水下爆炸作用下结构响应的数值计算研究综述

分析和总结了水下爆炸现象数值模拟以及水下爆炸作用下结构响应的数值计算研究进展。首先概述了水下爆炸现象包括装药的爆轰、冲击波的产生和传播、气泡的形成和脉动三个阶段数值计算的研究情况;接着阐述了地震波作用下、水中冲击波作用下、气泡脉动压力作用和多种载荷同时作用时结构响应的数值研究概况;最后对此课题的研究方向提出了几点建议。     

水下爆炸作用下结构响应的数值计算研究综述

分析和总结了水下爆炸现象数值模拟以及水下爆炸作用下结构响应的数值计算研究进展。首先概述了水下爆炸现象包括装药的爆轰、冲击波的产生和传播、气泡的形成和脉动三个阶段数值计算的研究情况;接着阐述了地震波作用下、水中冲击波作用下、气泡脉动压力作用和多种载荷同时作用时结构响应的数值研究概况;最后对此课题的研究方向提出了几点建议。     

近距非接触水下爆炸舰船动态响应的数值模拟

运用通用有限元程序ABAQUS对某型水面舰艇在水下爆炸冲击波作用下的动态响应进行了数值模拟,有效地解决了ABAQUS计算近场水下爆炸时单元破损和单元失效等问题,计算出了某型舰艇水下爆炸的冲击响应结果,获得了船体的应力响应、局部变形、加速度响应和速度响应4个方面的响应规律,并得出以下结论:在全船范围内,加速度和速度总是由下至上逐渐减小,离爆点最近的区域差距最为明显;船体上离爆点最近的区域应力是最大的,不同甲板在相同位置处的应力是不同的。数值模拟所得的舰艇在水下爆炸作用下的响应规律与实际分析规律相符,为舰艇抗爆、抗冲击的结构设计提供了依据。     

水下爆炸冲击下码头结构动力响应的数值模拟

为探究水下爆炸冲击对码头结构的结构损伤,开展爆炸荷载下高桩码头结构的数值模拟分析。基于ALE多物质流固耦合法,建立了码头结构的水下爆炸Lagrange-Euler全耦合模型,基于Cole经验公式,验证了模拟的可靠性,研究了起爆距离、起爆深度以及TNT当量对码头结构动力响应特性的影响规律。结果表明,在水下爆炸冲击荷载作用下,所有桩柱产生不同程度损伤,码头端部的第一根桩柱底部基岩区域以及与横梁相连的基岩区域塑形损伤破坏较为严重;当TNT炸药的起爆距离较小时,桩柱上的反射波要强于水底面的反射波,并会与之相抵消,作用在桩柱上的反射稀疏波会随之削弱;在其他条件相同的情况下,当起爆点到自由水面的距离与起爆点至基础底面距离之差的绝对值越大时,爆炸荷载作用于码头结构上的压力峰值会显著增大。     

碳纤维增强聚合物复合材料方形蜂窝夹层结构水下爆炸动态响应数值模拟

基于ABAQUS有限元仿真软件,建立了不同夹芯相对密度的碳纤维增强聚合物（Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP）复合材料方形蜂窝夹层结构在水中爆炸冲击波载荷作用下的仿真模型,分析了结构的变形过程、夹芯的压缩特性及结构的失效及破坏情况。数值模拟结果表明,CFRP复合材料蜂窝夹芯压缩量在前面板速度降至与后面板相同时达到最大; CFRP复合材料蜂窝夹芯的最大压缩量随着初始压力的增大呈先缓慢增大后快速增大的趋势,其增大趋势在夹芯接近完全压缩时又趋于缓慢; CFRP复合材料夹层结构失效随夹芯相对密度和初始压力的变化呈现不同的模式,且其防护性能优于等重的层合结构。研究结果可以为复合材料夹层结构在水中冲击波载荷防护中的应用提供参考。      

