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2022年  第30卷  第3期

刊首语
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2022, 30(3): .
摘要:
水下爆炸载荷
水下爆炸声学效应研究现状与展望
郭锐, 俞旸晖
2022, 30(3): 266-282. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022.03.001
摘要:
水下爆炸声源具有功率高、频带宽、无指向性等特点, 在海洋资源探测、水文环境反演、水下微小隐身目标探测和水声对抗干扰等领域有着广泛的应用前景。文中综述了水下爆炸声源特征中冲击波及理想气泡脉冲的声辐射机理, 分析了声场模型中用于描述水下爆炸声源传播和混响效应的水声传播模型与混响模型, 总结了水下爆炸声源的典型信号分析方法及其声学特性, 并结合水下爆炸声源的特点介绍了相关的典型工程应用。最后, 展望了水下爆炸声学效应研究在高能炸药材料水下爆炸的能量转换机制和致声机理、声混响强度预报、阵列多脉冲爆炸声源工程应用等方面的发展趋势, 为水下爆炸声学效应的进一步研究提供参考。
水下爆炸近自由面空化载荷特性分析
余俊, 初东阳, 王海坤, 沈超, 沈文妮, 余扬
2022, 30(3): 283-291. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022.03.002
摘要:
水下爆炸近自由面空化对于冲击波传播、爆炸气泡运动以及水面结构冲击损伤都存在重要影响。目前国内外主要采用单流体模型来处理空化, 但是难以精确获得空化演化过程中的溃灭载荷以及空化域内部的流场特征。文中引入考虑相变转换的四方程模型, 利用 2 阶 MUSCL-Hancock 重构格式和 HLLC 近似黎曼求解器求解齐次双曲型方程, 再采用牛顿迭代法求解相变方程。利用水下爆炸近自由面空化试验对该模型进行了初步验证, 获得了空化域的典型运动形态和内部压力载荷特性。并在此基础上探索了不同爆深和药量对空化载荷的影响规律, 发现空化域内部压力分布范围较广, 并非维持在恒定的饱和蒸汽压附近。文中工作可为水下爆炸空化的深入研究提供参考。
表面覆水对浅埋爆炸冲量传递的影响
高文博, 赵振宇, 任建伟, 卢天健
2022, 30(3): 292-299. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022.03.003
摘要:
表面覆水浅埋爆炸是装甲车辆在滩涂地区作战的主要威胁之一。由于同时具有水层和砂层的影响,表面覆水浅埋爆炸的冲量传递特性与传统浅埋爆炸差异较大。为精细表征表面覆水对浅埋炸药爆炸冲量传递的影响, 文章借助 AUTODYN 有限元软件, 采用流固耦合算法对表面覆水的浅埋爆炸过程进行数值仿真。研究表明, 流固耦合方法能够有效仿真表面覆水工况下浅埋爆炸; 表面覆水增强了浅埋爆炸中传递给目标的冲量, 且冲量随水层厚度的增加逐渐增大; 同时, 炸药底部的垫层厚度对冲量传递也有一定的影响。文中结果可为滩涂地区用装甲车辆高性能防护结构设计提供有效的研究手段。
含铝炸药水下两点爆炸冲击波超压特性研究
俞旸晖, 郭锐, 宋浦, 顾晓辉, 胡宏伟
2022, 30(3): 300-307. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022.03.004
摘要:
水下多点起爆情况下, 多爆源冲击波是典型载荷之一, 这种工况往往需要大规模三维计算域进行仿真计算, 从而带来极大的计算量。同时由于爆炸产物气泡的存在及含铝炸药的二次释能过程, 线性叠加原理无法准确描述多点爆炸载荷规律。文中通过试验及仿真方法开展了某典型 PBX 含铝炸药水下两点爆炸冲击波超压特性研究。结果显示, 在不同时段内采用不同人工粘性取值的方式得到的超压时程曲线与试验曲线吻合良好, 多峰超压值误差基本在 15%以下, 但仿真结果中没有表现出主冲击波峰后的低幅值间断峰, 文中对其成因进行了探讨, 认为这种现象可能是由铝粒子在冲击波作用下与周围物质反应导致的。此外, 对比了同等质量的单药包与两药包爆炸产生的冲击波时程曲线, 最后详细分析了 0°、 45°和 90°测点处冲击波时程曲线的特征及其区别。文章研究可为后续建立水下多点爆炸载荷预估模型提供依据。
