兵工学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (12): 3562-3579.doi: 10.12382/bgxb.2023.0276
所属专题: 爆炸冲击与先进防护
成乐乐1, 黄风雷1, 武海军1,*(), 田思晨1, 陈文戈1,2
收稿日期:
2023-03-30
上线日期:
2023-12-30
通讯作者:
CHENG Lele1, HUANG Fenglei1, WU Haijun1,*(), TIAN Sichen1, CHEN Wenge1,2
Received:
2023-03-30
Online:
2023-12-30
摘要:
为探究近水面条件下,水下爆炸载荷强度及爆炸距离等因素对多舱室结构损伤特性的影响,开展多舱室结构的水下爆炸试验,结合S-ALE结构化瞬态流固耦合的数值模拟方法,对近水面爆炸时流场压力载荷的传递分布、结构的动态响应和损伤特性进行分析。基于不同爆炸强度、距离的多工况数值模拟,阐明水下爆炸载荷对多舱室结构的损伤机理,获得爆距变化时冲击波以及气泡载荷冲击做功的比例关系,总结了多舱室结构在爆炸载荷作用下的动态响应特征以及毁伤模式。研究结果表明:多舱室结构会产生剪切破口、撕裂、凹陷塑性变形、压溃屈曲等耦合损伤形式,结构损伤的不连续性和非线性变形引起爆炸气泡的不对称膨胀运动,导致舱室内压力分布呈现冲击波特征和准静态特征;冲击波和气泡载荷共同引起多舱室结构的局部损伤和整体响应,气泡载荷引起的结构动能增长幅度约50%以上。
中图分类号:
成乐乐, 黄风雷, 武海军, 田思晨, 陈文戈. 水下爆炸作用下多舱室结构的动力响应及损伤特性[J]. 兵工学报, 2023, 44(12): 3562-3579.
CHENG Lele, HUANG Fenglei, WU Haijun, TIAN Sichen, CHEN Wenge. Research on Dynamic Response and Damage Characteristics of Multi-cabin Structure under the Impact of Underwater Explosion[J]. Acta Armamentarii, 2023, 44(12): 3562-3579.
工况 | 试验模型 | 炸药材料 | 炸药重量/g | 爆距/mm |
---|---|---|---|---|
1 | 多舱室结构 | GUHL | 360 | 270 |
2 | 多舱室结构 | GUHL | 720 | 270 |
表1 水下爆炸试验工况
Table 1 Underwater explosion test conditions
工况 | 试验模型 | 炸药材料 | 炸药重量/g | 爆距/mm |
---|---|---|---|---|
1 | 多舱室结构 | GUHL | 360 | 270 |
2 | 多舱室结构 | GUHL | 720 | 270 |
ρ/(g·cm-3) | D/(m·s-1) | S1 | S2 | S3 | γ0 | α |
---|---|---|---|---|---|---|
1.025 | 1480 | 2.56 | -1.986 | 0.2268 | 0.4934 | 0 |
表2 水的状态方程
Table 2 Equation of state of water
ρ/(g·cm-3) | D/(m·s-1) | S1 | S2 | S3 | γ0 | α |
---|---|---|---|---|---|---|
1.025 | 1480 | 2.56 | -1.986 | 0.2268 | 0.4934 | 0 |
ρ/(g·cm-3) | c0 | c1 | c2 | c3 | c4 | c5 | c6 | γ | E0/MPa |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1.292×10-3 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0.4 | 0.4 | 0 | 1.4 | 0.25 |
表3 空气的状态方程
Table 3 Equation of state of air
ρ/(g·cm-3) | c0 | c1 | c2 | c3 | c4 | c5 | c6 | γ | E0/MPa |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1.292×10-3 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0.4 | 0.4 | 0 | 1.4 | 0.25 |
ρ/ (g·cm-3) | D/ (m·s-1) | pCJ / GPa | A/ GPa | B/ GPa | R1 | R2 | ω | E0/ MPa |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1.8 | 6200 | 17.3 | 804.543 | 12.678 | 5.442 | 1.416 | 0.125 | 9.5 |
表4 GUHL炸药的状态方程
Table 4 Equation of state for GUHL explosive
ρ/ (g·cm-3) | D/ (m·s-1) | pCJ / GPa | A/ GPa | B/ GPa | R1 | R2 | ω | E0/ MPa |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1.8 | 6200 | 17.3 | 804.543 | 12.678 | 5.442 | 1.416 | 0.125 | 9.5 |
