APP下载

水下爆炸载荷作用下舰船结构响应研究综述

2011-03-06牟金磊黄晓明

中国舰船研究 2011年2期
关键词:船体塑性舰船

牟金磊 朱 锡 黄晓明

海军工程大学船舶与动力学院,湖北武汉 430033

水下爆炸载荷作用下舰船结构响应研究综述

牟金磊 朱 锡 黄晓明

海军工程大学船舶与动力学院,湖北武汉 430033

在海战中,水下爆炸载荷是舰船结构的主要威胁之一。舰船结构响应非常复杂,可以分为整体响应和局部响应两大类,分别从这两个方面总结了水下爆炸载荷作用下舰船结构响应研究的国内外研究进展情况。根据不同的研究方法,从理论、试验和仿真三个角度对收集的文献进行了详细的分析与总结,并在此基础上提出了现有工作中的不足,对该领域有待解决的问题和发展趋势进行了展望,可为其他研究者提供参考。

水下爆炸;舰船结构;综述

1 引言

在海战中,水雷、鱼雷和深弹等水中兵器在水下爆炸时会产生冲击波和气泡脉动压力等载荷,这些载荷能导致舰船局部或总体结构发生严重毁伤,使舰船丧失战斗力。为提高舰船抗爆能力,各国海军都在进行水下爆炸载荷及其对舰船结构毁伤作用研究,特别是各海军强国,如美国、澳大利亚等,在装药的设计和性能、爆炸机理、舰船响应等方面,通过采用理论分析、数值模拟、模型试验和实船试验等手段,开展了大量研究工作,基本涵盖了水下爆炸及其对舰船毁伤作用研究的主要方面,并取得了大量成果[1-9],其研究成果为提高舰船生命力提供了科学依据。我国海军也开始逐渐重视这一方面的研究工作,许多研究单位和学者都不同程度地投入到了这一领域中。

水下爆炸冲击波载荷的峰值压力大,作用时间短,可以使舰船局部变形或破裂。气泡脉动的压力要比冲击波小得多,但其作用时间却远远超过首次冲击波,其冲量与冲击波相当,甚至还超过冲击波,且气泡运动的周期与舰船整体结构频率相当,易使船体产生“鞭状响应”(whipping),对舰船的整体强度具有很大影响。当炸药在离舰船较近处爆炸时,气泡受舰船结构边界的影响容易失稳而产生射流,从而在冲击波破坏的基础上进一步引起舰船结构毁伤。

水下爆炸载荷作用下的舰船结构响应是一个高度非线性的动态响应过程,涉及流固耦合、塑性动力学、断裂力学等多个学科,研究方法也涉及理论、试验、仿真等多个方面。自20世纪50年代起,人们就开始进行该领域的系统研究。本文主要从局部结构和整体结构两方面来总结前人的工作,在每个方面,又各自从理论、试验、仿真三个角度进行了分析。

2 水下爆炸载荷作用下舰船局部结构响应研究

2.1 理论研究

舰船局部结构主要由板、壳、梁等基本元素构成,对舰船局部结构的响应研究可简化为对这些简单结构的研究。理论研究的方法主要是求解流固耦合的瞬态运动微分方程,但因理论求解具有局限性,因此,在国外,早期的工作基本限制在对相对简单结构(圆板、方板、圆柱壳等)的塑性动力响应上。

因圆板的主应力方向一致,情况较为简单,因而板的塑性动力响应研究是从圆板开始。Hopkins等[10]首先研究了刚塑性的简支圆板动力响应问题,后来,国外许多学者[11-14]针对不同边界条件和载荷条件,对圆板的塑性动力响应问题做了大量工作,但这些研究所采用的屈服准则多为最大正应力准则和Tresca屈服准则,几乎无人考虑冲击引起的高应变率对屈服准则的影响。国内也有不少学者对圆板塑性动力响应进行过研究,如席丰等[15]利用有限变形弹塑性的最小加速度原理,建立了分析圆板动力响应问题的方法;王延斌等[16]根据不同材料选用不同强度标准的统一强度理论,求解了简支圆板在中等脉冲载荷作用下的动力响应问题;谌勇等[17]分析了刚塑性圆板受水下爆炸载荷时的动力响应问题,分析了圆板的永久变形场,考察了流固耦合作用及空泡对结构响应的影响。

