国外潜艇抗水下非接触爆炸研究概述

国外舰载设备抗冲击考核研究方法概述摘要:舰艇在水下非接触爆炸中,舰载设备的抗冲击能力最弱,各海军强国十分重视舰载设备抗冲击考核研究工作。

目前国外对舰载设备的考核研究主要通过冲击机试验、浮动冲击平台试验、仿真计算实验及实船爆炸试验四种方式进行。

本文对国外舰载设备的抗冲击考核研究方法进行归纳总结,对国内开展舰载设备的抗冲击考核研究提供参考。

关键词:水下爆炸舰载设备抗冲击舰艇作为现代海战的主要作战平台,很容易受到敌方攻击。

从二次世界大战起以美国为首的西方国家进行了大量的舰艇抗冲击试验[2-4]。

美国海军对舰载设备抗冲击有明确要求,MIL-S-901系列军用规范规定凡小于181吨的舰载设备都要进行抗冲击考核,大于181吨的舰载设备则进行仿真计算考核,合格后才能装舰使用。

目前国外对舰载设备的考核研究主要使用冲击机试验、浮动冲击平台试验、仿真计算实验及实船爆炸试验四种方式进行。

1 冲击机试验方法水下爆炸对舰载设备的冲击环境与冲击机对舰载设备的冲击环境严格来说差别较大,但由于水下爆炸试验存在试验成本高、安全性差、对环境损害大、试验条件要求高等问题。

陆上冲击机试验不仅能克服上述缺点,同时还有冲击载荷加载准确、试验重复性好,试验组织实施难度小、数据测量采集方便等优点,因此国外对中小型舰载设备的冲击考核研究主要通过陆上冲击机试验的方法进行。

舰载设备冲击机按试验时能承重的设备重量分可分为轻量级击机(LWSM)、中量级冲击试验机(MWSM)、重量级冲击试验机(HWSM)。

根据MIL-S-901C要求,质量少于113kg的设备通过轻量级击机进行考核,质量大于113kg小于2043kg的设备通过中量级冲击试验机进行考核,质量大于113kg小于5000kg的设备通过重量级冲击试验机进行考核。

同时舰载设备冲击机按试验中冲击作用形式还可分为摆锤、落锤式、液压式冲击机等。

2 浮动冲击平台试验冲击机试验虽然操作简便,重复性好等优点,但作用于被设备中的冲击环境与实际水下爆炸作用有差别较大,再加上在冲击机上可试验的设备质量受限,国外对大中型设备的冲击设备大都通过浮动冲击平台进行试验。

水面舰艇舷侧抗冲击防护结构形式初探李青;吴广明【摘要】利用大型有限元软件ANSYS/LS-DYNA和ABAQUS对水面舰艇舷侧抗冲击防护结构形式进行了探讨.分别对传统单壳舷侧结构;双层舷侧结构;双层舷侧结构,舷侧边舱灌满水;双层舷侧结构,舷侧边舱注入一半水;Y型舣层舷侧结构共5种结构的抗远场水下非接触爆炸性能进行了对比计算分析.比较分析了这5种舷侧结构舰体及内部结构的加速度、速度及应力响应数值.研究表明,在远场水下非接触爆炸条件下,双壳结构的抗冲击性能比起传统单壳舷侧结构有很大的改善,而Y型双层舷侧结构的抗冲击性能则明显优于这两种结构.【期刊名称】《中国舰船研究》【年(卷),期】2008(003)003【总页数】4页(P26-29)【关键词】水下非接触爆炸;双层舷侧结构;Y型舷侧结构;抗冲击性能【作者】李青;吴广明【作者单位】中国舰船研究设计中心,上海,201102;中国舰船研究设计中心,上海,201102【正文语种】中文【中图分类】U663.31 引言众所周知，舰艇不仅要有较强的作战能力，同时要有相应的生存能力，特别是在遭到敌方攻击时能够继续完成既定使命任务的能力。

舰艇设置防护结构的目的就是为了有效地抵御各种战术武器的攻击，保证舰艇在受到各种武器攻击时所产生的破损或毁坏程度能控制在允许的状态和范围内，从而提高舰艇的生存和作战能力。

