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。     

水下多点爆炸条件下的冲击波载荷特性

针对水下多爆源起爆的实战背景,开展了两点同时起爆条件下冲击波载荷特性的数值模拟研究。基于自研的多相可压缩流体计算程序,采用高精度的数值格式对流体控制方程进行离散求解。将数值模型计算的自由场水下爆炸的结果与理论结果比较,初步验证了数值模型计算的准确性与可靠性。利用该模型计算了典型工况下水下两点起爆工况,计算结果表明:两爆源对称面上压力相比单爆源线性叠加后的峰值压力增加12%~16%;两爆源垂直截面之间的压力存在双峰现象;而对于两垂直截面之外的测点压力也存在双峰现象,第1个峰值压力与单爆源线性叠加的峰值相等,第2个峰值压力要远低于单爆源线性叠加的峰值,峰值压力下降幅度可高达30%左右。研究结果能够为水下武器防护设计与威胁评估提供参考。     

爆炸载荷下舱内泡沫铝夹芯结构的动响应特性

为探索爆炸载荷下舱内夹芯复合结构的动态响应特性与防护效能,采用小尺度舱室结构模型实验,结合有限元数值分析,开展了不同爆炸距离下舱内双层泡沫铝夹芯结构的动响应特性和变形模式研究。分析了不同爆距下舱内爆炸载荷的作用过程和时空分布特性,讨论了在初始冲击波、初始冲击波叠加各壁面二次反射波和舱内爆炸准静态压力3种载荷下泡沫铝夹芯结构的变形模式。爆炸载荷下舱室壁板承受的载荷依次为初始冲击波、各壁面二次反射波和准静态气压。炸药在靠近舱室一端处起爆时,初始冲击波在近端壁的局部效应明显,在远端壁的作用范围更大,与舱室中心爆炸相比,其爆轰产物波动次数更少。泡沫铝夹芯结构的变形过程可分为泡沫芯层压缩、局部凸起变形和整体挠曲变形3个阶段,对应迎爆面板局部凸起叠加整体挠曲大变形、局部凸起叠加整体挠曲大变形和整体挠曲大变形3种变形模式。     

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。     

水下爆炸强冲击波与平板结构相互作用的理论分析方法

针对水下爆炸一维强冲击波与平板结构的瞬态流固问题开展研究,综合考虑流体和结构材料的可压缩性,引入状态方程建立强冲击波在板表面反射后的波阵面参数关系,得到板表面的反射系数。然后依据动量守恒定律建立平板的运动方程,求解得到板表面的壁压及板的速度时程,形成了水下爆炸强冲击波与平板结构相互作用的理论分析方法。在此基础上给出了强冲击波与平板相互作用的冲量传递比近似估算公式。最后开展平板结构的近距及接触水下爆炸实验,并结合数值计算对理论方法进行验证。结果表明,建立的理论方法与实验及数值模拟结果吻合良好,为水下近距爆炸强冲击波与结构的相互作用分析提供了理论基础。     

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.     

铝氧比对含铝炸药水下爆炸载荷及能量输出结构的影响

为了系统地研究铝氧比对含铝炸药水下爆炸载荷及能量输出结构的影响,在验证数值模型有效性的基础上,针对铝氧比分别为0、0.16、0.36、0.63的RDX基含铝炸药,利用耦合欧拉-拉格朗日方法模拟了其水下爆炸连续的全过程,考虑了冲击波载荷和气泡载荷之间的耦合作用,从冲击波、气泡和能量输出结构三方面对影响效应进行评估。计算结果表明:随着铝氧比的增大,含铝炸药水下爆炸冲击波衰减时间常数、冲击波冲量、气泡脉动周期、气泡最大半径以及比气泡能都增大;铝氧比为0.36时,冲击波峰值压力、冲击波能流密度和比冲击波能达到最大。铝粉的加入对气泡能的提高相对于冲击波能更加显著。     

炸药水下爆炸能量输出特性试验研究

为了解炸药水中爆炸能量的输出特性,特别是冲击波能随距离的衰减规律,对有效比冲能进行了研究。经过理论推导发现,传统的有效比冲能计算公式仍然满足相似律。TNT炸药水下爆炸试验结果表明,炸药的有效比冲能、比气泡能和总能量的测量结果与经验公式计算结果吻合较好。通过对试验结果进行分析,拟合得到了有效比冲能随距离变化的趋势线。对比经验公式结果,发现在小药量试验中冲击波能随距离的衰减更明显。     

