水下爆炸冲击波对船体结构的损伤研究
水下爆炸冲击波对船体结构的损伤研究
舰船在进行海战过程中,常常会遭到敌方反舰武器的攻击,使船体结构发生
损伤,轻则变形,重则破裂。
与潜艇相比,水面船更容易成为攻击的目标,因此为了提高水面船的战斗力,提高其抗爆能力是一个有效的途径。
众所周知,炸药在水下爆炸和在空气中爆炸度对结构的破坏是效果是不同的。
炸药在水中爆炸能够产生冲击波,冲击波作用时间短,但压力极大,往往能够使舰船产生严重变形甚至破裂。
所以研究船舶在冲击波作用下的响应对提高舰船的抗爆能了具有重要意义。
本文就是在这样的背景下,使用有限元软件ABAQUS对某船进行了数值模拟计算,并与相关试验数据进行对照,计算结果较好。
本文首先对水下爆炸的现象进行了学习研究,并了解了冲击波的物理特性,在此基础上,利用经验计算公式,对水下
爆炸产生的压力载荷进行了编程计算计算出了对某船数值模拟所要的冲击波载
荷数据。
其次学习并掌握了ABAQUS计算水下爆炸的技术,对一圆柱壳进行了水下爆炸冲击波载荷作用的响应分析,进行了空壳与注满水两种工况下的响应,结果
表明,注入的水增强了圆柱壳在水下爆炸中响应。
最后,参阅某船的相关图纸,利用ANSYS软件和HYPERMESH软件建立了其几何模型并划分了网格,通过ABAQUS软件计算了该船的自然频率,验证了所建立的有限元模型较好能够很好的模拟实船的质量、刚度等特征量,最后对该船进行了数值分析,结果与实验值拟和较好。
舰船舷侧防护结构在水下爆炸载荷作用下的破坏研究的开题报告
舰船舷侧防护结构在水下爆炸载荷作用下的破坏研
究的开题报告
题目：舰船舷侧防护结构在水下爆炸载荷作用下的破坏研究
一、研究背景和意义
舰船作为海洋中的主要交通工具和战争器材，其性能安全及可靠性要求非常高。
面对可能的水下爆炸威胁，提高舰船舷侧防护结构的抗爆性能显得尤为重要。
因此，本研究将探究舰船舷侧防护结构在水下爆炸载荷作用下的破坏机理与抗爆性能，从而为提高舰船舷侧防护结构的抗爆性能提供理论依据和技术支持。
二、文献综述
目前国内外已有许多关于舰船舷侧防护结构抗爆性能的研究。
国外研究以欧洲和美国为主，提出了SN-S曲线、减载系数等指标用于描述防护结构抗爆性能；国内研究主要采用数值模拟、试验等手段探究防护结构破坏机理和抗爆性能，并提出了不同的破坏评价指标。
三、研究内容和计划
1. 分析舰船舷侧防护结构的设计特点和水下爆炸加载特点，建立水下爆炸模型；
2. 基于有限元模拟模型，研究舰船舷侧防护结构在水下爆炸载荷作用下的应力、应变分布规律，并探究破坏机理；
3. 试验研究不同防护结构的抗爆特性，分析试验结果并与数值模拟结果进行对比分析；
4. 研究采用的一些处理措施对防护结构的抗爆性能的影响；
5. 提出改进防护结构的措施，以提高防护结构的抗爆性能。
四、预期成果
本研究将全面探究舰船舷侧防护结构在水下爆炸载荷作用下的破坏机理，分析不同防护结构的抗爆性能，提出改进措施，为舰船设计及工程实践提供理论基础和指导意见。
预期成果包括发表相关学术论文，申请专利，以及提出具有实际应用价值的建议措施。
水下接触爆炸对舰船壳板的毁伤试验效果估算方法评估
水下接触爆炸对舰船壳板的毁伤试验效果估算方法评估水下接触爆炸对舰船壳板的毁伤试验效果估算方法评估水下接触爆炸是一种重要的海战作战形式，能够对舰船造成巨大的破坏。
为了提高舰船的抗爆能力，需要对水下接触爆炸对舰船壳板的毁伤进行试验研究。
本文将介绍水下接触爆炸对舰船壳板的毁伤试验效果估算方法评估。
对于水下接触爆炸对舰船壳板的毁伤试验，常常采用爆炸试验技术。
该技术可以通过实际的爆炸试验来还原水下爆炸对舰船壳板的毁伤情况，帮助研究人员评估舰船在战争中遭受水下爆炸的可靠性。
