兵工学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (7): 2341-2350.doi: 10.12382/bgxb.2023.0306
张勇1, 肖正明1,*(), 段浩2, 伍星1,3, 卢敏1, 王浩1
收稿日期:
2023-04-04
上线日期:
2023-07-11
通讯作者:
基金资助:
ZHANG Yong1, XIAO Zhengming1,*(), DUAN Hao2, WU Xing1,3, LU Min1, WANG Hao1
Received:
2023-04-04
Online:
2023-07-11
摘要:
针对水下中远场爆炸作用下航行体表面动态响应复杂、预测困难的问题,基于任意欧拉-拉格朗日数值算法,考虑自由面对冲击波反射的影响,利用爆炸相似理论细化模型网格,运用有限元软件对水下爆炸模型进行求解。分析冲击波作用下航行体表面动态应力峰值出现的时间和区域,并对其动态响应随当量、爆距及水深的变化规律进行研究。利用数值拟合方法得到航行体表面动态应力方程,并通过决定系数验证其可靠性,在定当量、爆距情况下可直接求解其动态应力。研究结果表明:当量增加,动态应力在相同爆距区间内衰减速率增大;爆距增大,动态应力在相同当量区间内增长速率降低;深度每下降100m,动态应力增长20MPa左右。所得研究结果可为中远场水下爆炸作用下航行体安全防护和抗冲击研究提供一定参考。
中图分类号:
张勇, 肖正明, 段浩, 伍星, 卢敏, 王浩. 水下中远场爆炸冲击波作用下航行体表面动态响应分析[J]. 兵工学报, 2024, 45(7): 2341-2350.
ZHANG Yong, XIAO Zhengming, DUAN Hao, WU Xing, LU Min, WANG Hao. Dynamic Response of Vehicle Surface under the Action of Underwater Middle and Far Field Explosion Shock Waves[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(7): 2341-2350.
材料名称 | 材料模型 | 状态方程 |
---|---|---|
炸药 | 高爆材料模型 | JWL |
水 | 空材料模型 | Gruneisen |
航行体 | JC材料模型 | Gruneisen |
空气 | 空材料模型 | 多项式状态方程 |
表1 材料模型和状态方程
Table 1 Material model and equation of state
材料名称 | 材料模型 | 状态方程 |
---|---|---|
炸药 | 高爆材料模型 | JWL |
水 | 空材料模型 | Gruneisen |
航行体 | JC材料模型 | Gruneisen |
空气 | 空材料模型 | 多项式状态方程 |
ATNT/GPa | BTNT/GPa | R1 | R2 | ω |
---|---|---|---|---|
371.2 | 3.231 | 4.15 | 0.95 | 0.3 |
表2 炸药JWL状态方程参数
Table 2 Parameters of explosive JWL equation of state
ATNT/GPa | BTNT/GPa | R1 | R2 | ω |
---|---|---|---|---|
371.2 | 3.231 | 4.15 | 0.95 | 0.3 |
参数 | 取值 |
---|---|
密度/(kg·m-3) | 7.85×103 |
弹性模量/Pa | 2.06×1011 |
泊松比 | 0.2 |
抗拉强度/Pa | 4.9×108~6.2×108 |
屈从比 | ≤0.8 |
伸长率/% | ≥22 |
表3 Q345钢的基本材料参数
Table 3 Basic material parameters of Q345 steel
参数 | 取值 |
---|---|
密度/(kg·m-3) | 7.85×103 |
弹性模量/Pa | 2.06×1011 |
泊松比 | 0.2 |
抗拉强度/Pa | 4.9×108~6.2×108 |
屈从比 | ≤0.8 |
伸长率/% | ≥22 |
A/MPa | B/MPa | n | C |
---|---|---|---|
374 | 795.71 | 0.45 | 0.016 |
表4 Q345钢的Johnson-Cook模型参数
Table 4 Johnson-Cook model parameters of Q345 steel
A/MPa | B/MPa | n | C |
---|---|---|---|
374 | 795.71 | 0.45 | 0.016 |
参数 | 原数值模型 | 缩比数值模型 |
---|---|---|
缩尺比 | 1/1 | 1/10 |
TNT当量/kg | 800 | 0.8 |
爆距/m | 10 | 1 |
表5 原爆炸数值模型与缩比数值模型相似关系(以TNT当量800kg在10m处引爆为例)
Table 5 Similarity between the original explosion numerical model and the scaled numerical model (taking the TNT equivalent of 800kg detonated at 10m as an example
