多次水下爆炸下背空加筋板损伤累积特性研究.pdf
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1、第45卷第19 期2023年10 月舰船科学技术SHIP SCIENCEANDTECHNOLOGYVol.45,No.19Oct.,2023多次水下爆炸下背空加筋板损伤累积特性研究黄鑫华12,李应刚12 3,张永峰2,李晓彬1.2(1.武汉理工大学高性能舰船技术教育部重点实验室,湖北武汉430 0 6 3;2.武汉理工大学船海与能源动力工程学院,湖北武汉430 0 6 3;3.武汉理工大学三亚科教创新园,海南三亚57 2 0 2 5)摘要:为了评估舰船结构在水下多次爆炸冲击下抗爆抗冲击性能,采用Abaqus非线性有限元软件建立了固支背空钢板结构水下爆炸冲击数值模型,数值计算结果与文献实验结果吻
2、合较好,验证了水下爆炸声-固耦合方法的可靠性。在此基础上,提出了多次水下爆炸冲击声-固耦合数值模拟方法,研究了多次水下爆炸冲击下典型背空加筋板损伤累积特性与损伤模式演化规律,分析了冲击因子对结构损伤特性的影响。结果表明,多次水下爆炸冲击作用下背空加筋板动态变形与损伤逐渐累积,可能发生塑性大变形、边界拉伸撕裂以及整体失效破坏等损伤模式演化。当冲击因子小于某一阈值时,背空加筋板多次水下爆炸冲击下塑性变形趋于稳定,出现伪安定现象。研究结果可为舰船结构抗爆抗冲击设计提供参考。关键词:背空加筋板;多次水下爆炸冲击;损伤累积;声-固耦合;伪安定现象中图分类号:U663文章编号:16 7 2-7 6 49(
3、2 0 2 3)19-0 0 0 9-0 8Research on damage accumulation characteristic of air-backed stiffened plate(1.Key Laboratory of High Performance Ship Technology Ministry of Education,Wuhan University of Technology,Wuhan 430063,China;2.School of Naval Architecture,Ocean and Energy Power Engineering,Wuhan Univ
4、ersity of Technology,Wuhan 430063,China;3.Sanya Science and Education Innovation Park,Wuhan University of Technology,Sanya 572025,China)Abstract:In order to evaluate the anti-explosion performance of ship structures subjected to multiple underwater ex-plosions,a numerical model of typical air-backed
5、 structure subjected to underwater explosion is established by using theAbaqus/Explicit software.The numerical calculated results are in good agreement with experimental results in the literature.On this basis,an acoustic-structure coupling numerical simulation modeling method of ship structure subj
6、ected to multipleunderwater explosions is proposed,and the damage accumulation characteristics of air-backed stiffened plate subjected tomultiple underwater explosions are investigated.The damage evolution and accumulation process of stiffened plate is ob-tained.In addition,the influence of shock fa
7、ctor on damage accumulation is further performed.Results show that with the in-crease of shock factor,the damage of stiffened plate subjected to multiple underwater explosions accumulates gradually,andthe evolution of damage modes such as local deformation stage,boundary tear damage stage and struct
8、ure integral failuremay occur.The plastic deformation of air-backed stiffened plate subjected to multiple underwater explosions tend to a stablevalue and pseudo shakedown phenomenon occurs when the impact factor is less than a shock factor threshold.The researchresults can provide a reference for an