在进行水下接触爆炸对舰船壳板的毁伤试验时，需要考虑如下方面：首先，需要确定试验中使用的炸药类型、炸药重量和深度等参数。
这些参数需要根据实际情况进行确定，以便实现试验的真实还原。
其次，需要选择壳板试验件和试验设备。
这些试验件和设备必须符合试验要求，能够承受爆炸力量，不影响试验结果的真实性。
然后，需要进行试验前的模拟计算。
模拟计算可以模拟实际的爆炸情况，预测水下爆炸对舰船壳板的毁伤程度，为试验结果提供参考。
接着，进行试验操作。
试验操作需要谨慎、精细，该阶段的操作能够直接影响试验结果。
最后，需要对试验结果进行数据分析。
数据分析可以帮助研究人员更加清晰地了解水下接触爆炸对舰船壳板的毁伤程度，以便进一步研究如何提高舰船的抗爆能力和减轻损害程度。
总之，水下接触爆炸对舰船壳板的毁伤试验是一项重要的试验研究工作，对于提高舰船的抗爆能力有着重要的作用。
通过上述步骤进行进行毁伤试验效果估算方法评估，能够提高试验的准确性和可靠性，为舰船的抗爆设计提供参考。
为了更好地评估水下接触爆炸对舰船壳板的毁伤试验效果，我们需要对相关数据进行分析。
以下是一些可能需要分析的数据：1. 炸药类型、重量和深度：这些参数可以直接影响试验结果。
通过对这些数据进行分析，我们可以更好地了解水下爆炸对舰船壳板毁伤的情况。
2. 试验件和设备：试验件和设备的质量和性能，对试验结果有着重要的影响。
水下近场爆炸对舰船结构瞬态流固耦合毁伤特性研究
水下近场爆炸对舰船结构瞬态流固耦合毁伤特性研究舰船水下近场爆炸或接触爆炸对结构的毁伤往往是致命的,严重威胁舰船的生命力,故研究水下近场或接触爆炸载荷特性及其对船体结构的毁伤机理意义重大。
不同于中远场水下爆炸,近场或接触爆炸载荷主要包括冲击波、非对称气泡脉动、高速破片、爆轰气水混合物喷溅、气泡射流等,这些载荷本身往往具有高温、高压、高速瞬态强冲击等特点,作用过程经常伴有大变形、撕裂、砰击以及飞溅等现象,对近场结构的毁伤往往呈高度的非线性,不可修复。
本研究瞄准了近场或接触爆炸不同类型的载荷,通过改进无网格光滑粒子流体动力学方法(SPH)的流固耦合数值模型及其与网格算法耦合的数值模型,如有限元法(FEM)和边界元法(BEM),同时结合既有的实验和解析理论结果进行验证,实现对近场或接触爆炸不同载荷特性的认识,以及不同载荷对结构的毁伤特性和机理性问题的探索。
本文首先根据检索结果将近年来水下爆炸研究领域国内外具有代表性的研究工作进行了简要回顾,然后重点针对水下近场爆炸的冲击波和气泡脉动载荷、高速破片载荷、水气混合射流载荷等方面的研究现状,确定了现阶段研究的盲点与不足:近场冲击波载荷认识不清、缺少数据支撑,高速破片载荷的毁伤及防护缺少系统性的设计依据,水气混合射流研究仍局限于前期近似解且争议颇多。
针对这些不足,将无网格SPH方法近年来在解决水下爆炸问题中的应用进展进行了综述,展现了它的拉格朗日粒子性质在处理此类问题的优势,为后文的开展奠定了基础。
从三维SPH方法现阶段在精度、界面、稳定性和计算效率等方面的处理技术出发,系统性的分析了 SPH方法在应用中的关键问题。
通过分析,从计算精度方面考虑,文中确定了结构与流体分别采用完全拉格朗日和更新拉格朗日方程的格局,结构采用高完备性的移动最小二乘函数来保证精度和稳定性;在界面处理时,流体边界、固体结构边界以及任意相间的接触边界等界面问题要以保证近似函数完备性为前提,为实现边界的无反射,可在边界布置海绵阻尼层以及文中提出的阻抗匹配边界层;在改善稳定性方面,应力点可有效改善结构的沙漏模式,核函数和光滑长度的选取要尽量避开应力的不稳定条件,此外,SPH的流固模型施加一定的阻尼也是必要的;在改善计算效率方面,文中提出的变光滑长度搜索算法和采用的OpenMP并行方案均可有效提高三维SPH计算效率。
