兵工学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (2): 345-359.doi: 10.12382/bgxb.2021.0598
张轶凡1, 刘亮涛1*(), 王金相1**(
), 李恒2, 唐奎1
收稿日期:
2021-09-03
上线日期:
2022-06-09
通讯作者:
**邮箱: wjx@njust.edu.cn
基金资助:
ZHANG Yifan1, LIU Liangtao1*(), WANG Jinxiang1**(
), LI Heng2, TANG Kui1
Received:
2021-09-03
Online:
2022-06-09
摘要:
为研究近场爆炸冲击波及气泡载荷对缩比后的鱼雷典型圆柱壳结构的毁伤特性,并探讨装药距离、装药方位等相关参数对圆柱壳结构变形特征及毁伤特性的影响规律,采用任意拉格朗日-欧拉算法对近场爆炸冲击波及气泡载荷对圆柱壳结构的毁伤特性进行了数值模拟分析。将壁面附近爆炸气泡演化过程的仿真结果和试验结果进行了对比,验证了数值模拟方法的有效性。利用该数值分析方法对多组不同装药距离和装药方位下的爆炸过程进行了研究,深入分析了冲击波、气泡脉动载荷及射流载荷等不同形式载荷对圆柱壳结构的毁伤作用机理。研究结果表明:冲击波对圆柱壳结构的毁伤效果受装药距离的影响较为明显,装药距离的增大会急剧削弱冲击波在圆柱壳上造成的破坏,而圆柱壳的方位改变对冲击波的毁伤作用影响较小;水射流载荷对圆柱壳结构产生的毁伤受方位因素的影响较为明显,当药包位于圆柱壳下方时圆柱壳迎爆面在气泡脉动及射流载荷联合作用下产生的塑性应变最大。
中图分类号:
张轶凡, 刘亮涛, 王金相, 李恒, 唐奎. 水下爆炸冲击波和气泡载荷对典型圆柱壳结构的毁伤特性[J]. 兵工学报, 2023, 44(2): 345-359.
ZHANG Yifan, LIU Liangtao, WANG Jinxiang, LI Heng, TANG Kui. Damage Characteristics of Underwater Explosion Shock Wave and Bubble Load on Typical Cylindrical Shell Structure[J]. Acta Armamentarii, 2023, 44(2): 345-359.
空气域 | 水域 | 圆柱壳 | 总计 |
---|---|---|---|
71824 | 5045636 | 4508 | 5121968 |
表1 各部分网格数量
Table 1 The number of grids in each part
空气域 | 水域 | 圆柱壳 | 总计 |
---|---|---|---|
71824 | 5045636 | 4508 | 5121968 |
ρAl/(kg·m-3) | G0/Pa | μ | Tm/K | cv/(J·Kg-1·K-1) | A/Pa | B/Pa | n | C | m | D1 | D2 | D3 | D4 | D5 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
2780 | 2.86×1010 | 0.34 | 775 | 875 | 2.4×108 | 4.26×108 | 0.34 | 0.015 | 1 | 0.13 | 0.13 | -1.5 | 0.011 | 0 |
表2 铝合金材料参数
Table 2 Material parameters of aluminum alloy
ρAl/(kg·m-3) | G0/Pa | μ | Tm/K | cv/(J·Kg-1·K-1) | A/Pa | B/Pa | n | C | m | D1 | D2 | D3 | D4 | D5 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
2780 | 2.86×1010 | 0.34 | 775 | 875 | 2.4×108 | 4.26×108 | 0.34 | 0.015 | 1 | 0.13 | 0.13 | -1.5 | 0.011 | 0 |
ρw/ (kg·m-3) | cw/ (m·s-1) | S1 | S2 | S3 | γ0 | α | Ew/Pa |
---|---|---|---|---|---|---|---|
1000 | 1480 | 1.921 | -0.096 | 0 | 0.35 | 0 | 2.895×105 |
表3 水的材料参数
Table 3 Material parameters of water
ρw/ (kg·m-3) | cw/ (m·s-1) | S1 | S2 | S3 | γ0 | α | Ew/Pa |
---|---|---|---|---|---|---|---|