9、ti-blast and anti-impact design of typical air-backed ship structures.Key words:air-backed stiffened plates;multiple underwater explosions;damage accumulation characteristic;Acoustic-solid coupling;pseudo shakedown phenomenon文献标识码:Asubjected to multiple underwater explosionsHUANG Xin-hua2,LI Ying-ga
10、ng2-,ZHANG Yong-feng,LI Xiao-bin?doi:10.3404/j.issn.1672-7649.2023.19.002收稿日期:2 0 2 2=10-0 7基金项目:国家自然科学基金资助项目(1197 2 2 6 9);武汉理工大学三亚科教创新园开放基金资助项目(2 0 2 1KF0029)作者简介:黄鑫华(1996),男,硕士研究生,研究方向为舰船结构安全与冲击防护。100引言随着水下武器及新型炸药不断更新换代,舰船在实际战斗中可能承受水中兵器的多次攻击,造成舰船结构变形与累积损伤破坏,其面临的毁伤威胁也越来越大,舰船水下抗爆抗冲击性能研究受到世界各国的广泛关注1
11、-2 。加筋板架结构作为舰船结构的典型单元形式,对其进行抗爆设计有助于提升舰船抗爆抗冲击性能,具有十分重要的意义。目前,国内外学者针对加筋板架结构爆炸冲击损伤特性开展了大量试验与数值研究。梅志远等3 对爆炸荷载下加筋板的变形进行数值研究,并将其破坏模式与爆炸条件下的试验结果进行比较。Rudrapatna等4分析了受冲击波载荷作用的加筋板断裂形式,并得到材料的几何非线性影响和应变率作用。Jen等5 针对不同加筋尺寸下的加筋结构,利用非线性有限元软件Abaqus开展结构水下爆炸载荷下的动态响应研究。牟金磊等6 对不同尺寸加筋板结构开展了水下爆炸试验,确定了不同尺寸加筋板结构在爆炸载荷作用下的动态开
12、裂应变,为结构在爆炸冲击作用下破损的数值仿真提供了开裂判据。朱熹等7 对不同药量爆炸时复杂加筋板的毁伤模式进行研究,分析不同影响参数对破坏模式的影响,并分析不同毁伤模式之间的临界载荷值及判别条件。Zong等8 采用Abaqus声-固耦合方法对水下爆炸载荷作用下加筋板的变形和破裂进行数值模拟,并与试验结果进行对比。刘昆等9 对加筋板开展水下爆炸冲击数值研究,分析得到了结构的损伤变形模式、变形等力学行为。综上可知,国内外学者研究主要集中于加筋板架结构单次水下爆炸冲击动态响应,对于舰船典型背空加筋板结构多次水下爆炸冲击损伤累积特性和能量吸收机理研究却少有公开报道。因此,本文通过非线性有限元软件Aba
13、qus建立背空加筋板多次水下爆炸冲击响应数值仿真模型,提出多次水下爆炸冲击声-固耦合数值模拟建模方法,研究多次水下爆炸冲击下典型背空加筋板损伤累积特性,得到加筋板水下爆炸冲击损伤演化过程,分析冲击因子对结构损伤特性的影响规律,可为舰船典型背空结构抗爆抗冲击设计提供参考。1多次水下爆炸冲击数值模型1.1有限元模型声-固耦合法计算水下爆炸载荷在水中的传播以及舰船科学技术结构与周围流体相互作用具有较好的精度10 ,因此利用非线性有限元分析软件Abaqus/Explicit声-固耦合法建立背空加筋板多次水下爆炸冲击动态响应有限元模型,如图1所示。模型由水域、箱型结构及试件组成。典型加筋板尺寸为0.3m
14、x0.25m,规定试件的长端为纵向,较短端为横向,其中纵向加强筋尺寸为0.3mx0.03m0.005m,横向加强筋尺寸为0.2 5m0.03m0.004m(见图1(a))。为模拟舰船背空环境,建立长宽均与试件相同的箱型结构,尺寸为0.30.2 50.18 m,箱型结构设为刚性体。由于舰船结构在实际的环境下,其背部空气是可以自由流人和流出的,因此假定箱型结构内的空气为真空。参考文献11 将水域尺寸设置为结构尺寸6 倍以上,即水域尺寸为1.8 1.51.2 m,Y方向为水深度方向(见图1(b)。炸药(即爆炸源点Sourcepoint)位于自由液面下方2 m处,爆距点(St a n d o f f
15、p o i n t)选取在流体-结构耦合面上距离爆炸源点最近的点(即试件中心点)。结构湿表面和水域之间的耦合关系定义为tie约束,水域所有外表面设置为无反射边界,试件四边定义为固支边界(见图1(c)和图1(d))。采用AC3D8R声学六面体单元对水域进行网格划分,流体-结构耦合界面处的网格较密,网格尺寸设置为3mm;水域外表面的网格较稀疏,网格尺寸设置为30 mm,单元总数达12 6 450 0。试件和箱型结构均采用S4R壳单元划分,网格尺寸均设置为3mm,单元总数达47 2 47。参考文献11 定义加筋板材料为WELDOX460E,(a)加筋板(c)无反射边界条件图1背空加筋板多次水下爆炸冲
