水下爆炸冲击波的数值模拟研究

应用商业有限元程序MSC.DYTRAN数值模拟了球形药包在无限水域中爆炸产生的冲击波。通过和经验公式计算结果的比较,证明采用合理的计算参数和有限元模型能够较好地模拟水下爆炸冲击波的传播过程。通过调整水的状态方程参数,达到了提升冲击波峰值应力的效果,从而有效地降低了单元数量和计算时间。     

近边界三维水下爆炸气泡动态特性研究

模拟了近壁、近自由面的水下爆炸气泡的非线性动态特性,假定水下爆炸气泡脉动阶段的流场是无旋、不可压缩的,采用高阶曲面三角形单元离散三维气泡表面,用边界积分法求解气泡的运动,在计算奇异积分时通过重新构造双层位势的主值积分消除双层奇异积分的奇异性,得到更精确的结果,并通过合理的加权方法精确的求解边界面上各节点的真实速度,结合弹性网格技术（elastic mesh technique, EMT）得到优化速度,在整个模拟过程中不需要采用数值光顺。将本文的三维模型与轴对称模型进行的对比分析表明,两种模型计算结果吻合很好,并用三维模型模拟了气泡与自由表面及圆筒的相互作用,水下爆炸气泡在自由表面及圆筒的联合作用下呈现出强非线性。     

近水面水下爆炸二维Level-set数值模拟

水下爆炸是一个多介质、动边界、瞬态非线性过程,捕捉介质之间交界面的变化是数值模拟的一个难点.本文采用Level-set方法来描述水下爆炸气体产物和流体交界面以及自由表面变化,应用TVD (Total Variation Diminishing) 计算技术求解Level-set流场,首先建立了近水面水下爆炸的二维数值方法,然后,将该方法推广到流场内有刚性结构的情况,考虑了冲击波和刚性结构物的相互作用.为了模拟无限边界流场问题,引进了Thompson建立的无反射边界条件.     

沉底水雷爆炸威力的数值计算

采用冲击波物理中的阻抗匹配镜像线方法处理物质交界面,利用无网格光滑粒子流体动力学法(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法模拟沉底装药的水下爆炸过程,得到了不同方向不同爆距处的峰值压力反射系数,分析了爆炸流场参量分布和变化规律,研究了不同水底砂层厚度和不同装药量对爆炸冲击波传播和流...     

水下爆炸近场峰值压力的数值模拟

为了研究水下爆炸近场内的压力状态,使用SPH (smoothed particle hydrodynamics)方法,采用C-J爆轰模型,对水下爆炸过程进行了数值模拟。通过与峰值压力规律和中场内经验公式的比较,验证了程序的可靠性。对水下爆炸过程进行了波系分析,与不同维数水下爆炸的数值模拟结果进行了对比研究。结果表明:比距离R/a=6是波形变化的一个分界点,在R/a<6的近场范围内,峰值压力的拟合分为两段更合适。另外,对数值结果的ln Pm-ln(R/a)曲线进行了分段幂次拟合,得到了与数值模拟结果非常吻合的拟合曲线。     

水下爆炸近壁面流场局部空化形成机理

为深入认识水下爆炸近壁面流场局部空化的形成机理,采用自行研制的转镜式分幅相机,获得了炸药水下爆炸近壁面流场局部空化效应的光学图像,结合数值模拟和Taylor平面波理论、空泡动力学理论,分析了近壁面空化效应的形成过程。结果表明：界面反射的稀疏波作用和水中空化核的膨胀发展是水下爆炸近壁面流场空化效应形成的原因;外界流场压力对空泡初期膨胀运动影响较小,对空泡后期运动行为影响较大;低压环境下不同尺度空泡的运动行为存在较大差异,小尺度空泡（半径小于10μm）在低压环境下处于快速膨胀、溃灭状态,对流场空化影响较小;大尺度空泡（半径大于10μm）可失去稳定性,半径持续增大,对流场空化区的形成影响较大;水中不同尺寸空泡空间分布的随机性可导致空化区成长过程中呈现非规则形状。     

水下爆炸焊接和压实

回顾了水下爆炸在军事海战和经济建设方面的应用,并且探索了水下爆炸在工业方面的发展。结合水下冲击波独特的性能,提出了水下爆炸焊接和水下冲击波压实粉末混合物2种加工方法。焊接试样显微组织中典型的波状界面表明水下冲击波对于脆性和薄片材料具有很好的焊接效果。粉末混合物在水下冲击波加载作用下能形成致密体。利用水下冲击波,在纯铜表面制备出了性能优良的弥散强化涂层。涂层内部弥散颗粒分布均匀,高硬度显示了优良的机械性能。     

近水面水下爆炸的数值研究

近水面水下爆炸后形成的冲击波很快与空气一水的自由界面相互作用，产生折射激波和反射稀疏波，这些波在形成初期是规则的，但很快转变为不规则波。伴随冲击波与自由界面的相互作用，水面要上升直至被炸开。这些复杂的物理现象对数值计算提出了很高的要求。本文采用近期发展起来的位标函数方法以及高精度的ＮＮＤ格式来数值模拟冲击波、自由界面的运动及其相互作用，获得了成功，近水面水下爆炸时的一系列复杂的物理现象均得到了合理的再现。与现有的跟踪自由界面运动的方法相比较，本文方法更简洁，更实用。     