ρ/(g·cm-3) | E/GPa | v | σy/MPa | Et/MPa | εf |
---|---|---|---|---|---|
7.85 | 207 | 0.3 | 415.6 | 1547 | 0.2 |
表5 Q345E钢的材料参数
Table 5 Material parameters of Q345E steel
ρ/(g·cm-3) | E/GPa | v | σy/MPa | Et/MPa | εf |
---|---|---|---|---|---|
7.85 | 207 | 0.3 | 415.6 | 1547 | 0.2 |
部件 | 工况1 | 工况2 |
---|---|---|
底板 | 192.3 | 265.0 |
甲板01 | 287.1 | 566.2 |
甲板02 | 176.8 | 332.7 |
甲板03 | 29.2 | 49.9 |
纵舱壁01 | 32.2 | 367.1 |
纵舱壁02 | 7.0 | 90.6 |
横舱壁01 | 238.6 | 408.8 |
横舱壁02 | 185.5 | 329.9 |
横舱壁03 | 8.7 | 7.6 |
表10 各部件的损伤变形值
Table 10 Damage and deformation datamm
部件 | 工况1 | 工况2 |
---|---|---|
底板 | 192.3 | 265.0 |
甲板01 | 287.1 | 566.2 |
甲板02 | 176.8 | 332.7 |
甲板03 | 29.2 | 49.9 |
纵舱壁01 | 32.2 | 367.1 |
纵舱壁02 | 7.0 | 90.6 |
横舱壁01 | 238.6 | 408.8 |
横舱壁02 | 185.5 | 329.9 |
横舱壁03 | 8.7 | 7.6 |
工况 | 炸药质量/g | 爆距/mm |
---|---|---|
EC1 | 360 | 170、270、370、470、570、670 |
EC2 | 720 |
表11 数值模拟扩展工况
Table 11 Extended cases for numerical simulation
工况 | 炸药质量/g | 爆距/mm |
---|---|---|
EC1 | 360 | 170、270、370、470、570、670 |
EC2 | 720 |
[1] |
NAGESH,
doi: 10.1016/j.ijimpeng.2021.103950 URL |
[2] |
doi: 10.1016/j.compstruct.2021.113684 URL |
[3] |
沈超, 张磊, 周章涛, 等. 水下近距和接触爆炸载荷作用下板架结构动态响应机理[J]. 兵工学报, 2023, 44(4): 1050-1061.
|
doi: 10.12382/bgxb.2022.0037 |
|
[4] |
苏标, 姚熊亮, 孙龙泉, 等. 水下接触爆炸作用下双层加筋板架结构的损伤特征[J]. 兵工学报, 2021, 42(增刊1): 127-134.
|
|
|
[5] |
|
[6] |
doi: 10.1016/j.ijimpeng.2003.01.001 URL |
[7] |
doi: 10.1016/j.apor.2021.102780 URL |
[8] |
doi: 10.1016/j.ijimpeng.2013.03.009 URL |
[9] |
doi: 10.1016/j.oceaneng.2022.112839 URL |
[10] |
doi: 10.1016/j.jmps.2020.104051 URL |
[11] |
doi: 10.1016/j.tws.2017.11.010 URL |
[12] |
doi: 10.1016/j.ijmecsci.2010.01.005 URL |
[13] |
doi: 10.1080/17445302.2020.1865715 URL |
[14] |
doi: 10.1016/j.ijimpeng.2016.10.004 URL |
[15] |
doi: 10.1016/j.ijimpeng.2010.11.005 URL |
[16] |
朱锡, 张振华, 刘润泉, 等. 水面舰艇舷侧防雷舱结构模型抗爆试验研究[J]. 爆炸与冲击, 2004(2): 133-139.
|
|
|
[17] |
doi: 10.1016/j.ijimpeng.2013.11.009 URL |
[18] |
doi: 10.1016/j.tws.2022.110430 URL |
[19] |
doi: 10.1016/j.jfluidstructs.2019.03.019 URL |
[20] |
张之凡, 谢宇杰, 王成, 等. 近自由面水下爆炸气泡与破损结构耦合作用机理研究[J]. 北京理工大学学报, 2022, 42(9): 909-917.
|
|
|
[21] |
doi: 10.1063/5.0090098 URL |
[22] |
doi: 10.1063/5.0145415 URL |
[23] |
doi: 10.1016/j.ijimpeng.2023.104590 URL |
[24] |
doi: 10.1016/j.ijimpeng.2022.104428 URL |
[25] |
刘文思, 陆越, 周庆飞, 等. 鱼雷近场爆炸复杂载荷及对舰船毁伤模式[J]. 兵工学报, 2021, 42(4): 842-850.
