相似理论在水下爆炸冲击波载荷中的应用.pdf

第23卷第1期(总第133期
Vol23 No. 1
2012年2月
SHIP BOAT
February, 2012
[船舶结构]
相似理论在水下爆炸冲击波载荷中的应用
宋莹任少飞吴超程晓达
哈尔滨工程大学船舶工程学院哈尔滨150001)
[摘要]以相似理论为基础,采用数值仿真试验的方法,探讨舰船结构遭受水下爆炸冲击波载荷作用时的动
响应相似性问题。以某型舰原型作为基准模型,根据实际工程需要对舰船进行编比仿真试验。原型有限元模型与缩
比试验有限元模型数值结果表明:通过试验模型可以准确预测原型结构遭受水下爆炸冲击波时的动响应特性,将几
何相似律应用到水下爆炸冲击波载荷相似性研究中是可行的。
[关键词]水下爆炸;舰船;相似律;模型试验
中图分类号]U661.42[文獻标志码]A[文章编号]1001-9855(2012)01-0044-05
Application of scaling laws in underwater explosion shock wave load
SONG Ying REN Shao-fei WU Chao CHENG Xiao-da
College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)
Abstract Based on the similarity theory, the law for similarity corresponding dynamic response of ship structure
subjected to underwater explosion shock wave load is put forward through numerical tests in this paper. By using
a ship prototype as the benchmark model, scaled model tests are conducted according to practical requirement of
the project. The numerical test results of prototype FE model and scaled test FE model show that the dynamic
ics of the prototype suffered underwater explosion wave load can be accurately predicted
through the model test, which proves that it is feasible to apply geometric similar law to underwater explosion
shock wave load similarity
Keywords: underwater explosion; warship scaling law; scaled model experiment
验的方法,对某舰进行缩比数值试验,通过对比分析
0引言
原型和缩比试验有限元模型在水下爆炸冲击波载荷
作用下的动响应特性,验证相似性在舰船水下爆炸
水下爆炸神击波具有作用时间短、威力大等特冲击波载荷作用下应用的可行性。
点,其会对舰船结构造成严重破坏。目前考核舰船
在水下爆炸冲击波載荷作用下动响应最有效的方法1基于量纲分析法的冲击波载荷相似律
是进行实船爆炸实验。但由于实验费用较高,因此
无法对每艘舰船都进行水下爆炸实验以考核其在冲
水下爆炸冲击波能量约占爆炸总能量的60%,
击波载荷作用下结构的动响应特性。为此本文以相冲击波载荷与船体结构相互耦合,对船体板架结构
似理论为基础,应用量纲分析方法,采用数值仿真试造成直接或间接的破坏。如果冲击波载荷过大,板
[收稿日期]2011-06-14;[修回日期]2011-07-13
[作者简介]宋莹(1986-),女,汉族,硕士,研究方向:船舶与海洋工程结构物设计制造。
任少飞(1986-),男,汉族,硕士,研究方向:船舶与海洋工程结构物设计制造。
吴超(1986-),男,汉族,硬士,研究方向:船舶与海洋工程结构物设计制造。
程晓达(1987-),男,汉族,硕土,研究方向:船舶与海洋工程结构物设计制造
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宋莹,等:相似理论在水下爆炸冲击波载荷中的应用
架结构会发生较大的塑形变形而破坏。水下爆炸冲
对某型舰船缩比试验,设缩比系数为λ,要由试
击波压力可由下式确定:
验值预测原型值,则要求试验模型与原型π矩阵各
P(ち)=(0.3686ん6(1)系数相等。设m表示为原型值,T表示为试验模型
值(下标e表示试验模型值,下同),则
式中:Pm为冲击波初始压力峰值;
TTe=T1,T2ーT2、TニT3,T4=T4,TsニT
0为冲击波指数衰减时间常数。
设流体密度相似系数λ。、药包密度相似系数
二者可以由下式计算得到:
入o、药包体积相似系数λν爆距相似系数λx、冲击波
P =k
压力相似系数λn、特征时间相似系数λ、冲量相似
R
(2)系数ん小水中声速相似系数入o。数值仿真试验时,取
o=vr+
流体密度、炸药密度、水中声速大小相等,则
式中:W为药包质量
An=e-
k、A为与炸药特性相关的参数;
R为爆距。
由相似性可知,由于舰船尺寸缩比系数为A,则
冲击波能量密度可以由式(3)确定
爆距相似比为入=R=A,由(7)式可得:
E=KxW/ルgy
R
A=A3,Am=1,A1=A,A=ん
式中:K和γ为经验系数,其值与炸药特性有关,不
综上所述,水下爆炸冲击波外载荷系统的各相
同的炸药取值不同。
似系数如式(9)所示
冲击波冲量可由式4确定:
a=1、んa=1、入y=A3、A=ん、入n=1、ん=A、AF=A、Ac=
6.7e
I(t)=「P(t)dt
将A=A、A=A3带入式(1)-(4)对以上结论进行
下面考虑无限流场中的水下爆炸问题,采用量验证。取原型与试验模型药包密度、水中声速、流体
纲分析方法,分析相似理论在水下爆炸冲击波載荷密度大小相等,则んm=1、Ao-lAa-lo设原型爆距为
应用的可行性。取计算参数如下:表征耦合作用参R,初始冲击波压力峰值Pa,冲击波时间衰减常数,
数的水中声速cm流体密度。;表征冲击波特性的冲冲击波能量E,冲击波冲量』,试验模型药包体积,
击波超压Pn,特征时间t,比冲量1;表征炸药特性的爆距为R,初始冲击波压力峰值P,冲击波时间衰
炸药密度po,药包体积;表征药包和舰船距离的爆减常数θ,冲击波能量E。,冲击波冲量,则由式(1)
距R。量纲矩阵和π矩阵分别如公式(5)、(6)所示:~(4)可得
00P
6
43-2-2
410
(5
(10)
E。
R
入==A
由式(9)、(10)可以看出,基于量纲分析法的舰
船水下爆炸冲击波载荷相似性是成立的。
10000-1007Pa
010000-301
2相似律在模型试验中的应用
6)