带壳装药水中殉爆特性分析
胡宏伟, 王健, 卞云龙, 鲁忠宝, 杨青
2022, 30(3): 308-313. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022.03.005
摘要:
为了研究弹药在水下爆炸作用下的安全性, 利用水下爆炸试验研究了2种铝壳装药的水中殉爆特性, 确定了装药的殉爆距离和殉爆安全距离, 并基于气泡能分析了被发装药的殉爆反应程度。结果表明: 主发装药为1.5 mm铝壳的PBX装药, 被发装药为1.0 mm铝壳的RS211装药时, 殉爆距离约为60 mm, 殉爆安全距离约为120 mm; 主发装药为1.5 mm铝壳的PBX装药, 被发装药为1.0 mm铝壳的PBX装药时, 殉爆距离约为10 mm, 殉爆安全距离约为30 mm。被发装药完全爆轰时, 计算得到其反应率在86%~95%之间, 这是由于2个气泡的融合导致气泡周期变小。
水下战斗部设计
耦合爆炸式鱼雷战斗部研究现状与展望
鲁忠宝, 李军林, 鲁海玲, 黎勤, 朱奇峰, 哈海荣
2022, 30(3): 314-320. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022.03.006
摘要:
随着水下目标抗爆能力的不断提高, 传统鱼雷战斗部由于装药能量、能量利用率以及作用模式等的限制, 难以对目标造成高效毁伤, 因此需要寻求新型鱼雷战斗部形式。文中分别介绍了多装药耦合爆炸式鱼雷战斗部、炸药与燃料耦合爆炸式鱼雷战斗部相关技术的研究现状及应用前景, 同时论述了炸药与电池耦合爆炸式鱼雷战斗部相关技术的研究必要性与可行性。研究表明, 上述 3 种耦合爆炸式鱼雷战斗部均可有效提高对目标的毁伤威力。最后对 3 种耦合爆炸式鱼雷战斗部技术后续研究进行了展望。
冲击波及气泡载荷联合作用下变截面加筋圆柱壳动态响应
刘奇奇, 刘亮涛, 王金相, 张轶凡, 唐奎
2022, 30(3): 321-331. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022.03.007
摘要:
以缩比无人水下航行器典型尾部变截面加筋圆柱壳结构为研究对象, 应用 LS-DYNA 软件中ALE 算法对水下爆炸冲击波及气泡载荷作用下变截面加筋圆柱壳结构的动态响应进行数值仿真计算。分析了变截面加筋圆柱壳在水下爆炸冲击波及气泡载荷作用下的动态响应, 并进一步探讨了冲击因子和爆炸方位对结构损伤特性的影响。结果表明: 随着冲击因子的增大, 冲击波对变截面加筋圆柱壳结构的损伤逐渐增大, 气泡载荷会进一步加大结构的凹陷变形及塑性区域; 射流载荷随着冲击因子的增大先增大后减小, 在特定冲击因子下射流载荷能够达到最大; 冲击波对变截面加筋圆柱壳的损伤效果受方位影响很小, 当药包位于变截面加筋圆柱壳正上方时, 射流载荷最大, 导致结构的最终损伤变形也最大。
钽合EFP对含水复合装甲毁伤仿真与试验
杨贵涛, 俞旸晖, 张红, 郭锐
2022, 30(3): 332-337. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022.03.008
摘要:
为了研究钽合金爆炸成型弹丸(EFP)对双壳潜艇含水复合装甲(由非耐压壳、耐压壳和水夹层组成)的毁伤效果, 文章对含水复合装甲在钽合金 EFP 作用下的毁伤效果进行了数值仿真与试验, 并与相同装药结构形成的铜 EFP 数值毁伤结果进行对比。结果表明, 钽合金EFP在穿透3mm 45钢非耐压壳和680mm水层后仍有剩余动能作用于12mm 45钢耐压壳, 使之产生隆起变形, 但未能穿透; 而铜EFP在穿透非耐压壳后未能穿透水层。数值仿真与试验结果较吻合, 证明钽合金相比铜更适合用作水下EFP战斗部药型罩材料。
基于夹层装药的水下EFP成型影响因素分析
冯炜, 李恒, 刘海晓, 赵江, 焦俊杰
2022, 30(3): 338-341. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022.03.009
摘要:
