水下爆炸载荷及其作用下的结构响应数值研究

水下爆炸载荷及其作用下的结构响应数值研究水下爆炸研究自19世纪末以来已经有一百多年的历史了,但是我国在近十几年才开始逐渐重视舰船和舰载设备的抗冲击性能。

由于水下爆炸的物理过程瞬变复杂,不同样式结构在不同爆距,不同药量,不同时间尺度载荷下的损伤模式又多样化,并涉及到多个领域的科学前沿问题,所以水下爆炸问题研究还有许多机理上不清楚的地方。

水下爆炸载荷一般包括冲击波、气泡和空化效应。

这些载荷不止在时间尺度上不一样,压力峰值也往往不在一个量级。

所以要想同时考虑这些载荷对结构的影响,并分析出不同载荷下结构响应的差异比较困难。

数值研究已经成为探索水下爆炸现象机理的重要手段,国内外学者也基于各种商业软件对水下爆炸问题进行研究,但主要集中在冲击波载荷作用下结构物的动态响应研究,这是因为不管是Ls-Dyna的ALE法还是Autodyn的CEL 法对于冲击波载荷计算还算准确,但是要计算气泡脉动载荷对结构物的影响非常困难,一般只停留在二维气泡脉动模拟,不涉及到结构,而且气泡脉动对网格要求很高,计算效率很低,所以相比于其他商业软件,通过Abaqus内置Geers-Hunter 模型和声-结构耦合法可以解决上述商业软件的不足,较精确地模拟不同时间尺度载荷下结构的动态响应。

本文首先阐述了Abaqus模拟水下爆炸的理论基础,在此基础上分别通过显式求解器和隐式求解器计算了水下爆炸冲击波和气泡载荷；其次针对理论分析可能出现的空化现象,用数值模拟的方式对其进行了验证,计算结果和实验值较一致,说明了片空化效应不可忽视；然后通过声-结构耦合法对几种背空板进行数值模拟,讨论了水域建模的注意事项,Geers-Hunter模型的适适范围,验证了结构周围的局部空化现象以及气泡载荷对结构的影响,气泡载荷有可能引起结构更大的变形；接着通过分析比较近几年逐渐热门的多孔金属夹层板的抗冲击性能,指出金属泡沫夹层板的抗冲击优势；最后计算了一艘船模在水下爆炸载荷作用下的动态响应,分析了不同载荷对结构的影响,为整船的抗冲击性能分析设计提供一定的参考。