对于非圆板的塑性动力响应,其情况要复杂得多。Cox 和 Morland[18]采用 Tohansen 屈服准则,给出了简支方板在均布载荷下的最终变形计算方法,但未考虑弹性应变、加工硬化和应变率的影响。若考虑到水下爆炸载荷,问题会更加复杂。1950年,Taylor采用一维笛卡尔坐标,将水视为线性流体,提出了空背板结构在水下爆炸弱击波作用下的精确解,但他在分析中没有考虑水下爆炸的空穴效应。之后,有人又采用模态法进一步研究了空背板结构在水下爆炸强击波作用下的动态响应。与Taylor不同的是,他们将水视为非线性流体,得到了该问题的一维笛卡尔坐标下的解析解,但他们同样也没有考虑空穴效应。Bleich和Sandler则专门分析了空背板结构在水下爆炸弱击波作用下空穴现象产生的时间[19]。他们采用模态法,同时将水介质视为双线性流体,得到了在一维笛卡尔坐标下空穴发生时间的解析公式。1974年,Huang研究了二维轴对称弹性空背板在水下爆炸球面波作用下的瞬态变形[20],在不考虑空穴效应的情况下得到了该问题的理论解。Jiang提出了一个分析加筋板在水下爆炸载荷作用下非线性动态响应的简化解析法[21]。他沿用了以前分析空爆作用下加筋板响应的方法,将加筋板模型视为刚塑性梁或交叉梁系,采用Hains线性声学理论近似考虑了流固耦合效应。在分析中,其考虑了大变形和应变率效应等因素,通过控制水压力波形来计及空穴效应和二次加载现象,最后得到了较简洁的理论解。Hains模型的局限性在于,其只适用于求解结构的早期效应,或是衍射效应可以忽略的大结构。他指出,如果要扩大该方法的适用范围,可以采用Kirchhoff的迟滞势理论来替代Hains模型。为此,Jiang提出了一个用迟滞势理论来分析水下爆炸载荷作用下圆板动态响应的有限元方法。该方法采用的是耦合的轴对称单元。由于迟滞势理论的数学计算十分繁杂,因此,他力图使该方法相对简单并可用于工程计算。用该方法计算的近场和远场爆炸作用下结构的响应与实验结果较为吻合[22]。 Geers通过引入“残余速度势”的方法,在三维空间内求解了弹性结构物与液流场间的相互耦合作用[23]。

对于舰船结构在水下爆炸载荷作用下的塑性动力响应问题,我国的研究主要是求出固支方板的理论响应解。吴成等[24]借助能量原理和Lagrangian函数,研究了固支方板在水下爆炸载荷作用下变形的最终挠度的解析解。吴有生等[25]应用能量法提出了一种适用于非接触爆炸条件下单向加筋船体板架塑性变形的能量公式。刘土光等[26]利用能量法及刚塑性结构模型,研究了在爆炸载荷作用下加筋板的塑性动力响应,提出了该类结构爆炸冲击载荷作用下的变形模式及判别条件。唐文勇等[27]利用能量法及刚塑性本构模型,对加筋板结构的塑性动力响应进行了分析,导出了指数载荷作用下加筋板塑性动力响应的持续时间及最大残余变形的表达式。朱锡等[28]利用能量原理,在考虑中面膜力影响的基础上,推导了爆炸载荷作用下舰船板架最大残余变形的计算公式。牟金磊等[29]利用能量原理,通过将加筋板变形分为整体变形和局部变形两部分,进而推导出了计算爆炸载荷作用下复杂加筋板变形挠度的解析公式。

以上研究多基于能量法。能量法忽略中间复杂过程而直接计算最终状态,虽降低了理论计算难度,但却不能详细反映结构响应过程。在考虑塑性变形过程,运用解析法求解结构塑性动响应方面,于政文[30]从理论上分析了受均布冲击载荷作用下,位于弹性基础上的简支理想刚塑性方板的塑性动力响应,文中给出了中载和高载情况下各相的解析解。朱锡等[31]通过对爆炸载荷作用下的固支方板进行理论分析,导出了固支方板在爆炸载荷作用下的应变场,分析了爆炸载荷下固支方板的破裂形式,给出了破裂临界压力值。在水下爆炸载荷作用下求解舰船结构响应,流固耦合影响不容忽视,但由于计算难度非常大,因而考虑流固耦合的理论计算的文献尚不多见。

2.2 试验研究

在理论上,由于水下爆炸问题涉及流体和船体结构的相互耦合作用,数学物理模型的建立尚不十分完善,且由于较强的非线性因素,使得数值计算工作量很大,因此,目前研究结构在水下爆炸载荷作用下的动态响应在很大程度上依赖于试验。在对所建立的数学物理模型进行检验和对理论与数值计算结果进行验证方面,试验研究都是十分必要的。

1984 年,Rentz[32]用试验手段研究了加筋平板在水下爆炸载荷作用下的动态响应,并进行了数值计算。1988年,Gifford等[33]对具有初始裂纹的焊接厚板在水下爆炸载荷作用下的动态响应进行了研究,并作了一系列试验。Shima等[34]研究了水下爆炸产生的气泡以及气泡的破裂对复合材料结构的冲击作用。Goertner和Thrum研究了水下爆炸产生的气泡在水平放置的圆形平板底部破裂时对圆板产生的冲击力,并分别研究了轴对称结构以及不对称加筋结构两种情况[35-36]。有人则通过试验,对垂直放置的矩形水背板在受到侧向水下爆炸冲击波和气泡破裂冲击流作用下的响应进行了研究。