为了提高水面舰艇的作战生命力，各国海军都在致力于这方面的研究，如改变舷侧结构的尺寸、在钢板上敷设复合材料等。

但是针对大型水面舰艇，除此之外，还在舷侧设置了多层隔舱来实现防护目的。

在作战过程中，舰体的舷侧结构是相对薄弱的环节，如遭受水下武器近距离攻击时，会导致舷侧结构局部塑性变形或者是根本性的破损；如是远距离攻击，也要遭受到水下爆炸物冲击波的作用，舰体会产生剧烈振动，使舰用设备不能处于准确的工作状态中，严重的情况下会使重要设备完全失效。

水下舷侧防护结构向来是水面舰艇防护结构的重点，二次大战期间海军强国曾对其做过系列研究[1]，由于保密的原因，该方面文献极少。

基于ABAQUS的近距水下爆炸对舰艇的冲击响应研究焦安龙;贾则;陈高杰【摘要】舰艇非接触水下爆炸冲击响应是一个重要而复杂的问题,对舰艇结构和设备抗爆抗冲击的研究有着重要的意义.运用有限元程序ABAQUS对舰艇在近距离非接触水下爆炸作用下的冲击响应进行了数值仿真,详细给出舰艇冲击响应的结果,由此获得舰艇结构的应力响应、加速度响应和速度响应的规律,为实船抗冲击试验奠定了理论基础.数值仿真所得舰艇响应规律与实际计算分析情况基本相符,为舰艇抗爆结构设计提供参考.【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷),期】2015(023)010【总页数】4页(P179-181,185)【关键词】水下爆炸;ABAQUS;声-固耦合;冲击响应;数值模拟【作者】焦安龙;贾则;陈高杰【作者单位】中国人民解放军91439部队辽宁大连 116041;中国人民解放军91439部队辽宁大连 116041;中国人民解放军91439部队辽宁大连 116041【正文语种】中文【中图分类】TN302随着水中兵器的发展，水下爆炸的当量、冲击持续作用时间及冲击波强度明显增强，水下爆炸载荷对舰艇结构的直接破坏作用越来越大，直接威胁着舰艇的作战能力和生命力，所以提高舰艇的抗冲击性能成为一项迫切的任务。

炸药在水中爆炸后会产生冲击波，冲击波作用时间短，但压力幅值极大，往往能使舰船产生严重变形甚至破损[1-3]。

研究舰艇在水下爆炸冲击波作用下的动态响应对提高舰艇的抗爆性能具有重要意义。

近年来，由于计算机硬件和软件的高速发展，在研究水下爆炸问题时数值计算方法得到越来越多的应用，许多学者对于船舶在水下爆炸作用下的冲击响应进行了数值模拟研究。

2003年，张振华、朱锡、冯刚等提供了一个利用MSC/DYTRAN和FORTRAN联合使用数值模拟水面船舶在远距离水下爆炸载荷作用下动力响应方法[4]。

同年，姚熊亮、侯健、王玉红等利用ANSYS/LS-DYNA计算了船体在不同炸药当量、起爆位置、有限元网格划分时的冲击环境，分析了船体在不同工况下的冲击响应[5]。

水下非接触爆炸中谱跌效应对设备破坏的影响分析于博洋;闫明;张磊;计晨【摘要】弹性安装的舰载设备在受到水下非接触爆炸冲击时产生的谱跌效应会显著降低设备的冲击响应。

为研究谱跌效应对舰载设备的设计谱及其设计安装的影响，通过有限元计算对比分析弹簧振子模型的伪速度冲击响应和悬臂梁模型应力冲击响应，同时对比分析上层振子固有频率相同但质量与刚度不同的双层弹簧振子模型的下层振子伪速度冲击响应。

发现：谱跌效应发生时，下层设备的伪速度响应和应力响应均有明显的降低，据此须改进舰载设备的三折线伪速度设计谱；增加上层设备的质量和刚度会显著降低下层设备的伪速度响应，并使谱跌效应的频宽范围增加，利用此特性可降低舰载设备中有着特殊固有频率或固有频率集中的零部件的应力响应。

