈曲临界载荷影响最为显著。     

水下爆炸作用下基于声学的爆源子结构输入方法

无限域吸收边界和爆炸波输入是水下爆炸载荷数值模拟的两个关键问题.本文借鉴基于内部子结构的地震波动输入方法和爆源子结构多尺度分析方法,考虑水下爆炸载荷与地震载荷同属于波动问题,提出一种水下爆炸作用下爆源子结构的爆炸波输入方法,该方法首先通过对爆源区域进行水下爆炸波自由场的波场分解,并利用地震波的内部子结构输入方法,将该自由波场运动转换为等效爆炸波输入载荷,从而实现了水下爆炸问题中冲击波的输入;本文采用圆形爆源子结构区域,并采用AUTODYN软件中一维自由场模型计算水下爆炸作用下该区域的自由波场压力时程.进一步,基于连分式近似方法提出了一种模拟无限域水体辐射效应的高精度时域人工边界条件,该吸收边界可设置于离结构和爆源子结构较近处.本文提出的分析方法通过圆形爆源子结构进行水下爆炸载荷的转化,并采用高精度吸收边界大大减少计算区域,既保证了计算精度,又降低了单元数量,具有较高的计算效率和较强的实用性.通过数值算例分析,验证了本文模型与方法的准确性,模拟了水下爆炸作用下的冲击波和气泡脉动阶段测点的压力时程曲线,并研究了圆形结构对水下近场爆炸波散射效应的影响规律.     

水下爆炸下典型舰船结构整体损伤模式表征方法及图谱研究

随着舰船抗爆炸冲击总体结构优化设计及水中兵器攻击效能评估研究的深入,建立水下中近距非接触爆炸作用下舰船整体损伤模式的快速判定方法尤为重要。通过Abaqus软件建立了爆炸冲击波和气泡联合作用下舰船结构整体损伤特性的数值模拟方法并进行了实验验证;分析了水下爆炸载荷强度及舰船结构强度等参数变化对结构整体损伤模式的影响,提出了综合反映爆炸冲击波和气泡联合作用的新型冲击强度因子C₄,表征舰船结构总体强度的结构强度因子S,初步构建了舰船整体损伤模式分布图谱C₄-S。研究结果表明,建立的数值方法能较好预测舰船结构整体损伤模式和总体变形,误差不超过10%;提出的两类因子能分别合理表征水下爆炸强度和舰船结构强度,构建的损伤模式分布图谱能较好区分不同爆炸强度、舰船结构强度下的舰船整体中拱、中垂、鞭状损伤模式,可实现对水下爆炸下舰船整体损伤模式的快速判定。     

离心机水下爆炸缩比实验原理及数值研究

对离心机水下爆炸缩比实验方法进行探究,对离心机水下爆炸缩比实验的相似理论进行了推导,通过数值计算分析,探究了原模型、离心机缩比实验及常规缩比实验的冲击波载荷、气泡载荷以及气泡动力学行为。结果表明:常规缩比实验不能对气泡行为及垂直方向的近场载荷进行准确的预报,若要保证远场气泡脉冲峰值误差小于10%,则爆距需大于9.5倍气泡最大半径。而离心机缩比实验能够对原模型进行准确的预报,以小当量装药模拟大当量装药水下爆炸整个物理过程,且冲击波和气泡两个阶段完全相似。同时,水深也可以进行几何缩比,克服了常规缩比方法的缺陷。     

3D numerical simulation on fluid-structure interaction of structure subjected to underwater explosion with cavitation

In the underwater-shock environment,cavitation occurs near the structural surface.The dynamic response of fluid-structure interactions is influenced seriously by the cavitation effects.It is also the difficulty in the field of underwater explosion.With the traditional boundary element method and the finite element method(FEM),it is difficult to solve the nonlinear problem with cavitation effects subjected to the underwater explosion.To solve this problem,under the consideration of the cavitation effects and fluid compressibility,with fluid viscidity being neglected,a 3D numerical model of transient nonlinear fluid-structure interaction subjected to the underwater explosion is built.The fluid spectral element method(SEM) and the FEM are adopted to solve this model.After comparison with the FEM,it is shown that the SEM is more precise than the FEM,and the SEM results are in good coincidence with benchmark results and experiment results.Based on this,combined with ABAQUS,the transient fluid-structure interaction mechanism of the 3D submerged spherical shell and ship stiffened plates subjected to the underwater explosion is discussed,and the cavitation region and its influence on the structural dynamic responses are presented.The paper aims at providing references for relevant research on transient fluid-structure interaction of ship structures subjected to the underwater explosion.     