近年来,国外研究的热点主要是舰船结构在爆炸冲击载荷作用下的毁伤模式,主要方法是试验与数值仿真相结合。Nurick和 Olson[37]通过对加筋方板进行研究,给出了爆炸压力载荷作用下加筋方板响应的试验与仿真结果,提出随着载荷强度的增加,应变率敏感的板呈现出两种失效模式:塑性大变形和拉伸撕裂,在数值分析中,通过考虑几何、材料非线性的影响和应变率效应的影响,发现在加强筋较弱的情况下,裂纹首先出现在固支边界处,在加强筋较强的情况下,裂纹则首先从加强筋处开始。在后续的研究中,Nurick又将板的失效模式进行了细分,在文献[38]中,按照有无颈缩现象及颈缩出现的位置,将塑性大变形分为3种子模式:无明显颈缩、边界处局部颈缩和整个边界颈缩,在文献[39]中,将撕裂模式也进一步分为3种子模式:部分撕裂、随中点挠度的增加而完全撕裂、随中点挠度的减小完全撕裂。Ramajeyathilagam等通过试验和数值仿真,将爆炸载荷作用下板的破坏模式进一步进行了细化[40-41],指出除上述两种破坏模式外,还有剪切破坏。Langdon通过利用冲击摆模拟冲击载荷,并运用试验和数值仿真的方法,能很好地预测各种不同形式、尺寸加筋板的塑性大变形挠度和形状,并能预测撕裂破坏[42-43]。

我国由于条件所限,试验研究开展较少。刘润泉等[44]对船体单元结构模型进行了一系列的水下接触爆炸试验,拟合了经验破口估算公式中的系数。该公式可用于估算固支方板受水下接触爆炸作用产生的破口。但由于公式中仅考虑了炸药药量和板厚而未考虑加强筋的影响,因而对于船舶结构中较常见的加筋板结构的破口预测会有较大偏差。朱锡等[45]人对四边刚性固定的加筋板结构进行了水下接触爆炸试验,提出了板架结构加强筋相对刚度的概念,可用于描绘不同尺寸加强筋在不同炸药量下对板架结构破口范围的影响,并对现有的水下接触爆炸作用下的板架破口长度估算公式进行了修正。吴成等人对气背固支方板进行了不同药量和爆距的水下爆炸冲击试验,并与理论计算结果进行了比较。牟金磊等[46-47]对水下爆炸载荷作用下的加筋板塑性动力响应进行了系列试验研究和仿真研究。

总的来看,由于该领域的试验属破坏性试验,因而花费巨大,试验条件要求也比较高。我国具备试验条件的单位不多,试验研究开展的也较少,且多数试验是为了验证理论或者数值仿真而做的验证性试验,缺乏大量、系统的试验研究。

2.3 仿真研究

随着计算机技术、结构有限元、边界元以及流固耦合、非线性弹塑性动力响应软件的成熟,以及大型工作站、巨型机的出现,对舰船结构的爆炸动力响应和破坏模式的研究出现了一个数字化的模拟时代。目前,数值模拟和仿真手段已由原来可有可无的角色成为该领域研究中的重要组成部分。国外在此方面开展的比较早,且已取得了大量成果。Rudrapatna等[48]给出了四周固定的方形钢板在冲击载荷作用下的数值仿真结果,该数值仿真基于有限元公式,考虑了几何非线性、材料非线性和材料应变率效应的影响,提出了一个用包含弯曲、张力和横向剪力的交互式失效准则来预报结构的失效模式,并开发了节点释放准则,用于仿真板从边界处开裂的过程。Balden等[49]对其它文献中的试验进行了仿真,其结果与试验结果吻合较好。Liang等[50]提出了一个耦合非线性有限元和双重渐进逼近法(DAA法)的程序,其中考虑了瞬态动力学、几何非线性、材料的弹塑性和流固耦合。近年来,国外的仿真研究做得非常多,并取得了大量研究成果,达到了较高水平,基本能准确预报结构的响应。

随着各种商用有限元程序的引进,我国近年来从事数值仿真研究的学者越来越多,也取得了大量研究成果[51-54]。冯刚、张振华等人研究了在水下爆炸载荷作用下受损的加肋圆柱壳的屈曲,结合DYTRAN软件和NASTRAN软件计算了水下爆炸载荷作用下受损圆柱壳的剩余屈曲强度,并提出了一种结合上述两种软件计算加肋圆柱壳剩余屈曲强度的方法,其数值计算结果与试验结果吻合较好[55]。另外,还比较了肋骨和肋间壳板在迎爆面、侧爆面和背爆面处的中面有效应力和应变,分析了壳体在三个不同部位的破坏机理,并用壳体最终变形的计算结果证明,计算中应当考虑应变率效应的影响[56]。姚熊亮等采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对圆筒结构水下爆炸进行了数值实验研究,并对流场边界的约束进行了讨论,提出了人工边界在确定边界约束上的应用,并将数据实验计算结果与海军工程大学的圆筒结构水下爆炸的试验数据进行了对比分析,认为ANSYS/LS-DYNA在计算较远距离的水下爆炸问题上存在着一定的局限性[57]。贾宪振、胡毅亭等根据流固耦合的Taylor平板理论和Cole的水下爆炸经验公式,得到了水下爆炸冲击波作用下平板迎爆面的总压力载荷,并将该压力载荷嵌入到了ABAQUS程序的用户自定义载荷子程序VDLOAD中,实现了对ABAQUS的二次开发,运用该方法,模拟了水下爆炸冲击波作用下固支平板的塑性动力响应,其结果与试验结果吻合较好[58]。