为了研究夹层装药结构对水下爆炸成型弹丸(EFP)成型过程的影响规律, 运用 AUTODYN 软件对不同夹层装药结构的 EFP 水下成型过程进行了数值仿真与分析, 分析结果表明: 随着水介质中空气炸高的增大, 夹层装药的成型速度和长径比逐渐增大, 随着外层装药顶部宽度的增大, 药型罩设置处各高斯点的压垮速度差减小, 成型速度衰减较缓慢, 在水介质的影响下, 其长径比越来越小。在水介质中采用夹层聚能装药可以减少水介质对 EFP 成型过程的影响, 提高 EFP 的成型速度,改善成型姿态。文中工作可为提高EFP 水中爆炸威力提供参考。
舰船结构毁伤与防护
水下爆炸载荷下水面舰艇双层结构的毁伤与防护研究进展
孙远翔, 陈岩武
2022, 30(3): 342-353. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022.03.010
摘要:
研究水面舰艇双层结构在水下爆炸载荷下的毁伤与防护可以为其防护能力的提高和新型武器的设计提供支撑。从实验研究、理论研究以及数值仿真3个方面综述了该领域国内外研究进展; 总结了双层板间介质、板间支撑结构、板间距和板厚等参数对毁伤与防护效果的影响; 梳理冲击波透射、能量吸收等主要的双层板毁伤理论研究成果; 最后对其未来研究方向进行了展望。
冲击波和侵彻体联合作用下聚脲涂层防护机理研究
李海龙, 王博, 丁松, 张之凡
2022, 30(3): 354-363. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022.03.011
摘要:
随着聚能战斗部在水中兵器的广泛应用, 开展防护材料的抗冲击抗侵彻性能研究具有重要意义。文中利用 AUTODYN 有限元软件建立聚能装药水下爆炸模型, 对聚脲防护材料的抗冲击抗侵彻性能展开研究。根据面密度理论, 讨论了聚脲涂层处于不同位置时的防护效果, 对破口、挠度、吸能和降速等结果进行对比分析, 给出了聚脲涂层的最优涂敷位置。在此基础上, 对钢板/聚脲/钢板复合结构进行优化, 结果表明:聚脲复合结构的防护效果并没有随着聚脲涂层厚度的增加而提高, 通过对比分析给出了钢板/聚脲/钢板的最佳比例为 2/10/2。文中研究可为舰船防护设计提供理论依据和数值支撑。
多次水下爆炸对船体梁累积毁伤试验研究
唐正鹏, 李翔宇
2022, 30(3): 364-370. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022.03.012
摘要:
针对船体梁累积毁伤问题, 开展了多次水下爆炸对船体梁的累积毁伤试验, 考察了爆炸距离、爆炸次数等参数对累积毁伤的影响规律, 基于船体梁挠跨比建立了毁伤等级模型。结果表明: 在中远场水下爆炸加载作用下, 船体梁不发生塑性变形; 在近场作用下, 船体梁会产生中部凹陷的局部塑性变形和整体中拱塑性弯曲变形; 随着爆炸距离的减小, 船体梁整体挠度值增大; 在相同工况下船体梁的累积挠度值与爆炸加载次数近似呈线性关系。
水下爆炸冲击波在圆柱壳结构表面绕射衰减分布
张迪洲, 何镇宏, 何心怡, 李营, 卢军, 陈双
2022, 30(3): 371-377. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022.03.013
摘要:
水下爆炸冲击波作用于圆柱壳表面时, 除反射冲击波外, 在背爆面还会形成绕射冲击波。为了研究冲击波压力在圆柱壳表面的绕射分布特性, 采用ABAQUS软件的耦合欧拉-拉格朗日方法对水下爆炸冲击波与圆柱壳结构的相互作用进行了数值仿真, 得到了圆柱壳周围的压力场分布情况, 分析了不同爆距和药量对绕射冲击波衰减的影响。研究结果表明: 冲击波压力峰值和冲量在迎爆面区域急速衰减, 随着爆距的减小, 衰减到50%的角度变小, 衰减速度明显变快, 而药量对冲击波压力峰值和冲量衰减影响都很小。
爆炸载荷作用下夹持方板动态响应量纲分析
王彦盛, 李伟兵, 于良
2022, 30(3): 378-383. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022.03.014
摘要:
针对舱室模型在内爆载荷作用下舱壁的动态响应问题, 使用量纲分析对爆炸载荷作用下夹持方板的动态结构响应问题进行分析, 推导了夹持方板的挠度厚度比无量纲数。该无量纲数考虑了炸药能量 Qm、夹持方板板厚H和夹持方板屈服强度σ0, 最后给出了挠度厚度比与无量纲数之间的无量纲关系图。研究结果表明: 爆炸载荷作用下夹持方板的变形量与Qm/H3σ0存在明显线性关系。结论可以用于指导船舱局部板架在内部爆炸载荷作用下的动态响应模型试验, 进而预报结构的最终塑性变形。
