水下爆炸研究现状及发展方向展望

水下爆炸研究带有明显的军事目的,在中国越来越受到重视.在对国内外及研究内容进行了归纳分类,并对水下爆炸能量释放及传播规律、水下爆炸毁伤机理与效应评估、水下爆炸测试技术、水下爆炸仿真技术4方面研究内容进行了综述.根据国内外研究进展,对今后水下爆炸研究内容及发展方向进行了展望.     

水下接触爆炸作用下舰船防护结构中液舱影响仿真分析

针对舰船防护结构在爆炸作用下的非线性动态响应,采用数值方法对多层板架结构的抗爆进行研究．借助于有限元程序LS—DYNA中的ALE算法,提出多层舱室、多种介质的多耦合面在爆炸载荷作用下的动态响应仿真计算方法,对三层板壳结构在水下接触爆炸荷载作用下的非线性动态响应过程进行数值仿真．分别对三层空舱和两层空舱、一层液舱及改变液舱中水位的情况进行比较,分析了钢板的破口半径及各层板上单元有效应力、压力、位移等动态参数．仿真结果表明液舱的设置可以提高多层板壳结构的抗爆抗冲击性能,并且适当减少液舱中的水,不会影响其抵抗爆炸载荷的能力．     

爆炸冲击波对大型复杂舰船结构毁伤效应数值模拟研究

采用有限元软件针对大型复杂舰船在战略武器大当量爆炸冲击波作用下的毁伤效应进行数值模拟研究.建立某航母结构1∶1有限元模型,采用CONWEP方法施加爆炸载荷,研究舰船的动态响应特征,主要分析爆炸当量、冲击波强度等因素对舰船毁伤模式和甲板变形破坏等级的影响.研究结果表明,随着爆炸冲击波传播距离增加,其强度沿飞行甲板表面以指数形式衰减,沿不同层甲板则呈现近似线性衰减特征.随着爆炸当量和冲击波强度的增加,舰船甲板变形破坏等级逐渐增加,舰船毁伤模式由局部塑性变形毁伤逐渐转变为总纵强度毁伤模式,接触爆炸时还会发生结构破损总纵剩余强度毁伤.在小当量爆炸且冲击波强度超过1.0 MPa时,飞行甲板、吊舱甲板和机库甲板会随着冲击波超压强度的增加而逐渐失效;在中等当量且冲击波超压强度超过0.2 MPa时,飞行甲板、吊舱甲板在爆炸后基本失效,机库甲板的功能将受到严重影响;在大当量爆炸且冲击波超压强度达到0.2 MPa时,三层甲板均发生局部区域完全失效.相关研究方法有助于大型复杂舰船结构在大当量爆炸冲击波作用下的毁伤效应评估.     

水下爆炸载荷作用下隔振系统与舰船结构的动态响应分析

本文利用理论公式和ANSYS瞬态响应计算方法,计算舰船结构与隔振系统在水下爆炸冲击波与气泡脉动作用下的冲击响应。分析结果表明：隔振系统可以有效地隔离来自基础的冲击能量。相对于爆炸冲击波,气泡脉动压力对隔振系统的影响更大;而对船底内表面则正好相反。     

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.      

沉底水下爆炸作用下舰船结构动响应数值模拟

该文利用ABAQUS软件,对某实船模型在沉底水下爆炸载荷作用下的动响应进行了数值模拟.结果显示将沉底水下爆炸载荷等效成无限流场载荷的1.7倍是可行的,而纵向应变峰值跟结构的材料属性和结构方式有很大关系,材料厚度越大,加筋结构相对密集,则纵向应变峰值越小.     

球形装药水下爆炸初始冲击波能量计算

文中运用流体动力学理论,水中冲击波理论,对某些工业炸药和单质炸药水下爆炸后爆炸气体产物与水交界面初始冲击波参数及初始冲击波能量进行了计算.计算结果可为炸药水下爆炸总能量提供依据.     