由于西方国家对我国计算水下爆炸专用程序USA进行技术封锁,因此与发达国家相比,我国的仿真研究水平还有很大差距,多数研究都需要进行试验验证才能确保精度。且我国的仿真研究多采用的是国外的商用软件,不少研究人员并不清楚有限元的基本原理而进行盲目的研究,即便是有超级的计算技术,也仍将得到毫无意义的结果。所以,要想真正利用数值仿真来代替试验研究,还有相当长的路要走。

3 水下爆炸载荷作用下舰船整体结构响应研究

水下爆炸气泡的脉动压力周期性较强,其基频与船体梁结构的一二阶固有频率十分接近,易使船体产生鞭状响应,造成严重的总体结构破损。舰船整体结构响应也主要是考虑气泡脉动压力。随着“气泡能”概念武器的出现,舰船附近由于气泡运动而产生的浮力损失有可能会使舰体发生纵向折断或倾覆。

3.1 理论研究

Stettler[59]对爆炸气泡作用下潜艇结构鞭状响应问题的求解方法予以了研究,探讨了能量耗散(阻尼)问题对潜艇整个载荷力作用和动态响应的影响。 1986 年,Vernon[60]从理论上研究了水面舰艇在水下爆炸产生的气泡作用下的鞭状响应(whipping response),建立了理论模型并进行了结构动力学分析。模型中认为水不可压,其忽略了初始冲击波的影响,并引入了表征能量散逸的虚拟压力阻尼系数。利用该文的方法,可以计算船体壳体的鞭状响应位移和应力。Shin[61]则在试验数据的基础上对水下爆炸作用下船体结构响应中非常重要的船体结构阻尼问题进行了研究探讨,提出了舰船瞬时时域分析中所需的舰船系统阻尼模型。在如龙骨、舱壁和甲板的各个区域,对Rayleigh阻尼参数的统计特性进行了定量分析和评估,认为Rayleigh阻尼参数适用于舰船抗冲击响应预报。

在我国,有人对鱼雷、导弹和核武器等在水下爆炸时产生的载荷特点进行过论述,并分析了冲击波、气泡脉动和二次加载的产生过程及其对船体的作用。刘建湖等[62]利用结构有限元及修正的DAA法研究了水下爆炸冲击波载荷作用下的动态响应。一般认为,冲击波主要是会引起舰船结构的局部毁伤,因而研究冲击波对整体结构破坏的文献比较少见。近年来,气泡载荷对整体结构毁伤的研究较多。姚熊亮等[63]将船体梁视为两端自由的Timoshenko梁,在二维切片法和水弹性方法的基础上,计算了船体梁在水下爆炸二次脉动压力下的响应特性,计算结果表明,气泡脉动压力易产生较大的总纵弯矩,从而造成总体结构破损。李玉节[64-65]对细长船体在水下爆炸气泡载荷作用下的鞭状运动响应进行了大量的试验和理论研究,考虑了水面效应的影响,指出周期性的气泡脉动载荷会引起舰船整体的严重毁伤。宗智[66]研究了浮于水面的两端自由梁在水下爆炸气泡脉动作用下的刚塑性响应,并将两端自由梁的刚塑性动态响应分为三相,得到了能够初步预测船体结构在水下爆炸气泡脉动作用下的塑性响应公式。朱锡等[67]为研究气泡对船体总纵强度造成的影响,建立了将舰船静置于爆炸气泡上的总纵强度理论计算方法,通过采用静置气泡假设,将气泡产生的浮力损失和压力差转化为等效载荷,计算了气泡作用后船体的总纵弯矩和剪力并进行了强度校核。

虽然整体结构可以简化为一维目标,难度上较局部结构略有降低,但理论研究还仅局限于简单载荷和简单模型,与工程实际应用尚有较大差距,例如,炸药在船底中部附近爆炸,气泡与船体结构接触,由于船体中部吃水被爆炸气泡排开等这种复杂情况下船体梁的总体响应就很难解决。

3.2 试验研究

美海军非常重视军舰的抗爆性能,几乎每型水面舰艇的首舰都要进行水下爆炸试验,也称为抗冲击试验(shock trial)。实船试验大致可分为两类,一是对即将服役的新型军舰的首舰进行实船抗冲击试验,用以评估战斗冲击环境中船体和与作战使命密切相关的设备的易损性和生命力(图1)。例如,Hart[68]在论文中提到,美国军舰 Winston S.Churchill号(DDG-81)于 2001年 5~6月间在佛罗里达州的Mayport海军基地进行了抗冲击试验。Winston S.Churchill号是“阿利·伯克”级最新Ⅱ-A型的首舰。二是对退役的老舰进行破坏性的实船水下爆炸试验,主要用于研究船体和设备的爆炸机理、破坏模式和抗冲击措施等,从而为提高军舰的抗冲击研究水平提供试验数据支持(图2)。