水下爆炸载荷作用下舰船结构响应研究综述
第2期第6卷第2期2011年4月中国舰船研究Chinese Journal of Ship ResearchVol.6No.2Apr.2011doi :10.3969/j.issn.1673-3185.2011.02.001收稿日期:2010-03-02基金项目:国家安全重大基础研究项目(51335020103)作者简介:牟金磊(1980-),男,博士研究生。
研究方向:舰船结构水下抗爆抗冲击。
E⁃mail:mjl1007@朱锡(1961-),男,教授,博士生导师。
研究方向:舰船结构抗爆。
E⁃mail:zhuxi816@1引言在海战中,水雷、鱼雷和深弹等水中兵器在水下爆炸时会产生冲击波和气泡脉动压力等载荷,这些载荷能导致舰船局部或总体结构发生严重毁伤,使舰船丧失战斗力。
为提高舰船抗爆能力,各国海军都在进行水下爆炸载荷及其对舰船结构毁伤作用研究,特别是各海军强国,如美国、澳大利亚等,在装药的设计和性能、爆炸机理、舰船响应等方面,通过采用理论分析、数值模拟、模型试验和实船试验等手段,开展了大量研究工作,基本涵盖了水下爆炸及其对舰船毁伤作用研究的主要方面,并取得了大量成果[1-9],其研究成果为提高舰船生命力提供了科学依据。
我国海军也开始逐渐重视这一方面的研究工作,许多研究单位和学者都不同程度地投入到了这一领域中。
水下爆炸冲击波载荷的峰值压力大,作用时间短,可以使舰船局部变形或破裂。
气泡脉动的压力要比冲击波小得多,但其作用时间却远远超过首次冲击波,其冲量与冲击波相当,甚至还超过冲击波,且气泡运动的周期与舰船整体结构频率相当,易使船体产生“鞭状响应”(whipping),对舰船的整体强度具有很大影响。
当炸药在离舰船较近处爆炸时,气泡受舰船结构边界的影响容易失稳而产生射流,从而在冲击波破坏的基础上进一步引起舰船结构毁伤。
水下爆炸载荷作用下的舰船结构响应是一个高度非线性的动态响应过程,涉及流固耦合、塑性动力学、断裂力学等多个学科,研究方法也涉及理论、试验、仿真等多个方面。
水下非接触爆炸作用下舰船结构损伤评估
关键 词 ： 非接 触爆 炸 ；冲击 波 ； 船 结构 ；损伤 等级 舰
中 图 分 类 号 ： Ｕ ７ ． ６ ４９ 文 献标 识码 ： Ａ
文章编 号 ： １７ － ６ ９ ２ １ ） ７ ０ ４ － ５ ｄ ｉｉ． ４ ４ ｊｉ ｎ １７ － ６ ９ ２ １ ． ７ ０ ８ ６ ２ ７ ４ （ ０ ２ ０ — ０ ０ ０ ｏ ：０ ３ ０ ／．ｓ ． ６ ２ ７ ４ ． ０ ２ ０ ． ０ ｓ
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水下爆炸载荷作用下舰船总体毁伤模式研究
选取适量 Ｔ ＮＴ作 为 爆 炸 物 ， 船 舯 正 下 方 在 距 船底 一定 距离 爆炸 。
２ 计 算 结果 分析
图 ４ 船 底 骨 架 变 形
２ １ 冲击波 阶段 毁伤模 式 ．
图 ２为典 型部位 的应 力 时历 曲线 。
图 ２ 典型部位应 力时历曲线
动载 荷所 引起 的压力 载荷 ｌ 。 ＿ ４ ］
１ ２ 流 固耦 合 ．
几 乎都 集 中在 冲击 波载 荷作 用 下 的结构 响 应 与局 部 破坏 方 面口 ］极 少 考虑 气泡 脉 动载 荷作 用 下 的 ， 舰 船 响应 和毁 伤 ， 无 疑 会 给 舰 船 抗 爆 抗 冲击 设 这
动 阶段 舰 船 毁 伤 模 式 及 规 律 。
关键 词 ： 舰船 总体 ； 冲击 波 ； 气泡脉 动 ； 毁伤模式
中 图 分 类 号 ： ６ ． Ｕ６ １４ 文献标志码 ： Ａ 文 章 编 号 ：６ １７ ５ （０ １ ０ —０ ５０ １ ７ —９ ３ ２ １ ） ２０ ４ —４