城市管廊燃气爆炸动态响应的数值模拟研究

为更好的进行城市管廊结构抗爆优化设计,深入研究管廊燃气爆炸动态响应特性极为必要.利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA,建立管廊结构的有限元计算模型,采用等效内能法模拟燃气爆炸荷载,研究燃气爆炸激发冲击波传播衰减规律及其对管廊结构的动态响应规律,分析管廊结构破坏和反应特征.结果表明:燃气爆炸冲击波随传播距离的增加,峰值压力逐渐降低,同时超压持续作用时间逐渐变短.冲击波在受限空间壁面的反射叠加造成其峰值压力在传播后期呈现略微增加趋势,但整体上以多项式形式衰减.爆炸损伤部位主要集中在燃气仓墙角或结构突变位置,燃气仓顶部设置泄压口,可有效避免上部通行仓混凝土的损伤破坏效应.管廊结构墙角处刚度较大导致其振动响应程度较弱,而墙面中部区域节点振动合速度可达到0.4 m/s.满仓燃气爆炸工况下,管廊结构局部混凝土产生贯穿裂纹,但并未出现整体结构性损坏.     

不同攻角舰船结构动态响应的数值模拟

运用通用有限元分析软件ABAQUS对某型舰进行全船冲击响应数值模拟,分析水下爆炸攻角对舰船结构动态响应的影响,并得出以下结论:水下爆炸载荷作用下舰船结构响应具有局部性,船体的受冲击范围和强度随爆炸攻角的增大而减小;在研究舰船冲击环境时,攻角在30°～60°范围内的测点应该多取;舰船外底板中心部位节点的垂向加速度峰值随爆炸攻角的增大而减小,且加速度响应的衰减速度随爆炸攻角的增大而下降。     

水下爆炸冲击波的数值模拟与试验研究

采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件,对小当量TNT炸药在无限水域内爆炸进行数值模拟,并将数值计算结果与实验室内实测数据以及传统的经验公式计算结果进行对比。分析发现:用传统的经验公式计算小当量TNT炸药在水下爆炸时的爆炸冲击波压力峰值,与实测值相比存在较大误差;运用有限元显式动力分析方法计算得到的水下爆炸冲击波压力峰值与实测值相吻合,并且水下爆炸冲击波波形相近。对数值计算值进行拟合得到水下爆炸冲击波压力峰值的计算公式,可以对同等条件下的水下爆炸试验进行估算。     

舰船舷侧防护结构在水下接触爆炸荷载下的破坏分析

爆炸荷载作用下板架结构的破坏变形是非常复杂的非线性动态响应过程.采用能量原理,对4层板架结构在接触爆炸荷载作用下的破坏进行了理论分析,推导得出了舷侧防护结构各层板的破口半径及内层板挠度的计算方法.通过算例与实验进行比较,可知理论计算与实验结果吻合较好,表明该方法可用于板架结构在接触爆炸荷载作用下的毁伤分析,对舰船防护结构的设计具有指导作用.     

含铝炸药爆炸作用下的水中圆柱壳动态响应数值研究？

为了研究圆柱壳在含铝炸药水下爆炸载荷作用下的响应规律,利用非线性动力学软件AUTODYN计算了3种不同配方含铝炸药的远场冲击波特性,并将计算值与文献实验值进行对比,计算误差能够稳定在5％以内,之后结合ABAQUS程序模拟了含铝炸药冲击载荷作用下水中圆柱壳的动态响应。在30 kg药量下分析比对了圆柱壳体加速度、速度及有效塑性应变的变化规律,随后确定了各炸药致使圆柱壳结构失稳的临界药量,并以PBXW-115为例研究了临界药量作用下的圆柱壳破坏模式。结果表明,AUTODYN与ABAQUS程序的联用,能够有效地模拟圆柱壳在含铝炸药远场冲击波作用下的动态响应;含铝炸药致使圆柱壳单元达到屈曲失效所需药量普遍低于理想炸药RDX。     

某型舰船缩比模型对水下爆炸动态响应的试验研究

对某型舰船缩比模型遭受水下爆炸载荷时的动态响应进行了试验研究。模型参照某型水面舰船按照一定比例而设计,用于考核某型舰船结构的冲击响应。试验工况为六个远场非接触爆炸工况,冲击因子从0.1到0.35,利用分别装在甲板处、底部平台和龙骨上的加速度计、应变来测量模型的冲击响应。试验结果表明,模型上各测点加速度响应随着冲击因子的增大而增大,船模离爆源最近处的响应最强,爆源中心布放时响应由中心处往边缘处减弱。研究结果对今后的实船或模型爆炸试验具有一定的借鉴作用。     

