2018-3-66水下爆炸气泡对舰船冲击环境的影响
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第 13 卷 第 3 期 2018 年 6 月
中 国 舰 船 研 究 Chinese Journal Ship Research 中 国 舰 of 船 研 究
Vol.13 No.3 Jun. 2018 第 13 卷
引用格式： 曾令玉， 蔡尚， 王诗平 . 水下爆炸气泡对舰船冲击环境的影响 ［J］ . 中国舰船研究， 2018， 13 （3） ： 66-71. ZENG L Y， CAI S， WANG S P. Effects of underwater explosion bubble on shock environment of warship ［J］ . Chinese Journal of Ship Research， 2018， 13 （3） ： 66-71.
1 (γ - 1)
γ
， cc =
γK c ρc
以上式中：a 为气泡半径；ȧ 为气泡壁面速度；ä 为气泡的加速度； u 为气泡平移上浮速度， u̇ 为其 对 时 间 的 导 数 ；c I 为 流 场 声 速 ；K c 为 材 料 常 数 ；
ρ æa ö P (t ) = 1 l ç c ÷ V̈ ( t ) （1） R 4π è R ø 4πa c V̈ ( t ) = P 0.825 1 exp ( - 1.338t/T c ) + ρI c
（3） （4） （5）
φ ̇ l0 =
æ 1 1 ρg ö 1 é + ξ ÷ æ ȧ 2 + 1 u̇ 2 ö ê ç + ê 3 ø (1 + ξ ) ëè 2 2 ρ l øè ρ g φ l0 2 φ ù cg + (1 + ξ ) u̇ l1 - Zú ρl a 3 a û
（6）
φ ̇ l1 =
收稿日期： 2017 - 07 - 03 网络出版时间： 2018-5-18 11:37
of decks. To obtain more accurate data，a 1.5 times bubble pulsation cycle each time is recommended for accuracy of the navy standard.［Conclusions］The results of this paper can be helpful for standardizing the
2 College of Shipbuilding Engineering， Harbin Engineering University， Harbin 150001， China the effects of bubble pulsation pressure on a hull's shock environment， ［Methods］ acoustic-structure this basis，the shock environment under bubble pulsation pressure is studied.［Results］The results show the simulation data with the experimental data in the literature，the method is shown to be effective. On Abstract： ［Objectives］ In order to standardize the load system of a hull's shock environment and study
（8）
其中，
ξ=
ρg cg ， ρIcI
1
理论背景
对于水下爆炸冲击载荷， 主要分为 2 个阶段：
［9］
éæ φ ö2 ρ g æ φ g1 ö2ù 1 1 Z= P - p l + ρ l gu + êç l1 ÷ - ç ÷ú ρl g 3 êè a ø ρl è a ø ú ë û
(
)
一是冲击波阶段， 二是气泡脉动阶段
水下爆炸气泡对舰船冲击环境的影响
曾令玉 1， 蔡尚 2， 王诗平 2
2 哈尔滨工程大学 船舶工程学院， 黑龙江 哈尔滨 150001
摘 要： ［目的］为了优化舰船冲击环境预报载荷体系及研究气泡脉动压力对舰船冲击环境的影响， ［方法］基 于 ABAQUS 有限元分析软件， 采用声固耦合方法模拟某舰水下非接触爆炸特性， 通过与现有文献实验数据的对
1 中国舰船研究设计中心， 湖北 武汉 430064
比验证该方法的有效性。在此基础上， 针对水下爆炸气泡脉动压力进行冲击环境特性的研究。 ［结果］结果表 明： 气泡脉动压力对舰船低频响应有放大作用， 垂向冲击谱值的影响要大于其他 2 个方向； 上层甲板受气泡脉动 的影响仍然较大， 验证了甲板低频响应的衰减规律； 对水下爆炸实验和冲击环境进行预报时， 计算时间选取为
