大型水面舰艇在重型鱼雷水下近距爆炸作用下的毁伤效应

以单发某重型鱼雷击沉DD973驱逐舰的实船打靶试验为例,揭示了船体梁结构在船中底部近距离水下爆炸作用下最终呈现中垂破坏现象.建立了该问题的物理仿真模型,再现了船体梁在水下爆炸近场冲击波正压和负压交替作用下的中垂破坏过程.与实船打靶试验情况进行对比的结果验证了数值计算结果的有效性.在此基础上,分析了船体梁结构在水下爆炸近场球面冲击波和动态气泡作用下的内力和变形规律.     

考虑流-结构耦合的体积约束拓扑优化

为实现流-结构耦合的结构拓扑优化设计,首先分别以水下结构固有频率和结构刚度最大化为目标,建立了渐进结构拓扑优化模型;然后,改进了网格独立滤波方法,提出单元尺寸滤波方法,将优化方法推广至设计域中单元尺寸存在差异较大情况的问题;最后,推导了目标函数以及在约束条件下的单元灵敏度,并采用双向渐进结构优化法对结构进行迭代计算。结果表明:刚度优化结果拓扑结构清晰,同时优化结构中未出现棋盘格现象,迭代过程收敛平稳;频率优化结果中,固有频率较初始设计域提升明显,优化效果显著,证明了单元尺寸独立滤波方法的有效性。     

水下平板结构声振耦合分析的等效源法研究

水下航行体在水下辐射的噪声是水下目标探测的主要信息来源，快速精确地计算其辐射噪声特征参数对于结构的声辐射预报与控制具有十分重要意义。不同于空气中结构声辐射的预报，重流体介质如水中结构的噪声计算，由于结构振动和声场之间存在的耦合作用以及边界面上计算中存在的奇异积分问题，导致传统的边界元方法在计算效率和精度上受到一定限制。为此，利用波叠加原理，通过在结构内部分布点声源等效模拟振动产生的结构外声场，并根据结构与介质的边界连续性条件和体积速度匹配原则，构建了声振耦合动力学方程，以求解相应的等效源强度，进一步计算了声功率等声学参数。以水下置于无限大障板上的矩形板为案例，采用所提方法计算其声功率，并与解析解进行对比，证明了该等效源法的有效性。     

无约束自由体有限元分析中的准静态法

在对某水下无约束航行体进行有限元静力分析的时候,由于无法限定结构的自由度而使刚度矩阵奇异,从而导致求解失败。为了解决这一问题,采用强迫约束法和准静态法(惯性释放)对此航行体进行了有限元静力对比计算,结果表明:用强迫约束法对水下航行体进行静力分析时,在施加强迫约束的部位出现了严重的应力集中现象,应力最大值为1.25×106Pa,应力集中使得整个结构的应力分布与实验数据相差较大,可认为计算结果错误;采用惯性释放法对其进行静力分析时,应力最大值为3.27×105Pa,整个结构的应力分布合理,与实验数据一致,计算结果正确。     

不同介质中声辐射相似性

研究不同介质中声学相似条件,可为空气噪声实验数据推算相应条件水下辐射噪声,替代复杂水下实验提供依据。因此,首先运用了因次分析法对任意不同介质中的声辐射相似性进行了分析;然后,采用结构有限元耦合流体边界元理论,利用NASTRAN计算模型表面流固耦合振动;最后,通过FORTRAN边界元程序计算辐射声场;以加肋圆柱壳为对象在水和空气两种典型介质中进行了数值模拟验证。理论推导与数值计算的结果一致性表明:不同介质中两个几何相似、表面振动相似的系统间结构表面振幅与该系统几何尺度成正比、表面振动波波长与该系统传声介质中声波波长成正比时,两个模型的无量纲声压相等。     

波浪作用下水下航行体出水成功概率预报

为了实现实测波浪作用下水下航行体出水成功概率预报,为潜艇作战提供一种水下发射的快速预报方法,基于边界元方法建立了水下航行体出水姿态计算模型,对不同波浪条件下水下航行体出水姿态参数进行了计算。同时,将不同波浪条件下的出水姿态参数进行集成,形成了规则波浪数据库。以渤海湾某时间段的实测海况作为发射环境,建立符合瑞利分布的波高概率分布模型,将尾部触水俯仰角作为判定条件,对实测波浪下水下航行体出水成功概率进行预报。计算结果表明,在考虑最恶劣工况下,相对于静水条件下的出水俯仰角偏差随着波高的增加而减小;相同波高下,受到出水相位的影响,出水俯仰角偏差呈余弦变化规律。该预报方法对于潜艇作战判定发射时机具有一定参考价值,为水下发射的成功概率预报提供参考。     

