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。     

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。     

水中障碍物爆炸毁伤效应的二维数值模拟

 建立了水下障碍物的爆炸毁伤效应的物理模型和计算模型。建立了守恒方程组、混凝土的动态弹塑性本构关系和破坏准则,并确定了其在大应变、高应变率及高压条件下的的屈服准则。基于多物质流体的Euler算法,用面向对象的C++语言自行编制了NM-MMIC通用多物质二维流体弹塑性程序,对不同炸点位置、不同炸药量对轨条砦爆炸破坏过程进行数值模拟,并采用自行开发的后处理软件VISC2D实现了可视化,定量地反应了障碍物迎爆面所承受的压力变化过程,确定了轨条砦毁伤的最佳药量,并对毁伤程度进行了评价,得到了爆炸破障的毁伤规律。研究结果对设计和评价反水中障碍物的弹药具有一定的参考价值。     

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。     

水下爆炸特性的二维数值模拟研究

 对带有3 mm左右厚铝壳或钢壳的柱形TNT、RS-211、T/Γ（35/65）以及ROT901装药在水下采用一端点起爆后,水中冲击波超压分布进行了二维数值模拟研究。对该四种炸药的每一种,分别考虑了药量为1 kg、3 kg、5 kg和8 kg四种TNT当量的柱形装药情况。柱形装药的长径比为L/D=1.5左右。计算使用的程序为二维欧拉多流体网格法流体力学计算程序MFIC。给出了水中冲击波超压的空间和时间分布;对铝壳和钢壳两种情况的结果进行了分析、比较;同时给出了缩比模型与1∶1模型之间相应物理量之间的缩比关系。     

基于有效冲量的水下爆炸冲击波对平板结构的毁伤准则

为了准确评估水下爆炸冲击波对平板结构造成的毁伤效果,提出以有效冲量作为毁伤准则的威力参量类别,并给出了考虑球面波斜入射效应的平板结构有效冲量计算方法。新准则通过动量守恒方程计算得到的平板结构实际获得冲量对比毁伤效果,表现为冲击波峰压、时间常数以及板结构特征参数的联合形式。借助数值模拟与文献数据,对比分析了准则的准确度和适用性。结果表明：相对于冲击波峰压、比冲量、能流密度等单一威力参量,新毁伤准则在评估平板结构的毁伤程度时误差更小;在对比不同炸药毁伤威力以及预估未知工况毁伤效果两种应用场景中,新准则的相对误差均在10%以内。新提出的毁伤准则用于对比和评估水下爆炸冲击波对板结构的毁伤效果时具有良好的通用性。     

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。     

水下爆炸毁伤水下目标的能量分布特征

 针对某水下目标的抗水下爆炸实验数据,利用小波包良好的时频局部化性质,对被监测水下目标内部装置的冲击加速度信号进行了能量分析,得到了冲击信号的时频分布和不同频带上的能量分布。冲击信号的频带能量分布与目标毁伤的关系密切,选用冲击信号峰值、冲击信号主振频带能量、水下目标内部装置自振频率所在频带能量作为判别因子,建立距离判别模型,对水下目标毁伤情况进行了预测;利用回代估计法对模型的合理性进行了检验。研究结果表明,预测结果与实际结果相符,证明将频带能量作为水下爆炸毁伤水下目标的特征指标是合理的。     

爆炸成型弹丸战斗部不同侵彻着角下的毁伤能力研究

 利用LS-DYNA仿真软件,对爆炸成型弹丸（EFP）毁伤能力与EFP侵彻着角关系进行了研究。结果表明：随着EFP着角从0°增加到40°,EFP侵彻靶板的垂直侵彻深度减小了34.2%,开孔处孔径大小增加了18.2%。侵彻过程中,EFP头部速度与时间呈线性规律变化,并且当EFP着角越大时,头部速度下降趋势越快;EFP垂直侵彻深度与时间先呈线性增长,随后上升趋势变得缓慢;不同侵彻着角下的侵彻参数与时间的关系趋势一致。基于EFP的垂直侵彻理论和杆式弹的斜侵彻理论,结合仿真拟合曲线,得到了EFP垂直侵彻深度与侵彻着角的修正计算公式。     

飞机目标在爆炸冲击波作用下的毁伤效应评估方法

从飞机结构强度设计角度出发,研究了大当量爆炸冲击波作用下飞机目标毁伤效应评估方法。根据飞机结构强度设计准则,确定了典型飞机目标的失效判据。通过有限元分析,获得了典型飞机目标机翼在均布冲击波作用下完全失效的超压值,与试验数据对比表明,该方法具有较好的合理性。在此基础上,考虑动态加载下的结构响应,通过计算不同工况下飞机目标失效的超压值和相应的持续时间,获得了飞机失效的冲击波超压-冲量准则,为后继冲击波对飞机整体毁伤效应评估提供了更为合理的方法。     