实船抗冲击试验非常昂贵,而且需要作大量的论证准备和组织协调工作,会耗费大量时间。另外,实船抗冲击试验也会对试验舰船和人员造成潜在的威胁,对环境造成一定的影响。我国曾在上世纪70年代进行过某型艇的实艇系列爆炸实验,试验从总强度、局部强度到艇上设备的冲击都进行了测试,获得了水面舰艇在水下爆炸作用下动力响应及破坏机理的相当可贵的数据。

近年来,我国海军加大了实船试验方面的投入,陆续对一些新建舰船和退役舰船进行了水下爆炸研究。另外,大量学者和研究人员也积极投身到了实船试验研究中。相信在不久的将来,我国在该方面的研究定会有突飞猛进的发展。

3.3 仿真研究

实船的抗冲击试验不仅复杂而且昂贵,而数值模拟则是节省成本的一个好方法。Mair等[69-70]专门对美海军在舰船抗冲击研究中数值模拟方法的应用与发展趋势进行了分析。Santiaqo[71]对“阿利·伯克”级驱逐舰(DDG-51)初步设计方案模型在水下爆炸作用下的响应进行了数值研究,结果表明,水下爆炸作用下舰船模型的建立能够帮助评估 “阿利·伯克”级驱逐舰设计中的Ⅱ-A(DDG-79)设计方案并为其生命力试验节省经费。Wood[72]认为有限元模型及数值模拟是一种可行的、低成本的替代方法,有限元建模及相应的数值模拟方法能为水下爆炸模拟中流场模型的进一步研究提供基础。Hart[73]对水下爆炸作用下的船体和流场进行了数值模拟,并与Winston S.Churchill号实船抗冲击试验的试验数据进行了对比。

以上数值模拟工作都用到了USA计算模块。这一计算模块是基于双重渐进近似方法(DAA)开发的,该方法在冲击波载荷对舰船结构的破坏研究中应用较广泛。在我国,刘建湖在其博士论文中也对这一方法进行了详细研究[74]。 Hammond[75]则对LS-DYNA/USA程序中流体初始化问题对计算结果的影响进行了探讨。

张振华等提出了一个利用MSC/DYTRAN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的方法。用FORTRAN语言编译用户子程序,在近场水域边界处加上冲击波载荷以模拟远场爆炸效应,进而利用DYTRAN中强大的流固耦合计算功能,计算船体在水下冲击波作用下的动态响应。同时,其还研究了边界定义和单元划分对冲击波传播的影响。该方法弥补了DYTRAN计算远场水下爆炸的某些不足,计算所得到的船体附近的自由场压力与经验公式的结果基本一致,船体的冲击响应与相关实验结果也比较吻合[76]。姚熊亮和张阿漫[77]采用有限元计算程序ABAQUS对舰船水下爆炸进行了数值模拟。通过对几种典型舰船水下爆炸进行的数值计算和分析,总结了用ABAQUS进行水下爆炸数值分析的技巧和方法,并把部分计算数据和实测数据进行了对比分析,结果表明,利用ABAQUS软件,在计算舰船水下爆炸过程中,只要相应参数设置合理,计算结果与实测数据基本吻合,可以满足工程要求。

与局部结构研究类似,近年来在引进国外先进软件的基础上,若干院所积极开展了有限元及相关技术的研究,并对一些实艇结构进行了全艇数值模拟分析,以期进行抗爆强度校核,但要达到理想的精度目标,还需进行更深入、全面的研究。

4 研究建议及展望

水下爆炸载荷作用下舰船结构的响应研究是一个非常复杂的课题,其中涉及流固耦合、气液耦合、气液固三相耦合等难题,需要综合结构动力学、流体动力学、塑性动力学、断裂力学等多学科的知识。对于该领域的研究,还有很多工作要做,现结合本文查阅的文献,提出以下几点研究建议:

1)气泡塌陷发生射流会给舰船结构造成严重的局部毁伤,但国内外在该方面的研究都还不成熟,尚有大量工作要做。

2)舰船局部结构在水下爆炸载荷作用下的毁伤计算主要集中在求解残余变形挠度方面,关于破口方面的研究还比较少,还需要加强。

3)炸药在船底中部附近近距爆炸时,若气泡与船体结构接触,则由于船体中部吃水被爆炸气泡排开,舰船底部产生负压,船体在重力和负压的作用下产生中垂,可能会被折断破坏。若气泡与结构未接触,在气泡收缩过程中,随着流体运动,在舰船底部也会形成一个持续时间较长、范围较大的负压,可能会使舰船整体出现严重的中垂破坏。这种破坏模式的研究一直都是一个空白。

随着国内外学者对水下爆炸载荷作用下舰船典型结构毁伤研究的不断深入,有关气泡射流载荷对舰船结构的毁伤机理、结构破口计算以及气泡负压载荷对舰船整体的破坏模式等方面的研究也在不断发展,这对指导人们改进舰船设计水平,提高其抗爆抗冲击能力具有重要意义。

[1]STETTLER J W.Damping mechanisms and their effects on the whipping response of a submerged submarine subjected to an underwater explosion,A347892 [R].Massachusetts Institute of Technology,1995.