参数 | 原数值模型 | 缩比数值模型 |
---|---|---|
缩尺比 | 1/1 | 1/10 |
TNT当量/kg | 800 | 0.8 |
爆距/m | 10 | 1 |
爆距/m | yi | $\hat{y}$ | |
---|---|---|---|
1 | 510.2 | 119.3 | 510.1 |
2 | 182.1 | 119.3 | 183.1 |
3 | 98.3 | 119.3 | 97.2 |
4 | 61.3 | 119.3 | 60.1 |
5 | 40.9 | 119.3 | 40.1 |
6 | 24.2 | 119.3 | 27.8 |
7 | 19.6 | 199.3 | 19.6 |
8 | 15.3 | 119.3 | 13.8 |
表6 不同爆距下R2中各参数值(TNT,0.8kg)
Table 6 Parameters of R2 at differentblast distances (TNT,0.8kg)
爆距/m | yi | $\hat{y}$ | |
---|---|---|---|
1 | 510.2 | 119.3 | 510.1 |
2 | 182.1 | 119.3 | 183.1 |
3 | 98.3 | 119.3 | 97.2 |
4 | 61.3 | 119.3 | 60.1 |
5 | 40.9 | 119.3 | 40.1 |
6 | 24.2 | 119.3 | 27.8 |
7 | 19.6 | 199.3 | 19.6 |
8 | 15.3 | 119.3 | 13.8 |
当量/kg | 数值拟合函数 | 决定系数R2 |
---|---|---|
0.2 | f(x)=349x-2.037+4.02 | 0.987 |
0.4 | f(x)=410x-1.627-4.07 | 0.985 |
0.6 | f(x)=453x-1.672-0.14 | 0.987 |
0.8 | f(x)=524x-1.411-14.04 | 0.989 |
1.0 | f(x)=585x-1.431-14.46 | 0.981 |
1.2 | f(x)=614x-1.515-6.34 | 0.985 |
1.4 | f(x)=674x-1.369-20.95 | 0.982 |
1.6 | f(x)=735x-1.303-30.07 | 0.986 |
表7 不同当量的数值拟合函数及决定系数
Table 7 Numerical fitting functions and determination coefficients for different equivalents
当量/kg | 数值拟合函数 | 决定系数R2 |
---|---|---|
0.2 | f(x)=349x-2.037+4.02 | 0.987 |
0.4 | f(x)=410x-1.627-4.07 | 0.985 |
0.6 | f(x)=453x-1.672-0.14 | 0.987 |
0.8 | f(x)=524x-1.411-14.04 | 0.989 |
1.0 | f(x)=585x-1.431-14.46 | 0.981 |
1.2 | f(x)=614x-1.515-6.34 | 0.985 |
1.4 | f(x)=674x-1.369-20.95 | 0.982 |
1.6 | f(x)=735x-1.303-30.07 | 0.986 |
爆距/m | 数值拟合函数 | 决定系数R2 |
---|---|---|
1 | f(x)=251x+306.32 | 0.987 |
2 | f(x)=127x+69.84 | 0.976 |
3 | f(x)=66x+35.85 | 0.963 |
4 | f(x)=36x+24.42 | 0.914 |
5 | f(x)=30x+12.84 | 0.978 |
6 | f(x)=23x+7.60 | 0.968 |
7 | f(x)=14x+8.07 | 0.988 |
8 | f(x)=10x+7.52 | 0.967 |
表8 不同爆距的数值拟合函数及决定系数
Table 8 Numerical fitting functions and determination coefficients for differentblast distances
爆距/m | 数值拟合函数 | 决定系数R2 |
---|---|---|
1 | f(x)=251x+306.32 | 0.987 |
2 | f(x)=127x+69.84 | 0.976 |
3 | f(x)=66x+35.85 | 0.963 |
4 | f(x)=36x+24.42 | 0.914 |
5 | f(x)=30x+12.84 | 0.978 |
6 | f(x)=23x+7.60 | 0.968 |
7 | f(x)=14x+8.07 | 0.988 |
8 | f(x)=10x+7.52 | 0.967 |
图16 航行体表面加速度在不同当量下的时程曲线和局部放大图
Fig.16 Time history curves and local magnified images of surface acceleration of underwater vehicle under different equivalents
[1] |
罗刚, 郭正儒, 张玉龙, 等. 水下爆炸-波浪联合作用下悬浮隧道响应分析[J]. 振动与冲击, 2022, 41(6):256-264,288.