16、击有限元模型Fig.1 Finite element model of air-backed stiffened plate subjectedtomultiple underwaterexplosions第45卷X(b)水域(d)刚性固定第45卷考虑到水下爆炸冲击载荷的应变率效应,材料本构关系采用Johnson-Cook模型,Johnson-Cook模型是金属材料常用的强度模型,能准确反映金属材料的应变强化、应变率强化以及温度软化效应,其表达式为:=A+Be)1+cln=1-(T*)m,80T*=(T-T,)/(Tm-T,)。式中:为流变应力;8 为等效塑性应变;8 为动态压缩应变率;8 0
17、 为参考应变率;T为无量纲温度项;T为试验进行时的环境温度(温度大小可由相应的万能材料试验机获取);T,为室温;Tm为熔点温度。采用Johnson-Cook失效准则描述水下爆炸冲击下加筋板结构失效,Johnson-Cook失效模型利用累积损伤的思想考虑了应力状态、应变率及温度变化对材料破坏的影响,且认为损伤并不影响材料强度,损伤变量初始值为0。当达到1时,材料即失效。其表达式为:ef=(Di+D2e式中:DiD1为通过试验获得的材料常数;*为平均应力与屈服强度之比。文献11 给出了WELDOX460E的材料参数,具体参数见表1。此外,定义水的体积模量为2.141GPa;密度为10 0 0 kg
18、/m;声波在水中的传播速度为150 0 m/s。爆炸一般分为冲击波阶段和气泡脉动阶段。炸药在水中爆炸后会产生冲击波和气泡脉动压力,冲击波发生时间早,压力幅值极大,持续时间短,而气泡脉动发生时间相对较晚,在冲击波载荷持续作用数十毫秒之后,才可能开始施加于结构上,压力幅值小,但冲量大。由于两者时间尺度与作用机制的不同,水下爆炸冲击波对于典型结构造成的毁伤更为直接和强烈。本文侧重研究多次水下爆炸冲击下结构的损伤累积特性,单次爆炸冲击分析步时间不大于3ms,忽略气泡脉动载荷的影响,获得结构在爆炸冲击压力载荷下的动响应和损伤特性。数值计算中,水下爆炸冲击波采用半经验公式12 :屈服应力应变硬化A/MPa
19、B/MPa499382黄鑫华,等:多次水下爆炸下背空加筋板损伤累积特性研究W1.54.41 107C(1)(2)D20(1+Ds0)。80表1WELDOX460E材料参数叫Tab.1 WELDOX 460E material constant!应变率硬化n(S)0.458510-4110t0;P(t)=0.368PmtRPmW1.135.24 10712下30。式中:P(t)为冲击波压力;Pm为冲击波压力峰值;0为衰减常数;t,为冲击波正压作用时间;W为炸药当量;R为爆距;Ro为药包初始半径;=R/Ro;c 为冲击波波速,取150 0 m/s。为了更普遍意义上表征水下爆炸冲击强度,定义冲击因子
20、13 为:VWS F=0.45R基于Abaqus软件建立背空加筋板在多次水下爆炸(3)冲击声-固耦合数值分析模型。在处理水下爆炸冲击分析时,采用声学单元描述流体,结构单元描述固体。声学单元通过声-固耦合基本控制方程、水下爆炸冲击波压力载荷和边界条件得到声场的有限元模型信息,结构单元通过动力学平衡方程得到结构有限元模型信息;再通过声学有限元模型信息和结构有限元模型信息两者耦合求解得声压场和结构应力应变及位移场,即可得到第N次水下爆炸冲击声-固耦合数值分析结果。在此基础上,忽略由于结构损伤导致进水,利用Python脚本接口获得第N次水下爆炸冲击载荷下,背空加筋板结构应力应变和变形等动态响应有限元模
21、型信息,并将其映射到背空加筋板结构N+1次水下爆炸冲击数值模型中作为初始状态,构建多次水下爆炸冲击分析步,从而实现背空加筋板结构多次水下爆炸冲击有限元模型的精确对接。采用Python脚本接口对模型数据传输进行集成,提出背空加筋板在多次水下爆炸冲击声-固耦合数值模拟的建模方法,即可求解多次水下爆炸冲击下背空加筋板结构动态响应和损伤累积软化温度CT,.K0.0079293(4)9ttpo6r12;,下 30;断裂应变常数Tm/Km18000.893(5)(6)(7)DID20.6361.936D3-2.969D4-0.014Ds1.01412特性,获得多次水下爆炸冲击下,结构变形时程曲线以及加筋板
22、的最终挠度与水下爆炸冲击次数之间的关系,具体流程图如图2 所示。多次水下爆炸冲击声固耦合数值模拟建模方法流场域固体域声学单元描述流场结构单元描述固体动量守恒连续性立冲击波压力声固耦合控制方程声场有限元模型信息耦合求解结构应力应变及位移场声压场(第N次时)第N次时水下爆炸冲击声固耦合损伤特性图2 多次水下爆炸冲击声-固耦合数值模拟建模方法Fig.2 Acoustic-structure coupling numerical simulation modelingmethod under multiple underwater explosions1.2模型验证为验证水下爆炸冲击声-固耦合数值分析
23、方法的可靠性,对Ramajeyathilagam等14 实验进行数值仿真。该实验是在冲击槽中进行,矩形箱型结构被沉浸在背空环境的水域中。实验板暴露面积为0.3m0.25m,炸药PEKI位于水下沿实验板中心法线距离0.15m处。采用水下爆炸声-固耦合方法建立固支背空钢板结构水下爆炸冲击数值模型,得到固支背空结构水下爆炸冲击动态响应数值计算结果与实验测试结果对比如图3所示。5种工况下固支背空结构水下爆炸冲击数值仿真计算得到的结构中点变形挠度与实验结果分别为 36.9 mm、54 m m、6 7.2 m m、7 9m m、93.7 m m 和 40 mm57.8 mm、6 7.7 m m、8 6.4
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