舰 船在 水下 爆 炸载 荷作 用下 可 能 因丧失 总 纵
一 一
（） ２
（） ３
收 稿 日期 ：０ ００ —６ ２ １ —７０
修 回 日期 ： ０ ０ ０ —０ ２ １ —９ １
Ｋ ｒ ｓ， ） （ Ｖ
１ ３ 模 型及 计算 工 况 ． 采 用 ＡＢ ＡＱＵＳ非 线 性 有 限元 程 序 ， 算 不 计
作 者 简 介 ： 令 玉 （９ ６）男 ， 士 ， 理 工 程 师 。 曾 １ ８一 ， 硕 助 研 究 方 向 ： 泡 动 力 学 及 船 舶 及 海 洋 结 构 物 抗 爆 抗 气 冲击 研 究
第 ４ Ｏ卷 第 ２ 期 ２１ ０ １年 Ｏ ４月
水下爆炸载荷下舰船响应与毁伤研究综述
第25卷第5期水下无人系统学报 Vol. 25No. 5 2017年12月 JOURNAL OF UNMANNED UNDERSEA SYSTEMS Dec. 2017收稿日期: 2017-09-30; 修回日期: 2017-11-10.基金项目: 国家自然科学基金项目(51479204、51409253、51679246).作者简介: 金 键(1990-), 男, 在读博士, 主要研究方向为舰船抗爆抗冲击.[引用格式] 金键, 朱锡, 侯海量, 等. 水下爆炸载荷下舰船响应与毁伤研究综述[J]. 水下无人系统学报, 2017, 25(5): 396-409.【编者按】现代舰船的生命力和战斗力受到鱼、水雷等水中兵器的严重威胁, 开展水下爆炸载荷下舰船响应与毁伤研究具有十分重要的现实意义。
水下爆炸载荷下舰船的响应与毁伤过程是复杂的非线性动态过程, 属大变形、强非线性问题, 涉及流体力学、气泡动力学、爆炸力学、塑性力学、塑性动力学、结构力学、断裂力学、结构振动学、水弹性力学及计算机应用等众多学科及相互之间的交叉。
目前对水下爆炸的基本过程、物理现象和载荷特性的研究较为成熟, 对复杂边界条件下的水下爆炸过程和载荷特性的研究也有了长足的进展, 而水下爆炸载荷下舰船动响应过程、毁伤机理问题还有待进一步研究。
在受到水中兵器的攻击情况下, 如何根据舰船动响应过程与毁伤机理合理选取材料、设置优化结构是舰船防护中亟待解决的问题。
在国内, 朱锡教授带领的舰船抗爆抗冲击技术研究团队在舰船防护装甲材料、舰船防护结构设计方法、舰船结构防护/承载/隐身多功能一体化等方向有深入研究, 取得了一批原创性成果。
目前团队承担着武器装备预研项目、国防973项目、国家自然科学基金重点项目等多项国家级项目的研究与研制任务。
本刊特邀其团队成员金键博士系统梳理了水下爆炸下舰船响应与毁伤问题, 以综述形式呈现, 旨在让读者对水下爆炸的过程、分类和载荷特征、舰船动响应过程和毁伤机理以及研究方法和研究趋势有清晰的了解与认识。
水下接触爆炸作用下舰船板壳结构动态响应模拟
水下接触爆炸作用下舰船板壳结构动态响应模拟水下冲击载荷对舰船板壳结构的破坏是非常复杂的，对于该问题的深入研究，有助于设计出最合理的能够有效的抵抗导弹战斗部攻击的结构。
随着现代化、攻击型武器的发展，开展这方面的研究显得尤为重要。
本文针对水下爆炸冲击载荷对舰船板壳结构的破坏，进行了仿真分析和研究。
利用有限元计算软件LS DYNA进行了一系列有关水下接触爆炸引起的冲击载荷对舰船板壳结构破坏过程
的仿真模拟。
首先，模拟仿真了平板和矩形加筋板的水下爆炸的过程，分析了平板、井字加筋板、十字加筋板在相同爆炸冲击载荷作用下的破坏过程，得出矩形加筋板的抗爆能力强于平板的抗爆能力。
其次，模拟仿真了单层钢板在水下多炸药同时爆炸作用下的动力响应，根据炸药位置的不同，分析对钢板的不同破坏程度。
另外，本文还模拟了多层板水下的爆炸过程，针对板与板之间不同介质进行了对比分析，得到合理的分布情况。