水下爆炸试验与测量技术
水下爆炸威力试验与评价方法综述
毛致远, 段超伟, 胡宏伟, 冯海云, 宋浦
2022, 30(3): 384-390. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022.03.015
摘要:
准确合理地评估炸药水下爆炸威力对于水中战斗部设计、舰船毁伤评估等任务至关重要。以是否基于效应物为标准, 从自由场参数测量和效应物作功 2 个方面出发, 综述了水下爆炸威力评估的典型试验,讨论了对应的评价方法, 重点介绍了板结构的爆炸膨胀试验及其对应的无量纲挠度表征手段。在现有研究成果的基础上提出: 1) 应建立标准化的效应物试验方法; 2) 应加强作功参量、炸药爆轰参量以及载荷参量之间关系的研究; 3)应将爆炸膨胀试验中的无量纲挠度方法应用于水下爆炸威力评价。
爆轰产物冲击带破口双层板结构内板壁压研究
盛振新, 刘建湖, 毛海斌, 张显丕, 周章涛, 杨静
2022, 30(3): 391-397. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022.03.016
摘要:
针对水下接触爆炸条件下爆轰产物冲击带破口双层板内板壁压载荷特性不清的问题, 开展了理论和试验研究。将舱外附着气泡和爆轰产物气柱射流的演化过程分为 3 个阶段: 1)气泡膨胀和爆轰产物从破口随进过程; 2)爆轰产物形成气柱射流并在结构内运动过程; 3)爆轰产物气柱射流冲击结构内板过程,构建了爆轰产物气体破口随进动力学方程组, 给出了爆轰产物气体在结构内部运动时速度和密度的衰减规律, 建立了爆轰产物冲击带破口双层板结构内板壁压的理论计算模型, 并且分析了药量、破口半径和舱室宽度对气泡运动和内板壁压的影响规律。同时, 开展了带破口双层板结构的水下接触爆炸试验, 采用高速摄像拍摄了气泡和爆轰产物气柱的运动演化过程, 测量获取了爆轰产物气柱射流作用在内板上的壁压时程。结果表明, 壁压峰值和冲量的理论计算结果与试验测量结果的偏差分别为-5.84%和 9.71%。理论计算模型精度满足工程应用要求, 可为舰船结构的毁伤评估和抗爆设计提供理论基础。
一种考虑初始弯矩的箱型梁水下爆炸试验方法
郑监, 卢芳云, 李翔宇, 梁文, 陈荣
2022, 30(3): 398-404. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022.03.017
摘要:
箱型梁是船舶缩比水下爆炸试验中的常用模型, 但由于材料规格和焊接工艺的限制, 所采用的箱型梁板厚都比按完全缩比的大。过大的板厚使箱型梁具有更大的抗弯刚度, 因此, 采用此类模型进行水下爆炸试验时会低估水下爆炸的威力, 使试验结果很难直观地映射到实际模型。为了抵消过大刚度带来的影响, 文中引入初始弯矩的思路, 建立了一种能实现弯矩幅值和分布可控的箱型梁水下爆炸试验方法。通过试验结果对比发现, 文中所介绍的考虑初始弯矩的箱型梁水下爆炸试验方法能降低模型板厚带来的影响, 可为船舶缩比水下爆炸试验的设计提供参考。
管内小药量水下爆炸平面冲击波形成方法及其应用
徐维铮, 黄宇, 李业勋, 赵宏涛, 郑贤旭
2022, 30(3): 405-412. doi: 10.11993/j.issn.1673-1948.2022.03.018
摘要:
水下爆炸过程中存在冲击波、气泡、冲击波绕射等多种效应的耦合, 给水下爆炸毁伤机理的研究带来了一定难度。为了对上述多种效应进行解耦, 文中提出一种管内小药量水下爆炸平面冲击波形成方法, 采用数值仿真和理论分析对管内水下爆炸平面冲击波的衰减规律进行了研究。研究结果表明: 在管道端部放置装药配合端面起爆, 可在管内形成指数衰减形式的平面冲击波; 理论模型与数值计算结果吻合较好, 可给出冲击波超压峰值随距离的衰减关系, 以及不同时刻冲击波的阵面位置。最后给出了该试验方法在水下爆炸加载典型结构件毁伤效应和流固耦合作用机理研究的应用场景。研究成果可为水下爆炸毁伤评估提供参考。
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