1.5 倍气泡一次脉动周期才可得到较准确的冲击环境数据， 以此来验证海军标的准确性。 ［结论］研究结果有利 于优化舰船冲击环境预报流程中各参数的选取， 并可用于指导舰船冲击环境的预报。 关键词： 水下爆炸； 冲击响应； 气泡脉动； 低频载荷； 冲击环境； 计算时间 中图分类号： U661.71
文献标志码： A DOI： 10. 19693/j.issn.1673-3185. 01033
Effects of underwater explosion bubble on shock environment of warship
1 China Ship Development and Design Center， Wuhan 430064， China ZENG Lingyu1， CAI Shang2， WANG Shiping2
ρg ρg ö æ ö æ 1 é + 2ξ ÷ ȧ u̇ - ç1 ê ç1 + ÷ê ρl ρl ø (1 + ξ ) ëè ø è ρ g æ φ l1 φ g1 ö 3 ù 2 cgç 2 + ÷ + C D u̇ ú ú ρl è a a ø 8 û
（7）
φ ̇ g1 =
cg cg æ ρg ö æ ö 1 é + ξ ÷ ȧ u̇ + ç1 ê ç2 + ê cI è ρl ÷ (1 + ξ ) ëè c I ø ø φ g1 ö c g 3 ù æ φ c g ç 2 l1 + C D u̇ 2ú ÷ú a ø cI 8 è a û
基金项目 ： 国家自然科学基金资助项目 （11672082）
作者简介 ： 曾令玉， 男， 1986 年生， 硕士， 工程师。研究方向： 舰船结构。
蔡尚 （通信作者） ， 男， 1993 年生， 硕士生。研究方向： 舰船水下爆炸与抗冲击。
王诗平， 男， 1983 年生， 博士， 副教授。研究方向： 气泡动力学， 流固耦合分析。
， 且忽略
第 1 次气泡脉动之后的载荷。关于冲击波阶段及 气泡膨胀和收缩阶段的载荷确定， 文献 ［10］ 给出 了估算公式。 压力 P (t ) 为 1）当 t < 7T c 时 ， 即冲击波阶段， 此时冲击波
æV ö æV ö P g = K c ç c ÷ ，ρ g = ρ c ç c ÷ ， èV ø èV ø æ V ö2 c g = cc ç c ÷ èV ø
influence of the vertical shock spectrum is greater than in the other two directions. The upper decks are still affected more strongly by bubble pulsation，which verifies the decaying rule of the low frequency response experiments involving underwater explosion or the prediction of shock environments，which verifies the selection of parameters in the process of shock environments， and provide a reference for shock environment forecast research. Key words： underwater explosion； shock response； bubble pulsation； low frequency load； shock environment； computational time
A
p I 为爆心处流体静压； C D 为经验流体阻力系数； V c 为 药 包 的 初 始 体 积 ；ρ c 为 炸 药 密 度 ；γ 为 气 体
的比热容；g 为重力加速度； φ φ φ ̇ l0 ， ̇ l1 ， ̇ g1 分别为 流体径向速度势的时间导数、 气泡平移运动速度 势的时间导数和气体径向速度势的时间导数；ξ
第3期
曾令玉等： 水下爆炸气泡对舰船冲击环境的影响
0
引
言
Pc = K mc
(
13
ac
)
67
1+A
， 其中 m c 和 a c 分别为药包质量