[2]MENON S.Experimental and numerical Studies of underwater explosions,ADA317378[R].1996.

[3]SCHNEIDER N A.prediction of surface ship response to severe underwater explosions using a virtual underwater shock environment,A555714 [R].2003.

[4]KRUEGER S R.Simulation of cylinder implosion initiated by underwater explosion,A035754[R].2006.

[5]UCAR H.Dynamic response of a catamaran-hull ship subjected to underwater explosions,A807264[R].2006.

[6]STEPHEN D B.Acceleration of a plate subject to explosive blast loading-tiral results,A324873[R].Australia:Defence Science and Technology Organisation,2000.

[7]JOHN P B.The effect of non-spherical collapse on determination of explosion bubble parameters,A168704 [R].Australia:Defence Science and Technology Organisation,2002.

[8]MARIAN F,BOC P,MCLEAN A.Dynamic impulse calibration of 100 MPa blast pressure transducers,A836324[R].Australia:Defence Science and Technology Organisation,2003.

[9]BRETT J M,BUCKLAND M,TURNER T,et al.An experimental facility for imaging of medium scale underwater explosions,A498714 [R].Australia:Defence Science and Technology Organisation,2003.

[10]HOPKINS H G,PRAGER W.On the dynamics of plastic circular plates [J].Journal of Applied Mathematics and Physis,1954,5(4):317-330.

[11]FLORENCE A L.Response of circular plates to central pulse loading [J].International Journal of Solids and Structures,1977,13(11):1091-1102.

[12]JONES N,DE OLIVEIRA J G.Dynamic plastic response of circular plates with transverse shear and rotatory inertia[J].International Journal of Solids and Structures,1983,19(3):263-279.

[13]SHEN W Q,JONES N.Dynamic response and failure of fully clamped circular plates under impulsive loading[J].InternationalJournalofImpactEngineering,1993,13(2):259-278.

[14]SYMOND P S,WIERZBICKI T.Membrane mode solutions for impulsively loaded circular plates[J].Journal of Applied Mechanics,1979,46(1):58-64.

[15]席丰,杨嘉陵.强脉冲载荷作用下弹-塑性薄圆板的大挠度动力响应[J].爆炸与冲击,2000,20(4):379-384.

[16]王延斌,俞茂宏,肖耘,等.冲击载荷作用下简支圆板的塑性动力响应统一解[J].2003,23(5):405-414.

[17]谌勇,唐平,汪玉,等.刚塑性圆板受水下爆炸载荷时的动力响应[J].爆炸与冲击,2005,25(1):90-96.

[18]COX A D,MORLAND L W.Dynamic plastic deformations of simply-supported square plates [J].Journal of Mechanics and Physics of Solids,1959,7(4):229-241.

[19]BLEICH H H,SANDLER I S.Interaction between structures and bilinear fluids[J].International Journal of Solids and Structures,1970,6(5):617-639.

[20]HUANG H.Transient bending of a large elastic plate by an incident spherical pressure wave [J].Journal of Applied Mechanics,1974, 41(3):772-776.

[21]JIANG J,OLSON M D.Rigid-plastic analysis of underwater blast loaded stiffened plates[J].International Journal of Mechanic Science,1995,37(8):843-859.

[22]JIANG J,OLSON M D.Non-linear transient analysis of submerged circular plates subjected to underwater explosions [J].Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering,1996,134(1-2):163-179.

[23]GEERS T L.Residual potential and approximate methods for three dimensional fluid-structure problem [J].The Journal of the Acoustical Society of America,1971,49(5B):1505-1510.

[24]吴成,倪艳光,郭磊,等.水下爆炸载荷作用下气背固支方板的动态响应分析[J].北京理工大学学报,2007,27(3):205-209.

[25]吴有生,彭兴宁,赵本立.爆炸载荷作用下舰船板架的变形与破损[J].中国造船,1995,(4):55-61.

[26]刘土光,胡要武,郑际嘉.固支加筋方板在爆炸载荷作用下的刚塑性动力响应分析[J].爆炸与冲击,1994,14(1):55-65.

[27]唐文勇,陈铁云.加筋板结构的塑性动力响应分析[J].上海交通大学学报,1996,30(8):73-80.

[28]朱锡,刘艳红,张振中,等.非接触爆炸载荷作用下舰船板架的塑性动力呼应[J].武汉造船,1998,(6):1-4.