EFP水下成型影响因素的数值模拟

由于密度、压力等物理量存在差异,爆炸成型弹丸(EFP)在空气和水中的成型过程差别较大。为了优化水下EFP的设计方案,利用AUTODYN有限元软件开展仿真研究,详细讨论了装药、药型罩及弹前空气域3部分共7个变量对EFP水下成型过程的影响,最终得出适合水下EFP装药的设计参数。根据仿真结果,总质量为1 kg的EFP装药优化后的设计参数:炸药长径比为1.5,炸药种类选择爆速较高的HMX,药型罩材料为紫铜,切向锥角α为145°,壁厚δ为2 mm,弹前空气域长度为3倍装药半径,起爆半径r为0.4倍装药半径。该方案对优化EFP速度、长径比及动能等有较好的效果。     

动能杆对靶板毁伤效应的数值模拟

为了研究不同姿态的动能杆条对靶板的毁伤效应以及杆条姿态对靶板毁伤效应的影响，采用数值模拟的方式，对长径比L/D=10，速度V0=0．8-2km／s的动能杆条在大攻角、大着角范围内的穿甲问题进行了研究。杆条穿靶的示意图如图1(a）所示。图中杆条为20号钢，直径D=φ10，初始质量M0=61．7g，靶板材料为硬铝，厚度H=20mm。杆条速度方向如图所示，     

TNT后燃反应的水下爆炸实验研究与数值模拟

为了研究TNT炸药的后燃反应,采用水下爆炸实验方法和一种增强炸药后燃反应的实验装置,对TNT炸药的能量输出结构进行了研究,计算得到了不同气体氛围下的后燃反应能量。采用Miller能量释放模型,对后燃反应实验结果进行了数值模拟。结果表明:在实验装置中充入空气或氧气,可明显增强TNT炸药的后燃反应能量输出,实测的后燃反应能量随着氧含量的增加而增大,在实验研究范围内后燃反应能量的最大值达到4.90kJ/g,但并没有达到后燃反应能量的理论最大值;冲击波压力时程曲线的数值模拟结果与实验结果基本一致,证明了Miller能量释放模型的可行性。     

水下爆炸气泡脉动周期的简便计算方法

将爆轰产物状态方程与气泡运动方程相结合,提出了一种水下爆炸气泡脉动周期的数值计算方法,能够快速计算不同炸药水下爆炸的气泡脉动周期。结果表明:采用JWL状态方程与采用γ律状态方程的气泡周期计算方法相比,前者计算TNT炸药水下爆炸气泡脉动周期的误差更小,计算误差小于3%;通过对比RS211炸药水下爆炸实验结果,进一步验证了该数值计算方法对含铝炸药水下爆炸气泡脉动周期的计算同样具有良好的适用性。     

水下爆炸冲击波数值仿真研究

由于在水下爆炸冲击波的数值仿真研究中,水的状态方程、人工黏性系数和网格尺寸对数值计算结果影响很大,采用常规TNT炸药的水下爆炸为例,以冲击波的峰值压力和比冲量为衡量指标,研究了这3个主要影响因素对数值仿真结果的影响。首先,通过采用常用的5种水的状态方程进行系列仿真,给出了各种状态方程的适用范围;其次,讨论了人工黏性系数对计算结果的影响,并给出了一次与二次人工黏性系数的建议取值范围;最后,通过对不同炸药当量及不同网格尺寸开展系列运算,从而得到不同炸药当量在满足工程计算精度要求下所对应的建议网格尺寸,并得到了不同炸药当量所对应的建议网格尺寸的表达式。     

水下爆炸冲击波作用下空化区域形成的特性研究

对水下爆炸冲击波作用下的局部空化和区域空化形成特性进行了理论和实验研究.引入平面冲击波假设,理论分析了结构几何尺度及冲击波参数的变化对空化区域形成的影响,并在直径5 m的圆柱形水箱中,对边长1 m、厚度2 mm的方形钢板在50 g TNT炸药、1 m爆距条件下进行了水下爆炸冲击实验,以验证局部空化理论.研究结果表明:在相同的冲击条件下,结构尺度的变化对局部空化的形成具有较大影响;炸药质量及爆深的变化会改变区域空化的形状及范围;实验结果与局部空化理论计算结果基本一致.     

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。     

循环爆炸作用下地下洞室的动态响应及损伤累积

为研究循环爆炸对地下洞室的影响,基于相似模型试验,采用通用有限元软件ABAQUS对比研究了洞室拱顶高水平单次爆炸和低水平10次循环爆炸作用下地下洞室围岩的应力波衰减规律、损伤累积规律及洞壁位移和环向应变分布特征。结果表明:循环爆炸中,洞室围岩的应力波衰减速度随着爆炸次数的增加先减小后增大。单次爆炸中,洞壁环向峰值应变从拱顶至直墙脚由拉应变转为压应变;循环爆炸中,随着爆炸次数的增加,拱顶环向峰值应变由压应变转为拉应变。爆炸荷载总水平相同时,低水平循环爆炸中洞室围岩的损伤面积和程度比高水平单次爆炸大。循环爆炸中,围岩的损伤累积呈现不可逆的逐级增加趋势,且累积损伤和爆炸次数之间呈明显的非线性关系。