舰船作为海上作战的主要装备越来越受到各 国海军的重视， 舰船生命力不仅是表征舰船整体 性能的一个重要指标， 也是保证舰船发挥作战效 能的先决条件。因此， 研究舰船水下爆炸载荷作 用下的冲击环境特性， 对于提高舰船生命力就显 得尤为重要［1-2］。而对于舰船冲击环境的预报， 准 确的载荷输入是得到可靠预报结果的前提。中、 远场的水下爆炸对结构产生的载荷除冲击波外， 还有气泡脉动压力。虽然气泡引起的压力波峰值 相对较小 （约为冲击波的 10%~20%） ， 但持续时间 次压力同样容易造成舰船结构强度的破坏［3-4］。 气泡脉动对于舰船结构的影响研究由来已 久。姚熊亮等［5］围绕水下爆炸气泡对结构的毁伤 问题， 分别从实验研究、 理论研究、 数值研究等方 面阐述了国内外的研究现状。张弩［6］基于势流理 论， 计及气泡、 波浪及砰击等弯矩影响， 建立了气 泡作用下船体梁总纵强度的计算方法。Zhang 等［7-8］ 采用有限元法分析了船体梁受到气泡载荷作用时 的鞭状振动， 深入探讨了气泡脉动作用下船体结 构的响应。尽管如此， 现有的研究主要还 是 集 中 在气泡脉动作用下舰船结构的响应方面， 而有关 气泡脉动压力对舰船冲击环境的影响研究却较 少。因此， 本文将基于 ABAQUS 软件， 采用声固耦 合方法， 针对非接触水下爆炸气泡脉动压力冲击 环境特性进行研究， 旨在为舰船生命力研究提供 参考。 远大于冲击波阶段， 不仅如此， 气泡脉动产生的二
Βιβλιοθήκη Baidu
和 初 始 半 径 ，K 和 A 为 材 料 常 数 ；T c 为 临 界 时 间， T c = km c m c 为计算时间。 脉动压力 P (t ) 为 2）当 t > 7T c 时 ， 即气泡脉动阶段， 此时气泡
13
(
13
ac
)
B
， 其中 k 和 B 为材料常数； t
P (t ) = 1 ρ l ( ä a 2 + 2aȧ ) R ȧ = φ l0 φ ö æ - 1/c I ç φ ̇ l0 - ȧ 2 - 1 u̇ 2 - 2 u̇ l1 ÷ a 3 3 a ø è φ u̇ = - 2 l1 - 1/c I ( φ ̇ l1 - 2ȧ u̇ ) a
[
0.174 9 exp ( - 0.180 5t/T c )]
（2）
式中：R 为测点到气泡中心的距离；ρ l 为流体密 度 ； V 为 气 泡 体 积 ； Pc 为 临 界 压 力 ，
coupling methods are used to simulate a hull subjected to a non-contact underwater explosion. Comparing that bubble pulsation pressure has an amplification effect on the low frequency response of a ship，and the
中 国 舰 船 研 究 Chinese Journal Ship Research 中 国 舰 of 船 研 究
Vol.13 No.3 Jun. 2018 第 13 卷
引用格式： 曾令玉， 蔡尚， 王诗平 . 水下爆炸气泡对舰船冲击环境的影响 ［J］ . 中国舰船研究， 2018， 13 （3） ： 66-71. ZENG L Y， CAI S， WANG S P. Effects of underwater explosion bubble on shock environment of warship ［J］ . Chinese Journal of Ship Research， 2018， 13 （3） ： 66-71.
1 (γ - 1)
γ
， cc =
γK c ρc
以上式中：a 为气泡半径；ȧ 为气泡壁面速度；ä 为气泡的加速度； u 为气泡平移上浮速度， u̇ 为其 对 时 间 的 导 数 ；c I 为 流 场 声 速 ；K c 为 材 料 常 数 ；
ρ æa ö P (t ) = 1 l ç c ÷ V̈ ( t ) （1） R 4π è R ø 4πa c V̈ ( t ) = P 0.825 1 exp ( - 1.338t/T c ) + ρI c
（3） （4） （5）
φ ̇ l0 =
æ 1 1 ρg ö 1 é + ξ ÷ æ ȧ 2 + 1 u̇ 2 ö ê ç + ê 3 ø (1 + ξ ) ëè 2 2 ρ l øè ρ g φ l0 2 φ ù cg + (1 + ξ ) u̇ l1 - Zú ρl a 3 a û
（6）
φ ̇ l1 =
收稿日期： 2017 - 07 - 03 网络出版时间： 2018-5-18 11:37
of decks. To obtain more accurate data，a 1.5 times bubble pulsation cycle each time is recommended for accuracy of the navy standard.［Conclusions］The results of this paper can be helpful for standardizing the