%Spectrum dip effect can significantly reduce the shock response of warship equipment with elastic installation under the non-contact underwater explosion environment. In this paper, the finite element method is employed to study the influence of the spectrum dip effect on design spectrum and the installation methods of the warship equipment. The pseudo velocity shock response of the spring oscillator model and the stress shock response of the cantilever model are calculated, comparedand analyzed. For the case of the same natural frequency but different mass and stiffness of the top oscillator, the pseudo velocity shock responses of the bottom oscillator of the double spring isolator are analyzed and compared. It is found that the pseudo velocity response and stress response of the bottom equipment significantly decrease when the spectrum dip effect occurs. Then the pseudo velocity of the zigzag designspectrum of the warship equipment needs to be improved; the pseudo velocity response of the bottom equipment decreases and the bandwidth of the spectrum dip effect increases when the mass of the top equipment increases. Some components of the warship equipment with special natural frequency or concentrated natural frequency can be reduced by utilizing the characteristics.【期刊名称】《噪声与振动控制》【年(卷),期】2016(036)005【总页数】5页(P6-10)【关键词】振动与波;谱跌效应;舰载设备;水下非接触爆炸;伪速度;冲击响应谱;设计谱【作者】于博洋;闫明;张磊;计晨【作者单位】沈阳工业大学机械工程学院，沈阳 110870;沈阳工业大学机械工程学院，沈阳 110870; 海军装备研究院，北京 100161;海军装备研究院，北京100161;海军装备研究院，北京 100161【正文语种】中文【中图分类】TB535.1海军舰艇在战时不可避免地会遭受敌方武器的攻击，舰载设备是舰艇抗冲击能力的薄弱环节。