冲击波和气泡载荷联合作用下加筋板塑性变形

水下爆炸冲击波和气泡载荷对舰船结构都有不同程度的毁伤作用,计算舰船结构在水下爆炸载荷作用下的塑性变形时,需要同时考虑两种载荷的影响.通过对加筋板结构刚塑性分析,运用Lagrangian方程,得到一种计算冲击波和气泡脉动压力波联合作用下加筋板塑性变形的方法.该方法计算结果与试验值和文献值吻合较好.对该计算方法的适用范围进...     

附连水质量的边界元法求解

研究了计算水下结构动态响应中附连水质量的边界元方法;根据数值积分和边界元法的原理,应用直线单元对结构边界进行离散,将原有表达形式中复杂的曲线积分转化成可直接计算的数值积分形式,从而解决了奇异积分的问题;得到了更适于直接计算的系数矩阵和向量的表达形式,使边界元法更方便地应用于计算无限流场中不规则截面物体的附连水质量.最后,给出了典型算例,并与经典计算结果比较,误差均在4%以内.     

圆柱壳承受水下爆炸作用时的动响应

本文提出了有限水域内水下爆炸实验设计的一般考虑方法,结合实验结果得到了各种条件(λ/D)下圆柱壳受水下爆炸作用时的壁压分布规律,采用塑性动力学中绝对最小原理对结构响应进行了数值计算,给出了冲击波作用下圆柱壳响应的一种偏安全估算方法。     

带附体水下航行体近底运动时引起的流场压力变化

基于势流理论,忽略水面兴波影响,以SUBOFF模型为对象,建立了水下航行体近底运动时引起的流场压力变化的数学模型,并应用Hess-Smith方法编程计算了SUBOFF模型的两种代表结构AFF-1和AFF-2近底运动时引起的流场压力变化.通过将SUBOFF模型表面压力系数的计算结果和实验数据进行比较,验证了该计算方法及程序的正确性和可靠性.对SUBOFF模型引起的水底压力变化特性进行了计算和分析.结果表明:SUBOFF模型指挥台围壳对水底压力变化的影响很小,可以忽略.     

舰船局部结构在水下爆炸气泡载荷作用下的塑性变形分析

在水下爆炸载荷作用下的舰船局部结构塑性变形计算中,往往只考虑冲击波载荷的影响而忽略气泡载荷的影响。为研究气泡载荷在舰船局部结构塑性变形中所占的比例,利用通用有限元软件Abaqus,对舰船局部结构典型形式加筋板模型在水下爆炸载荷作用下的动态响应进行了数值仿真。其中,载荷计算采用了Geers-Hunter模型,材料本构采用了Johnson-Cook模型。分析仿真结果发现,模型中点变形挠度明显分为两个阶段,很容易区分冲击波载荷引起的变形和气泡载荷引起的变形。将最终变形挠度仿真计算结果与试验结果进行对比,两者吻合较好。计算结果表明:由气泡载荷引起的加筋板塑性变形挠度超过总变形挠度的30%,所以在计算中气泡载荷的影响不容忽视。     

舰船单元结构模型水下接触爆炸破口试验研究

以 3种舰船单元结构模型水下接触爆炸试验为基础 ,对结构模型所产生的变形、破口尺寸、破口形状进行了观测与分析 ,查找并发现结构中的薄弱环节 .提出了板架结构加强筋相对刚度概念 ,确定了破口长度的估算系数 ,同时为舰船结构在水下爆炸作用下的破口数值计算提供了试验数据 ,如材料断裂极限应变等     

空投水雷入水及水下弹道的设计与仿真

水雷空投可以增加布雷的隐蔽性和突发性.针对空投水雷入水及水下弹道进行了研究.在建立了六自由度的水雷水下弹道数学模型和水雷入水击水力计算的数学模型基础上,通过实例对水雷的水下弹道在Matlab/Simulink环境下进行了仿真计算,最后给出相应的仿真结果和分析.仿真结果显示水雷弹道稳定,证明了基于Matlab/Simulink的空投水雷水下弹道仿真方法是有效可行的.     