1000 | 1480 | 1.921 | -0.096 | 0 | 0.35 | 0 | 2.895×105 |
ρa/(kg·m-3) | C0 | C1 | C2 | C3 | C4 | C5 | C6 | Ea/Pa |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1.29 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0.4 | 0.4 | 0 | 2.5×105 |
表4 空气材料参数
Table 4 Material parameters of air
ρa/(kg·m-3) | C0 | C1 | C2 | C3 | C4 | C5 | C6 | Ea/Pa |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1.29 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0.4 | 0.4 | 0 | 2.5×105 |
At/Pa | Bt/Pa | R1 | R2 | ω | Et/(J·kg-1) |
---|---|---|---|---|---|
3.712×1011 | 3.23×109 | 4.15 | 0.95 | 0.3 | 3.8×106 |
表5 TNT材料参数
Table 5 Material parameters of TNT
At/Pa | Bt/Pa | R1 | R2 | ω | Et/(J·kg-1) |
---|---|---|---|---|---|
3.712×1011 | 3.23×109 | 4.15 | 0.95 | 0.3 | 3.8×106 |
工况 编号 | 参数 | |||
---|---|---|---|---|
药量/g | 爆炸水深/m | 药包相对 圆柱壳位置 | 圆柱壳相对 药包距离/m | |
1 | 27.0 | 2.7 | 下方 | 0.05 |
2 | 27.0 | 2.7 | 下方 | 0.10 |
3 | 27.0 | 2.7 | 下方 | 0.15 |
4 | 27.0 | 2.7 | 下方 | 0.20 |
5 | 27.0 | 2.7 | 下方 | 0.25 |
6 | 27.0 | 2.7 | 下方 | 0.30 |
表6 计算工况
Table 6 Simulation conditions
工况 编号 | 参数 | |||
---|---|---|---|---|
药量/g | 爆炸水深/m | 药包相对 圆柱壳位置 | 圆柱壳相对 药包距离/m | |
1 | 27.0 | 2.7 | 下方 | 0.05 |
2 | 27.0 | 2.7 | 下方 | 0.10 |
3 | 27.0 | 2.7 | 下方 | 0.15 |
4 | 27.0 | 2.7 | 下方 | 0.20 |
5 | 27.0 | 2.7 | 下方 | 0.25 |
6 | 27.0 | 2.7 | 下方 | 0.30 |
图11 不同爆距下圆柱壳结构在冲击波及气泡载荷作用下的塑性应变情况
Fig.11 Plastic strain of the cylindrical shell induced by shock wave and bubble load under different explosion distances
工况 编号 | 参数 | |||
---|---|---|---|---|
药量/g | 爆炸水深/ m | 圆柱壳相对 药包距离/m | 药包相对圆 柱壳位置 | |
1 | 27.0 | 2.7 | 0.10 | 下方 |
2 | 27.0 | 2.7 | 0.10 | 上方 |
3 | 27.0 | 2.7 | 0.10 | 侧方 |
表7 计算工况
Table 7 Calculation conditions
工况 编号 | 参数 | |||
---|---|---|---|---|
药量/g | 爆炸水深/ m | 圆柱壳相对 药包距离/m | 药包相对圆 柱壳位置 | |
1 | 27.0 | 2.7 | 0.10 | 下方 |
2 | 27.0 | 2.7 | 0.10 | 上方 |
3 | 27.0 | 2.7 | 0.10 | 侧方 |
图19 不同方位下圆柱壳结构在冲击波及气泡载荷作用下的塑性应变情况
Fig.19 Plastic strain of the cylindrical shell induced by shock wave and bubble load under different charge positions
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