第1篇一、实验目的本次实验旨在通过模拟潜水内爆炸现象，研究爆炸对潜水器及周围环境的影响，为潜水器设计和安全防护提供理论依据。

二、实验背景随着深海探测技术的不断发展，潜水器在深海探测任务中发挥着越来越重要的作用。

然而，潜水器在深海作业过程中，面临着来自水压、生物、物理等多种风险。

其中，潜水器内部爆炸事故一旦发生，将对潜水员的生命安全造成极大威胁。

因此，研究潜水内爆炸现象，提高潜水器安全性能具有重要意义。

三、实验内容1. 实验材料（1）潜水器模型：采用1:10比例的潜水器模型，模拟实际潜水器结构。

（2）爆炸装置：选用TNT炸药作为爆炸源。

（3）传感器：包括压力传感器、温度传感器、加速度传感器等，用于监测爆炸过程中的各项参数。

（4）实验水池：模拟深海环境，水池深度为10米。

2. 实验步骤（1）将潜水器模型放入实验水池，确保其稳定性。

（2）在潜水器模型内部安装爆炸装置，确保爆炸源位于潜水器中心位置。

（3）将传感器连接至潜水器模型，并对传感器进行校准。

（4）启动爆炸装置，记录爆炸过程中的各项参数。

（5）观察潜水器模型及周围环境的损坏情况。

四、实验结果与分析1. 爆炸过程实验过程中，爆炸装置成功引爆，爆炸瞬间潜水器模型发生剧烈振动，压力、温度、加速度等传感器数据迅速上升。

爆炸过程中，潜水器模型周围水花四溅，实验水池水面出现大量气泡。

2. 潜水器模型损坏情况爆炸后，潜水器模型出现以下损坏情况：（1）壳体出现裂缝，部分区域出现变形。

（2）内部仪器设备损坏，部分部件丢失。

（3）模型周围水花四溅，实验水池内出现大量气泡。

3. 爆炸对周围环境的影响爆炸过程中，潜水器模型周围水花四溅，实验水池内出现大量气泡。

爆炸产生的冲击波对周围环境产生一定影响，但未对实验水池其他设施造成损坏。

五、实验结论1. 潜水内爆炸会对潜水器结构造成严重损坏，影响潜水器内部仪器设备正常运行。

2. 爆炸产生的冲击波对周围环境有一定影响，但未对实验水池其他设施造成损坏。

水下非接触爆炸作用下的船体结构响应分析作者：祝祥刚刘莹陈舸鲍超明来源：《计算机辅助工程》2013年第05期摘要：当遭受水下非接触爆炸载荷作用时，船体结构的响应规律十分复杂.用Abaqus对某船在一些水下非接触工况进行数值模拟.结果表明，船舶整体结构在非接触爆炸载荷作用下的响应规律与船体的垂向、纵向距离以及结构形式有关.关键词：水下非接触爆炸；船体结构；响应中图分类号： U661.73；TB115.1文献标志码： B引言在海上作战时，船舶会遭受到导弹、鱼雷或水雷等武器的攻击.武器爆炸时会对船舶结构产生毁伤作用.对于船舶结构来说水下爆炸形式分为接触爆炸与非接触爆炸，大多数情况下武器将会被拦截而并非接触爆炸，其工况属于非接触爆炸工况.虽然非接触爆炸在大多数情况下不会使船体产生破口而沉没，但是会影响整个船体，易造成难以修复的大范围设备的破坏，此时船舶不会沉没却失去战斗力.所以，对船舶在非接触爆炸载荷作用下结构响应进行研究是十分必要的.该领域的研究方法一般包括理论分析、试验研究和数值模拟等方法.船舶在爆炸载荷作用下的响应十分复杂，要利用理论分析得到解析解是很难的，而试验研究十分昂贵.近几年，大型有限元软件（如Abaqus，LSDYNA和Dytran等）相继兴起，它们以功能强、用户使用方便、计算结果可靠和效率高而逐渐成为结构工程强有力的分析工具，从而使得有限元法成为船舶冲击响应计算的一种重要方法.其中Abaqus在分析水下爆炸压力载荷作用时，采用声固耦合算法，该方法利用声学单元来描述流场，可以使用“总波”公式（Total wave formula）或“散射波”公式（Scatter wave formula）.冲击波在声学单元中传播，采用经验或理论公式来计算流场某一点处的压力或加速度时间历程曲线，然后该程序自动计算流场中的压力分布，在模拟远场水下爆炸时，不要求建立包含药包在内的所有流场.国内用ALE算法研究水下爆炸的文献比较多，本文采用Abaqus中的声固耦合方法模拟船舶水下爆炸.程素秋等[1]和江淼[2]研究非接触爆炸载荷作用下舱段的动态响应，但对整船的研究较少.本文分别计算在不同冲击因子下的5种工况，以对比的方式统计分析某船舶冲击响应规律.1计算方法1.1计算模型某船舶计算模型见图1，在船舶外部水线以下建立声学流场，流场半径为结构半径的4倍[3].