2 College of Shipbuilding Engineering， Harbin Engineering University， Harbin 150001， China the effects of bubble pulsation pressure on a hull's shock environment， ［Methods］ acoustic-structure this basis，the shock environment under bubble pulsation pressure is studied.［Results］The results show the simulation data with the experimental data in the literature，the method is shown to be effective. On Abstract： ［Objectives］ In order to standardize the load system of a hull's shock environment and study
（8）
其中，
ξ=
ρg cg ， ρIcI
1
理论背景
对于水下爆炸冲击载荷， 主要分为 2 个阶段：
［9］
éæ φ ö2 ρ g æ φ g1 ö2ù 1 1 Z= P - p l + ρ l gu + êç l1 ÷ - ç ÷ú ρl g 3 êè a ø ρl è a ø ú ë û
(
)
一是冲击波阶段， 二是气泡脉动阶段
水下爆炸气泡对舰船冲击环境的影响
曾令玉 1， 蔡尚 2， 王诗平 2
2 哈尔滨工程大学 船舶工程学院， 黑龙江 哈尔滨 150001
摘 要： ［目的］为了优化舰船冲击环境预报载荷体系及研究气泡脉动压力对舰船冲击环境的影响， ［方法］基 于 ABAQUS 有限元分析软件， 采用声固耦合方法模拟某舰水下非接触爆炸特性， 通过与现有文献实验数据的对
1 中国舰船研究设计中心， 湖北 武汉 430064
比验证该方法的有效性。在此基础上， 针对水下爆炸气泡脉动压力进行冲击环境特性的研究。 ［结果］结果表 明： 气泡脉动压力对舰船低频响应有放大作用， 垂向冲击谱值的影响要大于其他 2 个方向； 上层甲板受气泡脉动 的影响仍然较大， 验证了甲板低频响应的衰减规律； 对水下爆炸实验和冲击环境进行预报时， 计算时间选取为
1.5 倍气泡一次脉动周期才可得到较准确的冲击环境数据， 以此来验证海军标的准确性。 ［结论］研究结果有利 于优化舰船冲击环境预报流程中各参数的选取， 并可用于指导舰船冲击环境的预报。 关键词： 水下爆炸； 冲击响应； 气泡脉动； 低频载荷； 冲击环境； 计算时间 中图分类号： U661.71
文献标志码： A DOI： 10. 19693/j.issn.1673-3185. 01033
Effects of underwater explosion bubble on shock environment of warship
1 China Ship Development and Design Center， Wuhan 430064， China ZENG Lingyu1， CAI Shang2， WANG Shiping2
ρg ρg ö æ ö æ 1 é + 2ξ ÷ ȧ u̇ - ç1 ê ç1 + ÷ê ρl ρl ø (1 + ξ ) ëè ø è ρ g æ φ l1 φ g1 ö 3 ù 2 cgç 2 + ÷ + C D u̇ ú ú ρl è a a ø 8 û
（7）
φ ̇ g1 =
cg cg æ ρg ö æ ö 1 é + ξ ÷ ȧ u̇ + ç1 ê ç2 + ê cI è ρl ÷ (1 + ξ ) ëè c I ø ø φ g1 ö c g 3 ù æ φ c g ç 2 l1 + C D u̇ 2ú ÷ú a ø cI 8 è a û
基金项目 ： 国家自然科学基金资助项目 （11672082）
作者简介 ： 曾令玉， 男， 1986 年生， 硕士， 工程师。研究方向： 舰船结构。
蔡尚 （通信作者） ， 男， 1993 年生， 硕士生。研究方向： 舰船水下爆炸与抗冲击。
王诗平， 男， 1983 年生， 博士， 副教授。研究方向： 气泡动力学， 流固耦合分析。
， 且忽略
第 1 次气泡脉动之后的载荷。关于冲击波阶段及 气泡膨胀和收缩阶段的载荷确定， 文献 ［10］ 给出 了估算公式。 压力 P (t ) 为 1）当 t < 7T c 时 ， 即冲击波阶段， 此时冲击波
æV ö æV ö P g = K c ç c ÷ ，ρ g = ρ c ç c ÷ ， èV ø èV ø æ V ö2 c g = cc ç c ÷ èV ø