|
|
|
[2] |
罗刚, 张玉龙, 任毅, 等. 水下爆炸-移动作用下悬浮隧道管体响应[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2022, 54(3):85-94.
|
|
|
[3] |
|
[4] |
|
[5] |
|
[6] |
|
[7] |
|
[8] |
马腾, 王金相, 刘亮涛, 等. 不同长径比柱形装药水下爆炸冲击波演化规律[J]. 振动与冲击, 2022, 41(8):149-157,222.
|
|
|
[9] |
张迪洲, 何镇宏, 何心怡, 等. 水下爆炸冲击波在圆柱壳结构表面绕射衰减分布[J]. 水下无人系统学报, 2022, 3(3): 371-377.
|
|
|
[10] |
杨莉, 汪玉, 杜志鹏, 等. 沉底装药水下爆炸冲击波传播规律[J]. 兵工学报, 2013, 34(1):100-104.
doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2013.01.018 |
doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2013.01.018 |
|
[11] |
徐维铮, 黄超, 张磐, 等. 锥形长药柱水下爆炸冲击波参数计算方法[J]. 爆炸与冲击, 2022, 42(1):136-144.
|
|
|
[12] |
陈岩武, 孙远翔, 王成, 等. 水下爆炸载荷下舰船双层底部结构的毁伤特性[J]. 兵工学报, 2023, 44(3):670-681.
doi: 10.12382/bgxb.2022.0390 |
doi: 10.12382/bgxb.2022.0390 |
|
[13] |
姚熊亮, 熊帮虎, 王志凯, 等. 水下爆炸冲击波载荷沿燃气轮机结构传递特征[J]. 兵工学报, 2022, 43(9):2367-2378.
|
doi: 10.12382/bgxb.2022.0466 |
|
[14] |
张弛, 李海涛, 梅志远, 等. 典型结构参数对船体梁抗水下爆炸特性的影响[J]. 高压物理学报, 2022, 36(3):138-150.
|
|
|
[15] |
孙远翔, 陈岩武, 王成, 等. 水下爆炸载荷作用下浮体模型变形机理研究[J]. 北京理工大学学报, 2022, 42(2):118-127.
|
|
|
[16] |
胡亮亮, 黄瑞源, 李世超, 等. 水下爆炸冲击波数值仿真研究[J]. 高压物理学报, 2020, 34(1):102-114.
|
|
|
[17] |
郑永辉, 魏继锋. 水介质初始参数设置对水下爆炸载荷的影响[J]. 爆炸与冲击, 2022, 42(5):63-72.
|
|
|
[18] |
|
[19] |
刘晓波, 李帅, 张阿漫. 水下爆炸冲击波壁压理论及数值计算方法改进研究[J]. 爆炸与冲击, 2022, 42(1):123-135.
|
|
|
[20] |
宋莹, 任少飞, 吴超, 等. 相似理论在水下爆炸冲击波载荷中的应用[J]. 船舶, 2012, 23(1):44-47,54.
|
|
|
[21] |
郑长允, 赵鹏远. 水下爆炸冲击波载荷中相似理论的重要应用价值[J]. 价值工程, 2012, 31(25):295-296.