舰艇抗冲瓦水下爆炸流固耦合冲击动力学模型

 为更好的反映水下爆炸作用下舰艇抗冲瓦芯层复杂结构动力学特性,基于多自由度动力学、Taylor平板理论一阶DAA法,提出了舰艇抗冲瓦在水下爆炸冲击波载荷作用下的流固耦合与冲击动力学模型。抗冲瓦冲击响应分为3个阶段,I阶段是在冲击载荷作用下的一维流固耦合开始阶段,水中气穴开始产生;II阶段芯层开始被压溃,但此时抗冲瓦表层速度开始降低,水质点的附加冲量起到重要作用;III阶段是从减速到回弹阶段,抗冲瓦在弹性恢复力和流体阻尼共同作用下产生减速和反弹。3个阶段的理论模型揭示了水下爆炸作用下抗冲瓦的冲击响应过程。通过理论模型和算例研究发现,所提出的模型能很好的反映具有复杂芯层结构的抗冲瓦在水下爆炸冲击波作用下的缓冲与耗能机理,抗冲瓦芯层密度对其缓冲效果影响显著。这些性能特点可以用于在给定质量情况下对抗冲瓦进行几何优化设计。     

药型罩曲率半径对周向线性多爆炸成型弹丸成型性能及毁伤效应的影响研究

为了研究药型罩曲率半径对周向线性多爆炸成型弹丸MEFP(multiple explosively formed projectiles)的成型性能以及毁伤效应的影响,使用仿真软件LS-DYNA模拟了具有不同曲率半径的周向线性MEFP的成型过程,并通过战斗部试验验证了曲率半径对周向线性MEFP的毁伤效应的影响规律。数值模拟以及战斗部试验结果表明:调整药型罩半径与装药直径比值在1.0~1.2之间时,弹丸的长径比更大,压合程度更高,穿靶率也更高。依据仿真及试验结果,在药型罩其它参数不变的情况下,调整药型罩半径与装药直径比值在1.0~1.2之间时可形成长径比更高的密实弹丸,从而进一步提高周向线性MEFP的毁伤效应。     

水下爆炸载荷下充水多壳体结构动态响应计算方法

海军潜艇结构中,采用多壳体结构是一种新的结构设计形式.多壳体结构由轻外壳和多个耐压壳结构组成.当其遭受水下爆炸冲击时,由于舷间流体和多耐压壳结构的存在,使得冲击载荷的传播机理更加复杂,至今尚未建立合理可行的工程化方法进行描述.针对该复杂传播过程,在2阶双重渐进近似方法（DAA2）基础上,对内流场采用空化声学元（CAFE）,推导出其流固耦合控制方程,然后采用经典充水3维球壳问题进行验证,精度良好.最后,开展多壳体结构舱段动响应试验验证,分别从速度、加速度和冲击环境进行计算和试验数据比对,研究结果表明精度良好,验证了计算方法的正确性.      

水下爆炸载荷下多层金字塔夹芯板动态响应研究

研究金属夹芯板在水下爆炸冲击下的动态响应规律和抗冲击性能,对提升舰船防护能力有重要意义. 利用等效水下爆炸冲击加载实验装置对双层金字塔点阵夹芯板进行实验,得到了其动态响应规律;结合ABAQUS流固耦合仿真对实验进行模拟,结果与实验误差较小,验证了仿真的有效性. 针对不同参数的多层夹芯板,利用仿真分析了其不同的响应规律,结果表明:多层夹芯板比单层夹芯板有更强的抗冲击性能;夹芯板面板总厚度一定时,拥有较薄前面板和较厚后面板的夹芯板抗冲击性能更强;对于三层夹芯板,其密度排列顺序为BAC和ABC时后面板变形更小,CBA排列的夹芯板抗冲击性能最弱.      

水下爆炸冲击波作用下多层圆柱壳的动响应

研究了无限域流场中球形药包爆炸时两端简支多层圆柱壳在水下爆炸冲击波作用下的动响应．由于假定流场是无旋、无粘和不可压缩的，故可用Ｌａｐｌａｃｅ方程加以描述；而在圆柱壳的运动方程中考虑了流体动压力和冲击波压力的共同作用．利用Ｇａｌｅｒｋｉｎ方法对耦合方程进行简化并数值求解，得到了多层圆柱壳在水下爆炸冲击波作用下的响应特性．     

舰船设备水下爆炸冲击模拟器机理与仿真

提出一种新型的舰船设备水下爆炸冲击环境模拟器--双波冲击试验机,它能够产生正负加速度脉冲对舰船设备进行冲击试验.分析了冲击机正负波产生的机理.建立了其非线性动力学模型,并采用龙格-库塔数值计算方法对机理模型进行数值求解.数值仿真结果表明,该试验机能够模拟BV043/85规范要求的正负加速度脉冲和冲击响应谱,并为实际建造重型冲击试验机系统提供理论依据和设计参考.     