近壁面水下爆炸冲击波载荷参数研究

水下爆炸过程中结构会受到冲击波载荷的作用同,同时结构也会对冲击波栽荷产生反作用.为了解结构对冲击波参数的影响规律,从牛顿第二定律出发,推导了冲击波压力、正压作用时间和比冲量与板厚之间的关系.为验证计算方法的正确性,设计了验证性试验,试验证实计算结果与试验结果吻合较好.计算表明:冲击波载荷参数主要受到板厚的影响,板厚越厚...     

水下接触爆炸下液舱前置型防雷舱的动响应分析

为探讨防雷舱结构设计,采用有限元方法对同一防雷舱结构的典型模式和液舱前置模式进行数值仿真计算,通过对典型模式与实验结果的对比,验证了数值计算方法的有效性。着重分析了液舱前置对防雷舱结构动响应过程、失效模式及防护效能的影响,并分析了其形成机制。从结构破坏过程、载荷特性、吸能特性三个方面对比了两种模式的差异,探讨了两种模式防雷舱结构的防护机理,为舰船水下舷侧防护结构的工程设计提供了参考。     

超空泡水下航行体振动特性分析

用有限元方法分析了超空泡水下航行体的固有特性,计算了自由边界条件下超空泡航行体的振动特性,求出了固有频率和模态,并选取对其结构性能有重要影响的四类模态,即梁弯曲模态、呼吸模态、径向模态和轴向弯曲模态绘制了三维模态图.研究表明,超空泡水下航行体无阻尼自由振动的首阶模态为梁弯曲模态;呼吸模态发生的初始频率较高;径向模态发生的初始频率较低;轴向弯曲模态发生的频率比较集中,变形较为复杂.所得结果为今后开展进一步的超空泡航行体结构动力学研究提供了模型基础.     

推进电机舱段圆柱壳体的振动声辐射控制

推进电机舱段圆柱壳体的振动是水下航行器的主要机械噪声源,为研究其振动与声辐射的控制措施,采用有限元/边界元方法建立了大型推进电机舱段壳体流固耦合的声振模型,对不同的基座结构形式、基座肘板布置位置和加装多个动力吸振器的电机舱段壳体水下振动与声辐射进行计算,并对数值计算结果进行了比较和分析。结果表明:L型组合板基座优于T型组合板基座,而且肘板布置在环肋处可提高基座的隔振效果;加装多个动力吸振器可取得非常好的减振降噪效果。     

高速水下射弹空泡形态及其CFD分析

射弹在水下空泡形态高速运动,实验研究存在很多限制。本文应用两种方法对高速水下射弹的空泡形态及阻力性质进行了研究,一是应用CFD仿真模拟软件,二是应用基于空泡截面独立扩张原理所建立的公式。研究表明：仿真计算结果与公式计算结果吻合很好;随着空化数的减小,空泡的相对长度、相对直径和长细比都在增大;在小空化数下,空泡前部形态基本不变,阻力系数主要为压差阻力系数,其值基本不变。研究结果为射弹的外形设计提供参考。     

一种基于NASTRAN无限元技术的导管声学计算方法

为了更好地研究水下导管声学问题,提出了一种基于NASTRAN无限元技术的导管声学计算方法。该方法可用于任意多连通域问题的声场预报,适应任意复杂的导管截面和形状,并能考虑导管壁的弹性振动。对该方法进行了数值验证,并研究了无限元计算参数的设置,结果表明:径向插值阶数对计算结果的影响很大,而无限元边界位置和形状对结果的影响较小。采用该方法研究了管壁振动对空气中和水下导管声场的影响,结果表明:空气中导管可以不考虑管壁的流固耦合振动,而水下必须考虑。     

基于灰色关联分析的水下航行器效能评估

根据水下航行器的自身特点和主要任务,建立了以机动、探测、追踪、抗干扰、通信为基本特征能力的评估结构体系.运用灰色关联分析理论,以水下航行器各项能力指标的关联度为评估准则,提出了水下航行器的综合评估方法.通过实例验证了该方法的正确性、有效性,为水下航行器系统的技术优化和使用效能的提高提供了科学决策依据.