|
|
|
[22] |
张振华, 朱锡, 白雪飞, 等. 水下爆炸冲击波的数值模拟研究[J]. 爆炸与冲击, 2004, 24(2):182-188.
|
|
|
[23] |
张社荣, 李宏璧, 王高辉, 等. 空中和水下爆炸冲击波数值模拟的网格尺寸效应对比分析[J]. 水利学报, 2015, 46(3):298-306.
|
|
|
[24] |
张社荣, 李宏璧, 王高辉, 等. 水下爆炸冲击波数值模拟的网格尺寸确定方法[J]. 振动与冲击, 2015, 34(8): 93-10.
|
|
|
[25] |
|
[26] |
|
[1] | 左铭朔, 徐豫新, 李永鹏, 李旭东, 郭德龙, 杨祥. 内爆载荷下民机用定向泄爆容器结构的动态响应[J]. 兵工学报, 2024, 45(7): 2383-2392. |
[2] | 周猛, 梁民族, 林玉亮. 冲击波-破片联合载荷对固支方板的耦合作用机理[J]. 兵工学报, 2023, 44(S1): 99-106. |
[3] | 刘越, 赵子杰, 戴琪, 王安华, 张辉. 航行体水下高膛压与高速发射载荷特性[J]. 兵工学报, 2023, 44(4): 1126-1138. |
[4] | 赵猛, 戴开达, 向召, 姜涛, 赵晓松, 徐豫新. 近爆荷载下聚氯乙烯泡沫夹芯板的动力学模型研究[J]. 兵工学报, 2023, 44(12): 3884-3896. |
[5] | 韩佳彤, 王昕, 张磊, 李振, 王鹏飞, 赵振宇, 卢天健. 泡沫子弹冲击下预制圆孔Q235钢板的动态响应与破坏机理[J]. 兵工学报, 2023, 44(12): 3654-3666. |
[6] | 何佳伟, 翟峻仪, 高伟鹏, 李烨. 基于不同湍流模型的水下航行体圆柱结构流动特性数值模拟[J]. 兵工学报, 2022, 43(S2): 53-63. |
[7] | 张春, 王宝寿. 水下航行体超声速射流与尾空泡耦合作用初期的流场特性[J]. 兵工学报, 2022, 43(7): 1685-1694. |
[8] | 权晓波, 尤天庆, 张晨星, 王凡瑜, 孔德才. 水下垂直发射航行体尾空泡振荡演化特性[J]. 兵工学报, 2021, 42(8): 1728-1734. |
[9] | 宁子轩, 王琳, 程兴旺, 程焕武, 刘安晋, 徐雪峰, 周哲, 张斌斌. 分离式霍普金森压杆加载下不同组织Ti-6321钛合金的动态响应行为[J]. 兵工学报, 2021, 42(4): 862-870. |
[10] | 鄢阿敏, 皮爱国, 王健, 黄风雷, 王晓锋. 基于薄层单元模型的弹体与引信系统螺纹连接参数确定方法[J]. 兵工学报, 2021, 42(4): 743-754. |
[11] | 张晓光, 李斌, 党会学, 温金鹏, 孙潘. 水下航行体充气上浮仿真方法研究[J]. 兵工学报, 2020, 41(7): 1249-1261. |
[12] | 宋武超, 王聪, 魏英杰, 许昊, 卢佳兴. 水下航行体俯仰运动微气泡减阻特性试验研究[J]. 兵工学报, 2019, 40(9): 1902-1910. |
[13] | 宋武超, 王聪, 魏英杰, 夏维学. 水下航行体俯仰运动微气泡流形态及减阻特性试验研究[J]. 兵工学报, 2019, 40(6): 1216-1225. |
[14] | 郑佳佳, 阚君武, 张广, 王炅, 欧阳青. 火炮反后坐多级独立式磁流变缓冲器可控性分析[J]. 兵工学报, 2019, 40(4): 708-717. |
[15] | 时素果, 王亚东, 杨晓光, 刘乐华. 超空泡航行体运动过程流体动力特性试验研究[J]. 兵工学报, 2019, 40(11): 2266-2271. |
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