|
doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2021.04.018 |
|
[26] |
秦健, 艾东民, 吴成, 等. 几种炸药水下爆炸能量损失特性分析研究[J]. 兵工学报, 2015, 36(增刊2): 38-42.
|
|
|
[27] |
孟龙, 黄瑞源, 王金相, 等. 小当量梯恩梯水下爆炸气泡脉动的数值模拟[J]. 兵工学报, 2020, 41(增刊1): 64-71.
|
|
|
[28] |
张杜江, 赵振宇, 贺良, 等. 基于Johnson-cook本构模型的高强度装甲钢动态力学性能参数标定及验证[J]. 兵工学报, 2022, 43(8): 1966-1976.
doi: 10.12382/bgxb.2021.0409 |
|
|
[29] |
doi: 10.1016/j.apor.2016.05.011 URL |
[30] |
吴林杰, 侯海量, 朱锡, 等. 水下接触爆炸下防雷舱舷侧空舱的内压载荷特性仿真研究[J]. 兵工学报, 2017, 38(1): 143-150.
doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2017.01.019 |
|
|
[31] |
doi: 10.1016/j.ijimpeng.2019.04.018 URL |
[1] | 严泽臣,岳松林,邱艳宇,王建平,赵跃堂,施杰,李旭. 水下爆炸冲击波反射压力计算方法的改进[J]. 兵工学报, 2024, 45(4): 1196-1207. |
[2] | 李婧, 孙晓霞, 马兴龙, 朱文祥. 开孔泡沫金属传热和流动特性[J]. 兵工学报, 2024, 45(1): 122-130. |
[3] | 康耕新, 颜海春, 张亚栋, 刘明君, 郝礼楷. 接触爆炸下混凝土墩破坏效应试验与数值模拟[J]. 兵工学报, 2024, 45(1): 144-155. |
[4] | 雷娟棉, 高毅, 勇政. 旋转导弹横向喷流干扰特性数值模拟[J]. 兵工学报, 2024, 45(1): 105-121. |
[5] | 王新宇, 姜春兰, 王在成, 方远德. 烤燃条件下JEO聚能装药战斗部泄压结构研究[J]. 兵工学报, 2024, 45(1): 1-14. |
[6] | 雷特, 武郁文, 徐高, 邱彦铭, 康朝辉, 翁春生. 基于大涡模拟方法的三维旋转爆轰流场结构研究[J]. 兵工学报, 2024, 45(1): 85-96. |
[7] | 周广盼, 王荣, 王明洋, 丁建国, 张国凯. 涂覆聚脲混凝土自锚式悬索桥主梁抗爆性能试验与数值模拟[J]. 兵工学报, 2023, 44(S1): 9-25. |
[8] | 寇永锋, 杨坤, 张斌, 肖迤文, 鲁建英, 陈朗. 基于烤燃实验和数值模拟的战斗部装药热安全性[J]. 兵工学报, 2023, 44(S1): 41-49. |
[9] | 李旭, 岳松林, 邱艳宇, 王明洋, 邓树新, 刘念念. 近场水下爆炸气泡与混凝土组合板相互作用的试验研究[J]. 兵工学报, 2023, 44(S1): 79-89. |
[10] | 周龙云, 李小军, 闫秋实. 近场水下爆炸荷载作用下桥墩动力响应分析[J]. 兵工学报, 2023, 44(S1): 90-98. |
[11] | 余双洋, 彭永. 4340钢弹侵彻45号钢靶的温升数值模拟[J]. 兵工学报, 2023, 44(S1): 144-151. |
[12] | 余雯君, 陈胜云, 邓树新, 于冰冰, 晋冬艳. 爆炸冲击波在变向通道中传播规律数值模拟[J]. 兵工学报, 2023, 44(S1): 180-188. |
[13] | 杜永刚, 王雪松, 万志华. 助飞运载器螺旋传动失效的机理研究[J]. 兵工学报, 2023, 44(7): 2033-2040. |
[14] | 李富荣, 荣吉利, 王玺, 陈子超, 韦振乾, 赵自通. 水下爆炸载荷下金字塔夹芯板抗冲击性能及破坏模式研究[J]. 兵工学报, 2023, 44(7): 1954-1965. |
[15] | 高铁锁, 江涛, 傅杨奥骁, 丁明松, 刘庆宗, 董维中, 许勇, 李鹏. 不同尺度飞行器周围等离子体分布及电磁波传输效应[J]. 兵工学报, 2023, 44(6): 1809-1819. |
阅读次数 | ||||||
全文 |
|
|||||
摘要 |
|
|||||