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。     

多次水下爆炸中船体梁的累积毁伤效应

针对在多次水下爆炸中船体梁的累积毁伤问题,采用AUTODYN软件与试验相结合的方法,分析了炸药当量、爆距、爆炸次数等因素对船体梁累积毁伤效应的影响。结果表明:在水下爆炸加载作用下,船体梁会发生中部凹陷局部塑性变形和整体中拱塑性弯曲变形。在一定冲击因子作用下,其挠度与水下爆炸加载次数呈线性关系,且药量越大,挠度越大。爆距相同时,同等当量炸药对船体梁进行单次和均分连续3次水下爆炸加载,其最终塑性变形挠度不同,均分连续3次爆炸作用下船体梁的塑性变形挠度更小。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

碳纤维增强复合材料层合板的抗冲击性能

为了研究碳纤维增强环氧树脂基复合材料层合梁的抗冲击性能,应用金属泡沫弹撞击加载的方式,结合高速摄像机,对等厚度层合梁结构的动态响应和失效行为展开实验研究。研究不同冲击加载强度对层合梁的动态失效过程、变形轮廓、中点变形、失效模式及能量耗散比的影响。结果表明:随着冲击强度的增加,中点变形响应速度随之增加,层合梁变形模式由整体变形转变为局部变形,且局部化效应随之增加,并伴随严重的基体和纤维断裂失效。层合梁能量耗散比随冲击强度的增加而增加,并展现出与结构失效模式直接关联的弹性变形、中心断裂和完全失效3个不同阶段。     

截面几何参数对帽型梁轴向冲击响应的影响

帽型梁结构作为汽车前纵梁主要部件,其轴向冲击变形模式和吸能特性是汽车被动安全设计的主要参考指标。为此,对带有倒角的帽型梁进行了初始能量为17.8kJ的落锤轴向冲击实验和数值模拟。保持梁结构的质量不变,对不带倒角和直角弯折的两种截面梁进行同等条件的数值模拟,在一定范围内探讨截面几何参数对帽型梁的变形模式、变形量、吸能总量、峰值载荷、平均碰撞载荷和碰撞力效率的影响。结果表明:对于带有倒角的帽型梁,其变形模式和变形量的计算结果与实验结果基本吻合,验证了计算模型的合理性;倒角的存在使结构变形模式从非紧凑型向紧凑型转变,提高了缓冲效果,降低了峰值载荷;弯折角度由93°变为90°时,对变形模式的影响较小,非直角弯折梁的吸能效果较直角弯折梁好。因此,截面几何参数对帽型梁结构的变形模式和吸能特性有一定影响。     

近自由面水下爆炸气泡的运动规律研究

基于边界积分法建立水下爆炸气泡与自由面耦合数值模型；并开发相应的计算程序，计算值与实验值符合较好.从气泡与自由面相互作用的基本现象入手，运用开发的程序系统地研究了近自由面水下爆炸气泡的动态特性，包括近自由面气泡的环状回弹及自由面的水冢现象；研究距离参数、浮力参数以及强度参数等特征参数与自由面Bjerknes效应之间的关系，总结相关规律，近自由面气泡的动态特性与这些特征参数有密切的关系.并在研究过程中，讨论了基于Kelvin-impulse理论的Blake准则的适用范围，并解释了Blake准则的失效的原因.     

高压气体驱动激波管的数值模拟与参数影响分析

爆炸荷载作用下建筑构件的动态响应与损伤破坏的试验研究对于结构抗爆设计具有重要的参考价值。为了探究激波管参数对末端荷载峰值和持时的影响，首先，基于商用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA开展了典型激波管试验的数值模拟，通过对比膨胀段末端反射超压和测试构件的挠度时程，验证了激波管有限元模型、参数取值和数值分析方法的准确性；然后，设计了末端尺寸为3 m×3 m的激波管，开展了激波管几何参数和驱动段超压对末端反射超压的参数影响分析，结果表明：超压峰值和持时随驱动段长度、直径和超压的增大而增加，随膨胀段角度减小而增加；最后，给出了基于反射超压峰值和持时的激波管设计方法，并通过设计算例进行了验证。     

氮化铝双端固支音叉谐振器的结构设计

基于氮化铝双端固支音叉（AlN DETF）的谐振式传感器具有尺寸小、稳定性和可靠性好、时间响应快等特点。为了提高灵敏度和分辨率,需要分析AlN DETF谐振器的振梁结构参数对灵敏度和信号功率的影响。在有限元仿真软件中建立AlN谐振器的多物理场模型,进行预应力特征频率分析,仿真验证单个振梁结构参数对灵敏度的影响。在振梁厚度保持恒定的情况下,对仿真结果的数据进行后处理,得到信号功率与振梁长度、宽度的关系。结果表明,相对灵敏度、信号功率随振梁长度、宽度的变化趋势相反。因此,需要根据工艺水平和结构强度等因素,综合考虑AlN谐振器的信号功率和相对灵敏度,对两者进行权衡。仿真分析了优化后AlN DETF谐振器的性能,10 N范围内的灵敏度为56 Hz/N,信号功率为6.810-4 nW,Q值为958。     

