装药爆炸作用下地下拱形结构等效静载研究

装药爆炸作用下地下拱形结构等效静载研究（精选2篇）

篇1：装药爆炸作用下地下拱形结构等效静载研究

装药爆炸作用下地下拱形结构等效静载研究

分析研究了影响装药爆炸作用下拱形地下结构等效静载大小的两个主要因素--岩石震塌拱高度和落石速度,得出了岩石震塌拱高度随地下拱形结构覆盖层厚度增加而呈线性递减的规律,以及落石速度随覆盖层厚度增加而呈指数衰减的规律,并对等效静载随岩石覆盖层厚度的衰减进行了量化分析.研究结论对于相关科研及工程实践具有重要参考价值.

作 者：王斌 宋二祥 周健南 WANG Bin SONG Er-xiang ZHOU Jian-nan 作者单位：王斌,WANG Bin(清华大学土木工程系,北京,100084;解放军理工大学工程兵工程学院,南京,210007)

宋二祥,SONG Er-xiang(清华大学土木工程系,北京,100084)

周健南,ZHOU Jian-nan(解放军理工大学工程兵工程学院,南京,210007)

刊 名：地下空间与工程学报 ISTIC PKU英文刊名：CHINESE JOURNAL OF UNDERGROUND SPACE AND ENGINEERING年，卷(期)：3(6)分类号：O383关键词：地下结构 结构设计 计算方法 装药爆炸

篇2：装药爆炸作用下地下拱形结构等效静载研究

随着近年来数值仿真计算软件的普及，国际上相继出现很多种大型有限元动力分析软件，这使得有限元仿真成为计算舰船冲击响应的切实可行的办法。LS-DYNA和DYTRAN在分析舰船水下爆炸过程中均采用ALE算法，而ABAQUS采用声固耦合算法。ALE算法用状态方程描述流体和炸药，通过欧拉单元计算冲击波的传播过程；而声固耦合算法采用一种声学介质来描述流体，冲击波在声学单元中传播。国内用ALE算法研究水下爆炸的文献比较多，本文采用声固耦合方法模拟某型水雷水下爆炸作用下舰船结构的动态响应。由于对水下爆炸载荷作用下舰船结构动态响应一般规律的研究已较为成熟，本文针对某型水雷水下爆炸对舰船结构响应的影响展开讨论。本文利用ABAQUS对某型舰进行全舰冲击数值模拟，分析某型水雷水下爆炸给舰船结构动态响应带来的影响。本文以某型水雷和某型舰为研究对象，通过ABAQUS模拟水雷爆炸冲击下全舰冲击响应，求出舰体关键部位的冲击响应。本文计算了某型水雷水下爆炸作用下舰船结构的动态响应，某型水雷装药量约为1600kgTNT当量，爆距为100m。某型水雷水下爆炸示意图如图1所示，水雷采用垂直迎爆，爆距为100m。

1 有限元模型的建立

1.1 水域有限元模型

姚熊亮等基于ABAQUS软件对水下爆炸载荷作用下水面舰船动态响应数值仿真的流场模型进行了系统地研究[1]，认为流场区域的半径取船体半宽的6倍（流场半径表示流场边缘到模型中心的最小距离），在船长方向略大于船长即可，并将流场底面边界设为无反射边界条件[2]。当然，文献[1]研究的是舰船垂直迎爆，本文在计算爆炸攻角改变时，也充分借鉴其研究成果，计算水域采用六面体单元，由于主要考察船体中部结构的动态响应，为节约计算时间，水域中最靠近船体部位采用尺寸为0.5m的细网格[3]，离船体越远则网格尺寸越大、网格越粗，使用网格的单元类型为AC3D8R和AC3D6。

1.2 船体有限元模型

本文使用Pro/e三维建模软件，建立全船和水域的几何模型，然后运用HYPERMESH有限元建模软件建立全船有限元模型，建模的主要过程为：对船体外板划分面网格，最大单元尺寸为0.5m，使用单元类型为四节点四边形缩减积分单元S4R和三节点三角形完全积分单元S3，划分的同时调整网格，尽量减少三角形单元和质量低的四边形单元；创建不同板厚的板材属性，根据图纸为各面单元附属性；沿着切割后的各曲面边线创建梁单元，使用单元类型为B31；创建各骨材属性，附梁单元属性；定义材料，钢ρ=7800kg/m3,E=210GPa，泊松比μ=0.3；铝合金ρ=2700kg/m3,E=70GPa，泊松比μ=0.33；水ρ=1025kg/m3。计算的坐标系统为：原点为舰体的中纵剖面、中横剖面和基线的交点，x轴正向指向船首方向，y轴正向指向左舷方向，z轴正向为铅直向上，其有限元模型如图2所示。