采用蒙特卡罗模拟的方法得出单层钢板在水下爆炸冲击荷载作用下的失效概率。
蒙特卡罗模拟通常要求样本数量很大，耗机时较多，而本文采用对较小的样本数量进行拟合的方法，这种方法充分利用了各随机变量的具体信息，大大简化了计算。
即用产生随机数程序得到100组随机变量的初始值，然后进行仿真计算，得到钢板在冲击荷载作用下的应力分布。
再拟合应力分布的分布函数，进而求得冲击破坏概率。
水下爆炸气泡射流对船体破坏效应研究
水 下 爆 炸 气 泡 射 流 对 船 体 破 坏 效 应 研 究
金 辉， 周 学 滨 ， 管 起 亮 ， 刘 文 思
（９ １ ４ ３ ９部 队 ， 大连 １ １ ６ ０ ４ １ ）
摘 要： 兵器水下爆炸 时， 由 于船 体 边 界 存 在 影 响 了气 泡 自由膨 胀 ， 使 气 泡 上 升 过 程 中会 朝 船 体 方 向运 动 ，
流对 船 体 结 构 的 二 次 加 载 压 力 能 使 船 体 外 板 出现 较 大 范 围 的 塑性 变 形 ， 使 船 体 结 构 受到 严 重二 次毁 伤 。
关 键 词 ： 水 下 爆 炸 ；气 泡 ； 射 流 ；毁 伤
中 图分 类 号 ： Ｔ Ｇ １ ５ ６
文献标识码 ： Ａ
第 ３ ２卷
第 ２期
爆
破
Ｖｏ １ ． ３ ２ Ｎｏ ． ２
２ ０ １ ５年 ６月
ＢＬＡＳ ＴＩ ＮＧ
Ｊ ｕ ｎ ． ２ ０１ ５
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与 陆上 爆炸 一 样 ， 一是 能量高速释放 ， 产 生 强 冲 击
水下接触爆炸载荷下舰船舷侧多层防护结构毁伤过程研究
水下接触爆炸载荷下舰船舷侧多层防护结构毁伤过程研究大型舰船在海战中必然面临水下接触爆炸引起的冲击破坏问题。
水下接触爆炸比空中爆炸更具破坏性,反舰武器直接击中舰船舷侧会造成舰船大范围破舱进水、舰船内部设备损毁和大量人员伤亡,致使舰船丧失战斗力甚至沉没。
为提高舰船在海战中的有效生命力,大型舰船以空间换防护,在舷侧设置多层防护结构,逐层削弱和化解爆炸冲击载荷对舰船的毁伤效应。
因此,研究水下接触爆炸载荷下舷侧多层防护结构毁伤过程对评估舰船生命力、提高舰船防护性能及设计新型舷侧多层防护结构具有重要意义。
本文在水下爆炸载荷理论和水下冲击波数值模拟研究基础上,对典型多层防护结构进行数值模拟研究并与相关试验结果进行对比,确定多欧拉域流固耦合计算数值模拟方法;以某大型舰船舷侧多层防护结构为研究对象,结合瞬态动力学分析软件,详细研究膨胀舱隔板泄爆孔、液舱内液体比例对舷侧多层防护结构防护性能影响,确定舷侧多层防护结构膨胀舱和液舱结构形式;基于水下接触爆炸载荷下舷侧多层防护结构破坏模式,对液舱内板板厚敏感性进行分析,确定敏感度较高结构,进而对不同膨胀舱板厚、不同炸药量下舷侧多层防护结构动态响应进行研究,获得舷侧多层防护结构动态响应变化规律,并以此为基础建立水下接触爆炸载荷下舷侧多层防护结构毁伤耗能预报公式,实现对舰船舷侧多层防护结构毁伤耗能快速预报;对原始舷侧多层防护结构进行尺寸优化并进行数值仿真验证,得到比吸能最优舱壁板厚组合;提出一种新型隔板形式舷侧多层防护结构并与典型舷侧多层防护结构动态响应进行对比。
主要研究内容如下:(1)水下爆炸冲击波理论研究及有限元技术验证。
研究爆轰波理论及爆轰波后水下爆炸冲击波的传播过程和参数方程,进而对不同网格尺寸下水下爆炸冲击波传播过程进行数值模拟,得到计算误差较小的网格尺寸。
在此基础上,采用多欧拉域流固耦合计算方法,对典型多层防护结构进行数值模拟研究并与文献试验结果对比,从而验证本文有限元技术的可靠性,为后续研究提供理论和技术方法依据;(2)水下接触爆炸载荷下舷侧多层防护结构防护特性研究。