冲击波和气泡作用下舰船结构动态响应的数值模拟

针对水下爆炸载荷、瞬态流固耦合效应在舰船水下爆炸数值模拟中的困难,在现有水下爆炸载荷计算模型(Geers and Hunter)的基础上,结合边界元法,修正水下爆炸气泡载荷计算方法.针对用二阶双渐近法(the second-order doubly-asymptotic approximation,DAA2)在处理低频...     

Effect of a rigid structure on the dynamics of a bubble beneath the free surface

The coupling effect between a pulsating bubble and a free surface near a rigid structure is a complicated physical process. In this study, the evolution of an underwater explosion bubble and the free surface near a rigid structure is modeled by the boundary integral method. An approach of “double-node method” is used to maintain the stability of fluid-structure junction in the simulations, and meshes on the free surface and the structure are transformed to an open domain to ensure the calculation accuracy and efficiency. Validations are conducted against an underwater explosion experiment near a rigid structure. As a result, the simulations trace the jetting behavior of the bubble and the rise of the free surface. Finally, the bubble migration and the height of the free surface for different structure draughts are analyzed.     

水下爆炸非均熵二维定常流的三族特征线解法

针对二维定常可压缩超声速非等熵柱状流,提出一种特征线差分解法,通过在沿马赫线的相容方程中添加沿流线的熵变项以描述非等熵效应,得到等熵流和非等熵流均适用的三族特征线方程组。根据水下爆炸近场特点,建立无限长柱状装药的定常模型,将三族特征线方程组用有限差分法离散求解,通过构造合适的网格保证计算格式可以数值上收敛,由此编制程序并计算几种柱状炸药的水下爆炸近场冲击波。对比有限元模拟结果和实验结果发现,特征线差分法可以比较准确地捕捉冲击波形状并计算冲击波后流场,从而验证了所提出的三族特征线差分法的准确性。     

水下爆炸对沉箱重力式码头毁伤效应

通过开展不同爆距下水下爆炸对沉箱重力式码头模型毁伤效应试验，对水下荷载进行了采集分析，对毁伤因素、毁伤模式和毁伤机理开展了研究，初步讨论了爆距的影响。结果表明:试验中未形成完整的气泡脉动过程，荷载超压主要出现在冲击波传播阶段，爆炸冲击波、水底反射波和侧壁反射波是主要的毁伤因素；水下爆炸对沉箱重力式码头造成的毁伤程度大、模式多、机理复杂，主要毁伤部位为迎爆面外墙、迎爆侧管沟、封仓板和面板；爆距越近码头毁伤越严重；当爆距过近时，爆炸能量被迎爆面结构变形大量吸收，迎爆面毁伤程度大幅增大，码头其他部位毁伤程度增幅放缓。     

气泡及其破碎兴波对浮动冲击平台影响探究

基于LS-DYNA软件中的ALE算法，对近水面水下爆炸气泡脉动过程进行数值模拟并与实验结果进行对比，验证了近水面近壁面混合边界有限元模型和参数设置的正确性。设置不同爆炸工况，对气泡及其破碎兴波对浮动冲击平台影响进行探究，结果表明:在水下爆炸过程中，气泡、自由面、浮动冲击平台会发生强烈的耦合作用，在气泡脉动阶段，气泡会诱导出涌流和水冢效应，影响浮动冲击平台的安全性和使用性；冲击波是影响浮动冲击平台冲击环境的主要因素，由于气泡的低频性，气泡脉动及水冢对浮动冲击平台的直接冲击作用，会小幅度增加浮动冲击平台冲击环境的谱速度值、谱位移值，对谱加速度值几乎无影响；水冢抨击水面所形成的波浪和气泡破碎兴波，对浮动冲击平台造成的激励载荷呈周期性，其周期与波浪周期相同。波浪的激励载荷仅通过激励其对应频率的浮动冲击平台共振来改变平台的冲击环境。波浪载荷很小，对浮动冲击平台的冲击环境影响较小。     

柱状含铝炸药水下爆炸近场的特征线法研究

基于之前提出的一种含熵变项的特征线法，通过控制非等熵流中的能量释放来刻画铝粉燃烧的影响，结合简单Chapman-Jouguet模型和JWL-Miller状态方程，计算了柱形含铝炸药水下爆炸的近场参数。对比模拟结果与实验数据，发现这种特征线法可以较好地预测近场冲击波的传播迹线、爆轰产物的膨胀轨迹以及内部压缩波的反射过程。结果表明，这种特征线法可用于含铝炸药水下爆炸的近场计算，进一步可用于评估含铝炸药性能或计算水下能量输出。