汽车爆炸毁伤特征的实验研究

汽车爆炸在涉爆案事件中越来越常见. 为有效打击国内外恐怖分子,支持汽车爆炸案预防、刑侦与破案工作,本文针对轿车车型进行了爆炸毁伤特征的现场实验研究. 实验分别在汽车底部中心,后备箱中心,驾驶座下引爆炸药. 爆炸过程中两个高速摄影通道记录爆炸毁伤动态过程,同时利用冲击波超压测试系统分析外场不同方向的超压分布规律,并进行了车身壁面压力测试. 实验获得大量汽车爆炸毁伤图像及碎片落点数据,得到较为准确的超压分布数据和部分车身壁面超压状态. 本研究获得了不同炸点位置对汽车爆炸毁伤的影响,以及超压分布等信息,可有效支撑汽车爆炸案事件的现场还原和侦破工作.     

活性弹丸对混凝土靶的毁伤效应实验研究

设计并制备了由活性材料内核（PTFE/AL）、高强度钢外壳组成的活性弹丸,基于25 mm口径弹道炮发射平台进行了该弹丸对混凝土靶的毁伤效应实验.实验结果表明：在941~1 679 m/s着速下,活性弹丸撞击混凝土靶后均发生了剧烈爆燃反应.从混凝土成坑效应结果可以看出,活性弹丸毁伤效果比同规格惰性材料内核（PTFE）弹丸有大幅提高.活性弹丸依靠自身动能与强度侵入混凝土靶体,侵入过程中活性材料内核在靶体内部爆炸并释放大量化学能,这种“侵爆耦合效应”是造成混凝土靶高效毁伤的主控机制.     

壳体结构受水下爆炸的危害距离讨论

研究了圆柱壳体受爆炸冲击波和初始静压力作用下发生屈曲的爆炸距离，根据壳体失稳给出抗水下爆炸的一种危害距离的估算方法，其结果与实验值相符。     

爆炸冲击波对目标群毁伤概率的建模与计算

为了有效毁伤实战中的重点目标群,针对目标群特性进行了分析,并结合目标群的特点,对目标要害部件的等效简化和对冲击波与要害部件的交会进行分析,建立了爆炸冲击波毁伤目标群的概率计算模型.在给定弹道参数、战斗部结构和装药条件下,利用此模型计算了目标群毁伤概率随圆概率偏差、爆炸高度和不同瞄准点等变化的规律,并分析了这些因素对毁伤概率的影响,结果表明爆炸冲击波对目标群的超压毁伤效果显著.计算和分析的结果可为战斗部的优化设计和效能评估提供参考依据.     

近自由面水下爆炸气泡与破损结构耦合作用机理研究

近自由面水下爆炸气泡的动态特性非常复杂,研究其与破损结构的耦合作用机理对于发挥武器的二次攻击毁伤能力具有重要的意义. 基于耦合欧拉-拉格朗日方法,建立了近自由面水下爆炸模型,讨论了（不）完整直角结构近自由面水下爆炸过程中气泡的动态特性,揭示了近自由面水下爆炸气泡与破损结构耦合作用机理. 首先建立近自由面水下爆炸模型,将气泡形态、最大半径、周期等仿真结果与实验数据对比,验证数值模型及计算方法的有效性. 探究了完整和破损结构的存在对近自由面水下爆炸气泡动态特性的影响,发现结构与自由面的共同作用使得气泡出现射流偏折、水冢一侧凹陷和气泡破碎等现象. 结果显示破口尺寸参数γ在0.070~0.085区间内,气泡在结构一侧将形成倾斜射流,破口尺寸的增大对射流的头部宽度、头部速度和倾斜角度呈现明显的正向影响.      

舱室在爆炸冲击载荷作用下的结构毁伤研究

为了研究舰船舱室在反舰导弹作用下的毁伤效果,模拟典型舱室进行数值仿真。分析了爆轰波和冲击波的破坏模式,研究了在爆炸冲击载荷作用下的舱室响应过程;同时结合材料失效原理,给出破坏准则。数值模拟结果表明:舱室是封闭空间,弹药爆炸产生的爆轰波和冲击波在舱壁面上多次反射;由于角隅部位汇聚冲击波而受到的超压作用要大于舱室壁面,所以破坏的部位首先出现在甲板中心到与围壁之间的角隅部位。舱室的主要破坏模式是沿着角隅部位开裂,最终舱室发生解体。通过模拟不同厚度的舱室结构可知,装药量一定时,舱壁越厚舱室抗爆能力越强。     

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。