图 1有限元模型1.2计算载荷和边界条件自由场中常规兵器水下爆炸时产生的冲击波载荷，由Geers and Hunter模型算出，其公式为P（t）=1Rρf4πacRAV··（t）（1）式（1）中V··（t）可以由式（2）求得，V··（t）=4πacρfPc[0.825 1a+0.174 9b] （2）式中：Pc=K（m1/3c/ac）1+A；a=exp（-1.338t/Tc）；b=exp （-0.180 5t/Tc）；Tc=km1/3c（m1/3c/ac）B；mc为药包的质量；ac为药包的初始半径；ρf为流体的密度；ρc为炸药的密度；K和k都是材料常数.冲击波载荷曲线见图2.图 2冲击波载荷曲线在Abaqus中进行爆炸分析时，一般使用如下3种形式的边界条件.（1）定义声学压力，使用*Boundary关键词并直接指定自由度.（2）自然边界条件，不需要用户输入.（3）阻抗边界条件，采用*SIMPEDANCE或*IMPEDANCE关键词在分析步中定义.1.3计算工况在图1所示的船舶模型中，船长为L，宽为B，设置5个计算工况（见表1）.以1 000 kg 的TNT为药量，在船中剖面设置爆点.本研究分别取龙骨冲击因子0.27，0.31和0.36以及壳板冲击因子0.63和0.81等2种情况.2响应计算和结果2.1模型校核为保证所建模型的有效性，必须对其进行严格的检查，尤其是对数值仿真模型的低阶固有振型进行验证，保证与实际船体低阶固有振型以及频率接近，从而使有限元模型与实船达到动力学相似.以船体湿表面与其周围流场的耦合来模拟实际情况下的附连水作用，在考虑外部流场耦合作用下，得到所建立模型低阶固有频率见表2.计算结果基本能够保证准确性和有效性，使数值模拟更加接近真实.表 2船舶模态数据%阶次123误差4.108.139.51通过表2可以看出，垂向低阶固有频率相对误差均在10%左右，所以初步验证有限元模型的总体刚度分布、质量分布较为合理[4]，模型有效.2.2计算结果经过Abaqus的数值仿真计算，得到各工况冲击响应结果，提取典型考核部位的谱参数进行比较分析，进而研究冲击环境特性.图3～7以工况因子为0.36时为例，依次给出外底板至一甲板的艏、舯、艉典型部位的垂向加速度时间历程曲线，通过对各甲板在L/4，L/2和3L/4处的垂向时间历程曲线观察可以发现：随着甲板垂向高度的升高，其加速度时间历程曲线的峰值是逐渐减小的；而在同一甲板上时除外底外都是L/2处的峰值要大于L/4和3L/4处的（a）艏部峰值，这是因为舯部最先受到冲击波载荷的作用，所以反应必然比其他位置强烈.图8和9给出的是工况为0.81时，不同甲板谱速度和谱加速度沿船长的分布曲线.通过分析甲板01，甲板1和甲板2以及内底的谱速度和谱加速度曲线可以发现：（1）在甲板01的28 m和36 m左右有2处峰值，这是由于结构的开口和角隅影响；其他位置变化比较缓和，平均值约为1.1 m/s左右.（2）甲板1的变化相对稳定一些，没有特别明显的峰值，平均值约为1.3 m/s.（3）可甲板2的平均值为1.5 m/s，内底的平均值为1.7 m/s左右.各甲板的谱加速度曲线的变化与谱速度的变化大体一致，但是需要说明的是，通过上面的分析可以看出内底的谱速度值比较小，其值较其他甲板没有太大的增大，但是通过观察图可以看出：甲板01谱加速度平均值为60 m/s2，甲板1谱加速度平均值为100 m/s2，甲板2谱加速度平均值为150 m/s2，而内底谱加速度平均值为230 m/s2，明显其值较大，说明内底的响应较其他甲板来说是比较突出的.由此可知同一甲板的谱位移、谱速度和谱加速度都随着冲击因子的增大而增大，这是因为冲击因子越大则冲击波对船体的响应更为剧烈，所以响应也更为强烈.3结论以某船舶为计算模型，验证模型的可靠性之后对该模型在非接触爆炸载荷作用下的冲击响应研究.通过数值对比分析，研究谱速度和谱加速度等参数随船体纵向以及垂向的变化规律，得到以下结论.（1）随着甲板垂向高度的升高，其加速度时间历程曲线的峰值逐渐减小；同一甲板上除外底外都是L/2处的峰值要大于L/4和3L/4处的峰值.（2）由于结构的开口及角隅影响会使冲击响应值出现峰值.（3）内底的响应较其他甲板来说要大一些.（4）同一甲板的谱位移、谱速度和谱加速度都随着冲击因子的增大而增大.参考文献：[1]程素秋，樊宝顺，薛飞，等. 水下非爆炸作用下舱段模型的动态响应[J]. 爆炸与冲击，2008， 28（4）： 360365.[2]江淼. 舰船结构水下非接触爆炸下动力响应研究[D]. 武汉：武汉理工大学， 2007.[3]罗超，谌勇，张志谊. 舰船水下非接触爆炸响应的数值模拟[J].船海工程， 2009， 38（2）： 2831.[4]罗超. 舰船水下非接触爆炸响应的数值模拟[D]. 上海：上海交通大学， 2009.（编辑于杰）。