influence of the vertical shock spectrum is greater than in the other two directions. The upper decks are still affected more strongly by bubble pulsation，which verifies the decaying rule of the low frequency response experiments involving underwater explosion or the prediction of shock environments，which verifies the selection of parameters in the process of shock environments， and provide a reference for shock environment forecast research. Key words： underwater explosion； shock response； bubble pulsation； low frequency load； shock environment； computational time
A
p I 为爆心处流体静压； C D 为经验流体阻力系数； V c 为 药 包 的 初 始 体 积 ；ρ c 为 炸 药 密 度 ；γ 为 气 体
的比热容；g 为重力加速度； φ φ φ ̇ l0 ， ̇ l1 ， ̇ g1 分别为 流体径向速度势的时间导数、 气泡平移运动速度 势的时间导数和气体径向速度势的时间导数；ξ
第3期
曾令玉等： 水下爆炸气泡对舰船冲击环境的影响
0
引
言
Pc = K mc
(
13
ac
)
67
1+A
， 其中 m c 和 a c 分别为药包质量
舰船作为海上作战的主要装备越来越受到各 国海军的重视， 舰船生命力不仅是表征舰船整体 性能的一个重要指标， 也是保证舰船发挥作战效 能的先决条件。因此， 研究舰船水下爆炸载荷作 用下的冲击环境特性， 对于提高舰船生命力就显 得尤为重要［1-2］。而对于舰船冲击环境的预报， 准 确的载荷输入是得到可靠预报结果的前提。中、 远场的水下爆炸对结构产生的载荷除冲击波外， 还有气泡脉动压力。虽然气泡引起的压力波峰值 相对较小 （约为冲击波的 10%~20%） ， 但持续时间 次压力同样容易造成舰船结构强度的破坏［3-4］。 气泡脉动对于舰船结构的影响研究由来已 久。姚熊亮等［5］围绕水下爆炸气泡对结构的毁伤 问题， 分别从实验研究、 理论研究、 数值研究等方 面阐述了国内外的研究现状。张弩［6］基于势流理 论， 计及气泡、 波浪及砰击等弯矩影响， 建立了气 泡作用下船体梁总纵强度的计算方法。Zhang 等［7-8］ 采用有限元法分析了船体梁受到气泡载荷作用时 的鞭状振动， 深入探讨了气泡脉动作用下船体结 构的响应。尽管如此， 现有的研究主要还 是 集 中 在气泡脉动作用下舰船结构的响应方面， 而有关 气泡脉动压力对舰船冲击环境的影响研究却较 少。因此， 本文将基于 ABAQUS 软件， 采用声固耦 合方法， 针对非接触水下爆炸气泡脉动压力冲击 环境特性进行研究， 旨在为舰船生命力研究提供 参考。 远大于冲击波阶段， 不仅如此， 气泡脉动产生的二
Βιβλιοθήκη Baidu
和 初 始 半 径 ，K 和 A 为 材 料 常 数 ；T c 为 临 界 时 间， T c = km c m c 为计算时间。 脉动压力 P (t ) 为 2）当 t > 7T c 时 ， 即气泡脉动阶段， 此时气泡
13
(
13
ac
)
B
， 其中 k 和 B 为材料常数； t
P (t ) = 1 ρ l ( ä a 2 + 2aȧ ) R ȧ = φ l0 φ ö æ - 1/c I ç φ ̇ l0 - ȧ 2 - 1 u̇ 2 - 2 u̇ l1 ÷ a 3 3 a ø è φ u̇ = - 2 l1 - 1/c I ( φ ̇ l1 - 2ȧ u̇ ) a
[
0.174 9 exp ( - 0.180 5t/T c )]
（2）
式中：R 为测点到气泡中心的距离；ρ l 为流体密 度 ； V 为 气 泡 体 积 ； Pc 为 临 界 压 力 ，
coupling methods are used to simulate a hull subjected to a non-contact underwater explosion. Comparing that bubble pulsation pressure has an amplification effect on the low frequency response of a ship，and the