关于弹体冲击和贯穿混凝土的三维数值模拟

利用FEM和SPH算法相结合给出弹体冲击和贯穿混凝土的三维数值模拟。将弹体划分为四面体有限元网格,混凝土划分为光滑粒子。为形成单元方便,将弹体划分成三个独立的模块并且这三个独立的模块具有拼凑功能。给出光滑粒子-有限元界面的滑移面算法。为了提高计算效率,在程序的前处理中预设界面的从属点和每个光滑粒子的关联点。计算结果与实验结果对比表明,FEM和SPH算法相结合及编制的程序能有效模拟弹体对混凝土的三维冲击和贯穿过程。同时给出在垂直冲击中二维计算与三维计算的差别。     

水下目标在水下爆炸作用下冲击响应的时频特征

基于某水下目标的抗水下爆炸实验数据,利用小波变换良好的时频局部化性质对监测的水下目标内部装置冲击加速度信号进行时频特征分析,得到了不同频带上冲击信号振动分量的时间历程曲线和能量分布。结果表明,基于冲击信号小波时频特征分析的频带能量可以同时反映冲击振动的强度、频率和持续时间对目标损伤的影响,同时结合不同频带的时间历程曲线可以获得冲击波和二次压力波在不同频带上的分布和衰减的细节信息,由此可确定冲击波和二次压力波各自对目标毁伤的影响。     

水面舰艇舷侧防雷舱结构模型抗爆试验研究

对水面舰艇防雷舱结构模型进行水下抗爆能力系列试验,探讨了有无水中防御结构的利弊及防护效果。系统研究了舰艇舷侧防御结构在水下爆炸载荷作用下的破坏机理,并对防雷舱进行水下抗爆设计。经过一系列的模型试验,证明设计水下舷侧防雷舱结构能够大大减小水下接触爆炸对舰体的破坏作用,防止重要舱室进水,从而使结构的水下抗爆能力得到有效提高。     

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。     

圆柱装药在偏心定向起爆时水中近场压力特性

对UHL-5装药在侧向9点偏心定向起爆和几何中心点起爆时的水下爆炸近场峰值压力分布特性进行实验研究和数值模拟,得到2种起爆条件下不同距离与方位角测点处冲击波峰值压力和侧向9点起爆时的定向增益区域.结果表明,对于5 kg圆柱形UHL-5装药,采用侧向9点偏心定向起爆方式时,在爆距750 mm、方位角90°范围内的流场区域...     

水面舰艇舰员对水下爆炸冲击响应

通过建立站立、坐姿、行走状态下的人体集中参数模型,分析水下爆炸载荷作用下舰员的冲击响应,讨论了水下爆炸冲击强度与人体冲击损伤的关系,并依据常用的损伤标准进行损伤程度的评估,为水面舰艇舰员冲击防护提供指导.     

改进特征线法在水下爆炸正反演问题中的应用

介绍了改进特征线法及其在水下爆炸正反演问题中的应用。将改进特征线法用于TNT炸药球水下爆炸的模拟,并与实验数据和AUTODYN程序的结果比较,结果表明,改进特征线法求解水下爆炸问题具有较好的准确性,且能够捕捉到流场中弱冲击的传播。而后应用改进的特征线法将正问题中的冲击波参数作为初值条件,利用逆序差分格式,对水气界面做反演求解;将反演的水气界面与正问题中的界面作比较,结果显示两者在近场吻合良好。     

夹芯圆柱壳在水下爆炸载荷作用下的抗冲击特性

采用声固耦合方法对夹芯圆柱壳和等质量的普通圆柱壳在爆炸载荷作用下的应变、速度和加速度进行有限元计算。结果表明:夹芯防护层对爆炸冲击波可起到较好的衰减作用,即通过芯层的塑性变形,耗散了冲击过程中产生的大部分能量,对里面的圆柱壳体起到较好的保护作用,由于夹芯防护层的存在,与等质量的普通圆柱壳相比,夹芯圆柱壳能够承受更强的爆炸冲击波,降低结构的整体变形。     

自由场水中爆炸气泡的物理特性

将水中爆炸气泡运动阶段周围流场假设为无粘、无旋、不可压缩的理想流体,运用边界元法模拟自由场中气泡的运动,在气泡运动模拟过程中引入数值光顺技术及弹性网格技术,避免因网格扭曲而导致的数值发散,并开发计算程序。计算值与实验值吻合良好,误差小于10%。从自由场水中爆炸气泡的基本现象入手,基于本文中开发的程序系统地研究了自由场中气泡的动力学特性。对流场中不同方位的压力进行分析,得出气泡中心的迁移方向及射流的攻击方向压力载荷比其他方向均大,说明气泡射流的攻击方向压力载荷最大,对水中结构造成严重毁伤,表明了气泡载荷的不对称性。计算了流场中不同位置的速度变化曲线,结果表明随着距气泡中心距离的增大,气泡运动引起的滞后流的速度迅速减小,且随着气泡的膨胀和坍塌,滞后流的方向逆转,总结了滞后流的衰减及变化规律。     

Similarity research of anomalous dynamic response of ship girder subjected to near field underwater explosion

The final anomalous sag distortion of the ship girder subjected to the near field underwater explosion (undex) below the middle ship is studied. The sinking exercise of Spruance class destroyer DD973 sunk by one MK48 torpedo is first presented, and a simulation model is established. The exponential attenuation phase, the reciprocal attenuation phase, the post reciprocal attenuation phase, and the negative pressure phase of the undex load are precisely applied in this model. The fluid-solid interaction, the added water mass, the gravity, and the change of buoyancy are also taken into account. The similarity theory is then used to analyze the dynamic response of the ship girder. Similarity parameters and theory prediction formulae of the dynamic response of the ship girder are presented. The physical meaning and influences of these similarity parameters are analyzed.