水下爆炸冲击波作用下自由环肋圆柱壳动态响应的数值仿真研究

运用大型商业有限元程序MSC.DYTRAN数值模拟了水下爆炸冲击波作用下自由环肋圆柱壳的非线性动 态响应。采用一般耦合算法(generalcoupling)模拟流体与结构的耦合效应,计算中考虑了材料的应变率强化效应,几何 非线性以及结构的初始缺陷的影响,计算结果与实验吻合较好。比较了肋骨和肋间壳板在迎爆面,侧爆面和背爆面处的 中面有效应力和应变,分析了壳体在三个不同部位的破坏机理。最后比较了计算中考虑应变率效应与否对壳体最终变 形的影响。     

基于神经网络响应面法的随机结构动力可靠度分析

在对神经网络响应面法的原理和算法进行研究的基础上，建立了基于神经网络响应面法的随机结构动力可靠度分析方法。首先，基于首次超越破坏准则，参照静力可靠度的功能函数模式，建立了随机结构的动力可靠度功能函数；然后引入响应面法，以三层BP神经网络作为拟合函数，推导了功能函数的拟合表达式；最后结合一次二阶矩方法求解可靠指标。算例分析表明了本文方法有较好的计算精度和计算效率，在复杂结构的动力可靠度分析中有较强的实用价值。     

不同爆炸荷载下长江隧道的动力响应和损伤分析

运用ANSYS/LS-DYNA有限元软件,对长江隧道中的非接触空中爆炸和接触爆炸等2种工况进行数值模拟分析,研究2种爆炸工况中盾构隧道衬砌结构内的能量耗散特性,基于能量原理探讨盾构隧道中衬砌结构各部位的动力响应,明确不同工况中隧道内爆炸冲击波的传播过程,获得隧道行车道板和衬砌结构的损伤特征,研究结果为大型盾构隧道抗爆设计提供理论依据.     

水下钻孔爆破冲击波下桥墩的动态响应及防护分析

利用数值模拟方法以及现场监测技术,结合砖灶子水下炸礁项目,研究了水下钻孔爆破水中冲击波对桥墩的影响以及防护,对水中冲击波作用下桥墩结构的动态响应以及气泡帷幕的削减效果进行对比分析,并结合现场监测数据,对李家沱大桥的动态响应以及安全状态做出评价。研究发现:桥墩结构对水中冲击波的动态响应在桥墩中部及桥趾部位较大,且迎爆面的响应大于背爆面,测量点的速度与加速度响应最大值均出现在水平径向,然后是垂直方向和水平切向;气泡帷幕对于水中冲击波的削减效果良好,且距离保护对象5 m时效果最佳。运用气泡帷幕防护及现场监测指导施工,使得李家沱大桥处于安全状态下。     

建筑结构对爆破地震的动力响应特性研究

首先分析了建筑结构的爆破地震安全判据的不足和爆破地震与天然地震的特点,然后详细地分析了爆破参量对爆破地震波反应谱的影响和爆破地震频率对建筑结构破坏的影响,并着重分析了建筑结构对爆破地震波主频率的响应特性和爆破地震波主频率的特性及一般规律,最后提出了今后进行建筑结构对爆破地震的动力响应特性研究和爆破地震作用下建筑结构的安全程度评价研究的建议.     

结构随机响应分析的一种直接积分法

对结构随机响应分析的数值积分方法进行了深入的研究。首先，直接从控制方程出发计算加速度，其次，给出了位移和速度的一种近似计算公式，最后，推导出响应均方值的离散计算表达式。就两个算例进行了数值仿真，结果表明该方法对于结构的随机响应分析是有效的。     

敷设不同覆盖层圆板结构水下抗爆响应特性

在舰船壳体湿表面敷设柔性覆盖层是一种能有效提高其抗冲击性能的方法。多孔蜂窝覆盖层受爆炸冲击波载荷作用后胞元孔壁易于压溃,有效地分散冲击波能量,大幅度减少响应前期阶段的入射冲量,屈曲变形会吸收大量能量。水下爆炸试对于揭示模型的抗冲击机理起着重要的作用。总结对敷设不同覆盖层-圆板结构的水下爆炸响应特性的试验研究。考察有无柔性覆盖层对结构响应的影响,同时解释水下冲击波、气泡对柔性覆盖层的作用过程及覆盖层的抗冲机理。