栓钉型弧形双钢板混凝土组合板的抗爆性能试验与数值分析

弧形双钢板混凝土组合结构由钢板、混凝土与连接件协同作用,具有更优异的抗震和抗爆性能,被应用于超高层结构、海洋平台和核电设施中。利用试验和数值分析方法研究了栓钉型弧形双钢板混凝土组合结构的破坏模式和损伤机理,参数化分析了爆炸距离、钢板厚度、拱高和栓钉间距对其抗爆性能的影响。结果表明：在爆炸荷载下,栓钉型弧形双钢板混凝土组合板整体表现良好,仍具有较高的承载能力。增加爆炸距离和钢板厚度能有效减小混凝土的损伤和组合板的跨中挠度;减小拱高,混凝土损伤区域从以压缩破坏为主逐渐转换为以拉伸破坏为主,混凝土损伤更严重,组合板跨中挠度变大;减小栓钉间距会增大混凝土塑性损伤程度,但组合板的跨中挠度减小。研究结果可为弧形双钢板混凝土组合结构的设计提供参考。     

泡沫增强复合材料点阵夹芯梁抗冲击性能

基于考虑分层失效和渐进损伤的三维Hashin失效准则,对复合材料点阵夹芯梁结构及其泡沫增强夹芯结构开展了局部冲击加载下的数值模拟分析,研究了冲击强度及泡沫增强效应对复合材料点阵夹芯梁结构抗冲击性能的影响。通过与实验的对比分析,验证了数值模型的有效性。结果显示,冲击强度的变化对结构的动态响应、失效模式及能量耗散形式都有明显的影响。泡沫增强效应使结构的横向变形响应速度降低,并且随着冲击强度的增加尤为敏感。泡沫芯材的压缩和开裂失效使得结构保持良好的完整性和更低的损伤程度,有效地降低了其他组分的能量吸收比,表明泡沫填充有效地提升了复合材料点阵梁结构在局部冲击载荷作用下的防护效能。     

有机玻璃-空气层结构对爆炸水池水下爆炸地基振动的影响

为了研究有机玻璃-空气层结构对水下爆炸振动的影响,采用NUBOX-6016爆破振动测试仪监测小水池(直径5.5m、高3.62m)中该结构下水下爆炸引起的地基振动信号,研究不同空气层厚度对最大振动速度的影响;基于Matlab软件编写相关程序对测得的振动信号进行Hilbert-Huang变换(HHT),分析不同空气层厚度对振动信号全局频率的影响。结果表明:对于有机玻璃-空气层结构,随着空气层厚度的增加,最大振动速度呈先减小后增大的趋势,当空气层厚度为120mm时隔振效果最佳;通过对振动信号的HHT分析得到全局频率所对应的幅值,5~15Hz低频区间段的幅值衰减较明显,且振动作用时间缩短,能够有效防止水下爆炸与建/构筑物之间产生共振现象。所得试验结果及分析对水下爆破工程防护及军事舰艇防雷仓结构设计等具有一定参考价值。     

水下爆炸载荷作用下水下目标结构的可靠性研究

为研究水下爆炸载荷作用下某水下目标结构的可靠性,通过开展多组试验获得了真实可靠的样本数据,进而分别利用多项式逐步回归和神经网络对样本数据进行拟合分析,获得结构响应变量和输入变量之间的近似解析表达式。然后利用蒙特卡洛模拟法得到结构响应的统计参数和分布函数,并对结构进行可靠性分析和计算,最后得到了爆炸点在平面内变化时结构的失效概率曲线,为工程结构的防护提供了参考。     

射流冲击模型在水下爆炸实验中的应用研究

 为研究射流冲击载荷对结构的作用效果,从理论和数值角度研究了射流的载荷特性,以舱段模型实验为研究对象,建立了射流计算模型,结合实验数据,对射流冲击问题进行了分析。结果表明,射流冲击能够造成结构强烈的局部响应,某些情况下,射流冲击载荷引起的结构响应甚至比冲击波载荷引起的响应更大。因此,中近场水下爆炸实验需要考虑射流的影响。建立的射流模型能够较好地反映射流冲击的载荷特性,为水下爆炸实验分析提供了一种新的手段。     

爆炸荷载下不同壁厚圆柱壳动力学行为的研究

对爆炸荷载下圆柱壳的动力学行为进行了实验研究及数值模拟。将外径均为100mm的3种壁厚的Q235钢质圆柱壳置于由TNT药柱产生的爆炸场中进行冲击实验,系统分析了在不同装药高度及壳壁厚度参数条件下圆柱壳的冲击变形模式,即迎爆面局部凹陷变形模式(ModeⅠ)、迎爆面局部凹陷与壳整体弯曲变形耦合模式(ModeⅡ)、整体变形失效模式(ModeⅢ)及局部穿透与整体变形失效耦合模式(ModeⅣ)。采用LS-DYNA有限元程序及Lagrangian-Eulerian流固耦合算法,对圆柱壳的非线性动力响应过程进行了数值模拟,分析了圆柱壳的变形历程及最终残余变形的情况,计算结果与实验现象吻合较好。研究结论可为圆柱壳结构爆炸破坏分级及抗爆技术设计提供科学依据。