爆炸载荷下V型泡沫铝夹芯板的动态响应

基于三维非线性LS-DYNA程序,采用动态显式算法对爆炸载荷下V型夹芯板和平板的动态响应进行数值模拟,得出了不同工况下V型板和平板的面板挠度、芯层压缩量及其吸收的能量。结果表明:与平板相比,V型板具有更加优越的防爆性能。当V型板的面板厚度一定时,上面板挠度、芯层的压缩量及其吸收的能量随着V型板夹角的增大而增大;当V型板夹角一定时,上面板挠度、芯层的压缩量及其吸收的能量随着面板厚度的增大而减小。该结果可以为汽车底板防护和其他防爆设计提供参考。     

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。     

聚脲涂覆钢板在爆炸载荷作用下的动态响应

在验证了所用方法有效性的基础上,采用有限元软件LS-DYNA数值模拟了等面密度聚脲涂覆钢板结构及单一钢板在空爆下的动态响应,分析了聚脲涂覆位置对其抗爆性的影响;在此基础上,通过量纲分析的方法讨论了爆心距、炸药质量、涂覆聚脲厚度对钢板变形的影响规律。结果表明,聚脲涂覆在钢板上的位置影响其抗爆性能。其他变量一定的情况下,钢板中心最大位移随爆心距的增加近似呈指数递减趋势;改变炸药质量时,钢板中心最大位移随炸药质量的增加近似呈线性递增趋势;改变涂覆聚脲厚度时,钢板中心最大位移随涂层厚度的增加近似呈线性递减趋势。     

内部爆炸载荷作用下混凝土动力响应的数值模拟

 目前,采用实验方法对爆炸载荷破坏效应进行全面、准确描述仍是一个难题。运用ANSYS/LS-DYNA非线性显式动力学有限元程序,采用流固耦合算法,对混凝土在内部爆炸载荷作用下的空腔形成和发展规律等动力响应问题进行了数值模拟。通过实际算例,比较研究了混凝土敷设钢板与否对成坑大小、损伤区、压力云图以及应力时程曲线等的影响,进一步研究了有钢板加固时混凝土在爆炸荷载作用下的破坏机理。研究表明：采用流固耦合算法可以避免由于物质的大变形引起的单元畸变和网格消蚀等问题,提高了计算效率;很好地模拟了混凝土内部爆炸时,中心爆炸空腔压缩面和自由面的拉伸层裂破坏过程,且与理论计算值吻合较好;通过表面敷设钢板,可以减小混凝土的拉应力峰值,抑制混凝土中裂纹的发展,从而提高其防震塌能力以及结构的完整性。     

钢筋混凝土靶板在弹丸冲击及爆炸载荷下响应的数值模拟

 采用HJC混凝土损伤本构模型及LS-DYNA的流固耦合算法,分别对钢筋混凝土靶板在弹丸冲击和爆炸载荷作用下的响应进行了有限元数值模拟,其中模拟参数由实验数据拟合重新获取。将模拟结果与实验结果和经验公式进行对比分析,结果表明：数值模拟再现了弹体贯穿靶板过程中的开坑、隧道及漏斗碎裂区,计算得到的弹体弹道极限及残余速度与实验数据吻合较好;此外,数值模拟也很好地再现了炸药爆炸后冲击波的传播过程以及爆炸载荷作用下混凝土的破坏情况,模拟结果与实验现象具有良好的一致性。     

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。     

内部爆炸载荷下泡沫铝夹心柱壳动态响应仿真研究

泡沫铝夹心柱壳在防爆容器领域具有广阔的应用前景。对泡沫铝夹心柱壳在内部爆炸载荷下的动态响应特性进行了实验研究,并建立了基于Voronoi技术的泡沫铝夹心柱壳有限元模型,对其动态响应进行了数值模拟。研究结果表明:仿真结果与实验结果吻合较好,内部爆炸载荷作用下内壳变形量随芯体相对密度增大而减小,外壳变形量随芯体相对密度的增大而增大,且壳体变形量与芯体相对密度近似满足二次函数关系。