[29]牟金磊,朱锡,张振华,等.爆炸冲击作用下加筋板结构变形研究[J].海军工程大学学报,2007,19(6):12-16.

[30]于政文.冲击载荷作用下简支方板的理论解 [J].振动与冲击,1999,18(1):17-22.

[31]朱锡,冯刚,张振华.爆炸载荷作用下固支方板的应变场及破坏分析[J].船舶力学,2005,9(2):83-89.

[32]RENTZ T R.An experimental investigation into the dynamic response of a stiffened flat plate loaded impulsively by an underwater shockwave,A123151[R].1984.

[33]GIFFORD L N,CARLBERG J R,WIGGS A J,et al.Explosive testing of full thickness precracked weldments[J].ASTM Special technical Publication,1990 (1074):157-177.

[34]SHIMA A,TOMITA Y,GIBSON D C,et al.The growth and collapse of cavitation bubbles near composite surfaces [J].Journal of Fluid Mechanics,1989,203:199-214.

[35]GOERTNER J F,THRUN R,BERRY J E.Underwater explosion bubble collapse against a flat plate [R].1987 NSWC Hydrotank Test Series Pressure Data Report,Naval Surface Warfare Center Technical Report NSWCDD/TR-92/482, 1993.

[36]THRUN R,GOERTNER J,HARRIS G.Underwater explosion bubble collapse against a flat plate [R].Naval Surface Warfare Center technical report NSWCDD/TR-92/482,1993.

[37]NURICK G N,OLSON M D.Deformation and tearing of blast-loaded stiffened square plates [J].International Journal Impact Engineering,1995,16(2):273-291.

[38]NURICK G N,GELMAN M E,MARSHALL N S.Tearing of blast loaded plates with clamped boundary conditions[J].International Journal Impact Engineering,1996,18(7/8):803-827.

[39]NURICK G N,SHAVE G C.The deformation and tearing of thin square plates subjected to impulsive loads-an experimental study [J].International Journal Impact Engineering,1996,18(1):99-116.

[40]RAMAJEYATHILAGAM K,VENDHAN C P,RAO V B.Non-linear transient dynamic response of rectangular plates under shock loading[J].International Journal Impact Engineering,2000,24(10):999-1015.

[41]RAMAJEYATHILAGAM K,VENDHAN C P.Deformation and rupture of thin rectangular plates subjected to underwater shock[J].International Journal Impact Engineering,2004,30(6):699-719.

[42]CHUNG KIM YUEN S,NURICK G N.Experimental and numerical studies on the response of quadrangular stiffened plates.Part I: subjected to uniform blast load [J].International Journal Impact Engineering,2005,31 (1):55-83.

[43]LANGDON G S,CHUNG KIM YUEN S,NURICK G N.Experimental and numerical studies on the response of quadrangular stiffened plates.Part II: localised blast loading [J].International Journal Impact Engineering,2005,31(1):85-111.

[44]刘润泉,白雪飞,朱锡.舰船单元结构模型水下接触爆炸破口试验研究[J].海军工程大学学报,2001,13(5):41-46.

[45]朱锡,白雪飞,黄若波,等.船体板架在水下接触爆炸作用下的破口试验[J].中国造船,2003,44(1):46-52.

[46]牟金磊,朱锡,张振华,等.水下爆炸载荷作用下加筋板变形及开裂试验研究[J].振动与冲击,2008,27(1):57-60.

[47]牟金磊,朱锡,张振华.水下爆炸作用下加筋板结构响应的数值仿真研究[J].船海工程,2006,35(6):12-16.

[48]RUDRAPATNA N S,VAZIRI R,OLSON M D.Deformation and failure of blast-loaded square plates[J].International Journal Impact Engineering,1999,22(4):449-467.

[49]BALDEN V H,NURICK G N.Numerical simulation of the post-failure motion of steel plates subjected to blast loading [J].International Journal Impact Engineering,2005,32(1-4):14-34.

[50]LIANG Cho-Chung,TAI Yuh-Shiou.Shock responses of a surface ship subjected to noncontact underwater explosions[J].Ocean Engineering,2006,33(5/6):748-772.

[51]姚熊亮,李克杰,张阿漫.水下爆炸时舰船正交异性板的简化方法研究[J].中国舰船研究,2006,1(3):30-37.

[52]张馨,王善,陈振勇,等.水下接触爆炸作用下加筋板的动态响应分析 [J].系统仿真学报,2007,19 (2):257-260.

[53]王伟力,曾亮,朱建方.水下爆炸的数值模拟研究现状[J].海军航空工程学院学报,2006,21(2):209-216.

[54]李磊,冯顺山.水下爆炸对舰船结构毁伤效应的研究现状及展望[J].舰船科学技术,2008,30(3):26-30.

[55]冯刚,朱锡,张振华.水下爆炸载荷作用下受损加肋圆柱壳的剩余屈曲强度计算 [J].海军工程大学学报,2004,16(4):97-101.