2 某型水雷水下爆炸作用下舰船结构的应力响应分析

运用ABAQUS对舰船进行全船冲击响应的数值模拟，分析某型水雷水下爆炸给舰船结构动态响应带来的影响。工况为1600kgTNT炸药，爆炸距离为100m，以垂直迎爆方式对舰船进行水下爆炸攻击，图3舰船结构冲击响应应力云图。如图可知：对于水面舰船来说，爆炸冲击波的垂向作用是船体冲击响应的主要影响因素[4,5]。因为爆炸冲击波首先会作用到船体底部，然后冲击运动通过船体的垂向构件向上传递，直至甲板和上层建筑，同时垂向结构也会削弱冲击运动的强度，因此船体上层结构的冲击响应要小于底部，并呈递减的趋势。

舰船底部作为冲击波载荷的主要承受者，其应力要比上层建筑大，而最大应力则集中在船体中部迎爆面处，由于冲击波作用的区域比较大，舰船的艏部和艉部也受到了一定的冲击影响，但相对中部迎爆面处来说要小得多。船体结构两侧的受冲击范围和应力分布呈现不对称性[6]，这种不对称性会遍及全船，且在船体舭部尤为明显。但是随着爆炸冲击波的持续作用，这种不对称现象会逐渐消失，最先消失的是甲板部位，而舭部则要等到全船都受到冲击作用时才呈现出对称性。

3 舰船外底板中心节点的冲击响应分析

图4为某型舰外底板中心部位节点垂向加速度时程曲线。从图4中可以看出，船底板中部测点垂向加速度时历曲线中可以看出，由于某型水雷水下爆炸产生的压力包括冲击波和多次气泡脉动压力，并受到与结构的相互耦合作用的影响[7]。水下爆炸压力含有丰富的频率成分，气泡膨胀产生的气泡脉动压力的能量以低频为主，冲击波的能量主要作用在中高频。

气泡脉动对船体结构产生较明显的作用，气泡脉动对船体的损伤可能比冲击波更严重。其原因是水下爆炸冲击波压力往往造成舰船的局部损伤，而现代舰船的设计一般有足够的强度储备来抵抗舰船结构的局部损伤。水下爆炸冲击波载荷一般不会造成舰船的沉没；而水下爆炸气泡载荷则不同，可能造成舰船的整体损伤，发生折断或沉没的情况。

4 结论

本文利用ABAQUS对某型水雷水下爆炸作用下舰船冲击响应数值模拟，分析某型水雷水下爆炸对舰船结构动态响应的影响，得到如下重要结论：

(1)水下爆炸载荷作用下舰船结构响应具有局部性，船体结构响应范围在爆炸冲击波作用初期呈现不对称性，但是这种不对称性最终会随着冲击波的持续作用而消失。

(2)在考核水下典型武器攻击舰船过程中，舰船底部作为冲击波载荷的主要承受者，其应力要比上层建筑大，而舰船底部最大应力则集中在中部迎爆面处，由于冲击波作用的区域比较大，舰船的艏部和艉部也受到了一定的冲击影响，但相对中部迎爆面处来说要小得多。

(3)某型水雷水下爆炸产生的压力包括冲击波和多次气泡脉动压力，并受到与结构的相互耦合作用的影响。水下爆炸压力包含丰富的频率成分，冲击波的能量主要作用在中高频，气泡膨胀产生的气泡脉动压力的能量以低频为主。

摘要：运用通用有限元分析软件ABAQUS分析某型水雷水下爆炸作用下的舰船结构动态响应,并得出以下重要结论:某型水雷水下爆炸产生的压力包括冲击波和多次气泡脉动压力,冲击波的能量主要作用在中高频,气泡膨胀产生的气泡脉动压力的能量以低频为主。水雷载荷作用下舰船结构响应具有局部性,舰船底部是冲击波载荷的主要承受者,其应力要比上层建筑大,而舰船底部最大应力则集中在中部迎爆面处。由于冲击波作用的区域比较大,舰船的艏部和艉部也受到了一定的冲击影响,但相对中部迎爆面处来说要小得多。

关键词：水雷,水下爆炸,舰船结构,ABAQUS,冲击响应,数值模拟

参考文献

[1]姚熊亮,张阿漫,许维军,汪玉.基于ABAQUS软件的舰船水下爆炸研究[J].哈尔滨工程大学学报,2006,27(1):37-41.

[2]Zong Z.Dynamic plastic response of a submerged free-freebeam to underwater gas bubble[J].Acta Mechanica,2003,161:179-194.

[3]姚熊亮,徐小刚,张凤香.流场网格划分对水下爆炸结构响应的影响[J].哈尔滨工程大学学报,2003,6(3):238-244.

[4]Sang-Gab Lee.Fluid Mesh Modeling on Surface Ship ShockResponse Under Underwater explosion[J].Practical Design of shipsand other floating structures,2001:1315-1322.

[5]姚熊亮.舰船结构振动冲击与噪声[M].北京:国防工业出版社,2007.

[6]姚熊亮,侯健,王玉红,史冬岩.水下爆炸冲击载荷作用时船舶冲击环境仿真[J].中国造船,2003,3(1):71-74.