[56]张振华,朱锡,冯刚,等.水下爆炸冲击波作用下自由环肋圆柱壳动态响应的数值仿真研究 [J].振动与冲击,2005,24(1):45-48.

[57]姚熊亮,王玉红,史冬岩,等.圆筒结构水下爆炸数值实验研究[J].哈尔滨工程大学学报,2002,23(1):5-8,36.

[58]贾宪振,胡毅亭,董明荣,等.水下爆炸冲击波作用下平板塑性动力响应的数值模拟[J].舰船科学技术,2007,29(6):41-44.

[59]STETTLER J W.Damping Mechanism and their effects on the whipping response of a submerged submarine subjected to an underwater explosion,A347892[R].1995.

[60]VERNON T A.Whipping response of ship hulls form underwater explosion bubble loading,A690871[R].1986.

[61]SHIN Y S,HAM I.Damping modeling strategy for naval ship system,A942914[R].USA:NPS-ME-03-003,2003.

[62]刘建湖,吴有生,赵本立,等.玻璃钢结构在水下爆炸冲击波作用下的动响应研究 [J].船舶力学,2000,4(3):51-58.

[63]姚熊亮,陈建平,任慧龙.水下爆炸气泡脉动压力下舰船动态响应分析 [J].哈尔滨工程大学学报,2000,21(1):1-5.

[64]李玉节,潘建强,李国华,等.水下爆炸气泡诱发舰船鞭状效应的实验研究[J].船舶力学,2001,5(6):78-83.

[65]李玉节,张孝慈,吴有生,等.水下爆炸气泡激起的船体鞭状运动[J].中国造船,2001,42(3):1-7.

[66]ZONG Z.A hydroplastic analysis of a free-free beam floating on water subjected to an underwater bubble [J].Journal of Fluids and Structures,2005,20(3):359-372.

[67]朱锡,方斌.舰船静置爆炸气泡时总纵强度计算方法研究[J].海军工程大学学报,2007,19(6):6-11.

[68]HART D T.Ship shock trial simulation of USS winston S.churchill (DDG81):surrounding fluid effect,A919414[R].Storming Media.2003.

[69]MAIR H U,GARRETT R K.U.S.Navy initiative to advance the simulation of structural failure[C]//Rajendran A M,Batra R C.Constitutive Laws: Theory, Experiments and Numerical Implementation.Barcelona:CIMNE,1995:1-17.

[70]MAIR H U.Review:Hydrocodes for Structural Response to Underwater Explosions[J].Shock and Vibration,1999,6(2):81-96.

[71]SANTIAQO L D.Fluid-Interaction and cavitation effects on a surface ship model due to an underwater explosion,A038023[R].1996.

[72]WOOD S L.Cavitation effects on a ship-like box structure subjected to an underwater explosion,A739453[R].1998.

[73]HART D T.Ship shock trial simulation of USS winston S.churchill (DDG81):surrounding fluid effect,A919414[R].2003.

[74]刘建湖.舰船非接触水下爆炸动力学的理论与应用[D].江苏:中国船舶科学研究中心,2000.

[75]HAMMOND L,GRZEBIETA R.The requirement for hydrostatic initialization in LS-DYNA/USA finite element models[J].Shock and Vibration,2000,7(2):57-65.

[76]张振华,朱锡,冯刚,等.船舶在远场水下爆炸载荷作用下动态响应的数值计算方法 [J].中国造船,2003,44(4):36-42.

[77]姚熊亮,张阿漫,许维军,等.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.

Advances in the Research of Ship Structural Response Subjected to Underwater Explosions

Mu Jin-lei Zhu Xi Huang Xiao-ming
College of Naval Architecture and Power, Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China

In the naval warfare, the undewater explosion load is one of the main threats to the ship structures.However, the structural responses are quite complex, which can be devided into global response and local response.The advances in the research of dynamic response of ship structures are summarized.With different methods, the responses of local structure and global structure are analyzed respectively from the aspects of theoretical, experimental and simulation.Some of deficiencies currently in the research works as well as problems need further study are put forwards.

underwater explosion; ship structure; review

U661.6

A

1673-3185(2011)02-01-08

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.02.001

2010-03-02

国家安全重大基础研究项目(51335020103)

牟金磊(1980-),男,博士研究生。研究方向:舰船结构水下抗爆抗冲击。E-mail:mjl1007@163.com

朱 锡(1961- ),男,教授,博士生导师。 研究方向:舰船结构抗爆。E-mail:zhuxi816@163.com

猜你喜欢

船体塑性舰船
舰船通信中的噪声消除研究
船体行驶过程中的压力监测方法
基于应变梯度的微尺度金属塑性行为研究
浅谈“塑性力学”教学中的Lode应力参数拓展
舰船测风传感器安装位置数值仿真
塑性膨胀剂对钢筋连接用套筒灌浆料性能的影响
平原水库塑性混凝土防渗墙应力与变形分析
超大型FPSO火炬塔及船体基座设计
舰船腐蚀预防与控制系统工程
船体剖面剪流计算中闭室搜索算法