水下爆炸冲击波载荷中相似理论的重要应用价值

水下爆炸冲击波载荷中相似理论的重要应用价值摘要：本文主要是在相似理论的基础上，用数值仿真实验的方法，对舰船结构遭受到水下爆炸冲击波荷载作用时的相似性问题进行研究和探讨。本文也主要对水下爆炸冲击波载荷中相似理论的应用进行重点分析，对其在实际应用中的价值做以阐述。abstract:basedonthesimilaritytheory,thispaperdiscussesandresearchesthesimilarityinunderwaterexplorationloadsbynumericalsimulationexperiment.anditfocusesontheapplicationofscalinglawsinunderwaterexplorationloads,andpresentsitsvalueinpracticalapplication.关键词：舰船；水下爆炸；相似理论；试验keywords:ships；underwaterexplosion；similaritytheory；test0引言众所周知，水下爆炸的作用时间较短，且威力较大，爆炸对船舰造成的破坏极为严重。现在对舰船进行考核的最有效的方法就是实船进行水下爆炸冲击波荷载作用下动响应爆炸试验。但是试验所耗费的人力、物力和财力较大，所以具体到每一艘舰船的话，进行水下爆炸荷载作用动响应试验的费用就非常高的，无法做到对每一艘舰船进行试验。因此，本文主要对舰船进行缩比数值实验，通过将原型舰船与模拟舰船试验数据进行比对，验证了相似性理论在舰船水下爆炸冲击波荷载作用下的是可行的，具有重要的应用价值。1量纲分析法基础上的冲击波荷载相似理论经实践证明，水下爆炸所释放的冲击波能量占爆炸总能量的百分之六十左右，冲击波荷载及船体机构耦合，都会对船体结构带来一定程度上的损坏。如果说冲击波荷载超出了规定的范围的话就会使得板架结构的形状出现变化，在严重的情况之下还会带来损坏。通常状态下是能够选取下面的公式来计算出水下爆炸冲击波的压力大小：p（t）=p■×e-t/θtθ0.368θ/tθt（100-150）θ（1）上式中，pm表示冲击波最开始的压力最大值；θ表示冲击波指数衰减时间。这两个参数可以由下式计算得出：p■=k■■θ=■■■×10■（2）上式中，w表示药包的质量；k、a表示和炸药性质相关的参数；r表示爆炸距离。冲击波能量密度可以根据式（3）进行求得：e=κ×w■×■■（3）上式中，κ和γ分别表示经验系数，这两个参数的大小由炸药的性质决定，不同的炸药所对应的经验系数不同。（4）式表示冲击波冲量：i（t）=■p（t）dt（4）下面注重讲的就是量纲分析方法来处理无限流场中水下爆炸问题。研究最终要达到的效果就是能够明确相似理论能不能够运用在水下爆炸冲击波荷载中。以下是需要计算的参数：cw表示耦合作用参数的水中声速，pm表示冲击波特性中的冲击波超压，pw表示流体密度，t表示特征时间，i表示比冲量，ρ0表示炸药特性中的炸药密度，v表示炸药包的体积，r表示舰船与炸药包的距离。以下公式（5）、（6）分别表示量纲矩阵和π矩阵：elt=10110100-43-2-21-4102001-1201ρ■vp■ic■ρ■rt（5）π■π■π■π■π■=10000-100010000-3000100-1-2200010-1-21000010-11ρ■vp■ic■ρ■rt（6）对该舰船进行缩比实验时，假设缩比系数是λ，那么，根据实验数据对原型数据进行预测，其基础条件是试验模型和原型π矩阵的个系数数值是相同的，我们假设πi为原型数据，πie表示试验模型数据（e下标表示试验模型数据，以下同理），那么就有：π1e=π1，π2e=π2，π3e=π3，π4e=π4，π5e=π5（7）此时，假设λρw为流体密度的相似系数，λρ0表示药包密度的相似系数，λv表示药包体积的相似系数，λr表示爆炸距离的相似系数，λpm表示冲击波压力的相似系数，λt表示特征时间的相似系数，λi表示冲击量的相似系数，λcw表示水中声速的相似系数。在进行数值仿真实验时，将炸药密度、流体密度与水中声速的大小取为相等值，那就可得：λ■=■=1，λ■=■=1，λ■■=1根据相似理论可知，因为舰船尺寸的缩比系数是λ，那么就有爆炸距离相似比：λ■=■=λ，根据（7）式可以得到：λγ=λ3，λpm=1，λ1=λ，λi=λ（8）根据以上推算可知，水下爆炸冲击波外载荷系统的各个相似系数可以表示为：λpw=1、λρ0=1、λv=λ3、λr=λ、λpm=λ、λ1=λ、λcw=1（9）将λr=λ、λv=λ3代入（1）-（4）式中，假设原型的爆炸距离是r，初始冲击波压力峰值为pm，时间衰减常数为θ，冲击波冲量为i，冲击波能量为e；试验模型的药包体积为ve，爆炸距离为re，冲击波压力峰值为pme，时间衰减常数为θe，冲击波冲量为ie，冲击波能量为ee，那么由（1）-（4）式就可以得到：λ■=■=1λ■=■=λ■=λλ■=■=λ（10）根据（9）式和（10）式可知，在量纲分析方法基础上的舰船水下爆炸冲击波载荷的相似性理论是成立的。2相似理论在水下爆炸冲击波载荷中的应用价值2.1试验模型的设计由以上所分析的理论及结论，可以知道相似理论在舰船水下爆炸冲击波载荷作用下的动响应特征试验是可行的，以下通过试验对结论进行验证。对某舰船进行缩比仿真实验的时候首先要建立该舰船的模型，然后缩比系数，建立起缩比实验有限元模型，通过将缩比有限元模型与原型数值仿真结果进行比对，来验证上文中结论的正确性。在对舰船水下爆炸冲击响应数据进行计算的时候，要在abaqus软件的基础上建立起舰船的有限元模型，然后在hypermesh软件的基础上设置舰船舷外侧流场，然后向abaqus软件中导入这两个模型，利用这个软件程序计算。舰船结构动响应特性进行计算的时候将会受到来自水下爆炸冲击波载荷的影响。所以要想使得计算更加的精确的话，务必要在设置流场的时候就要考虑到流场的大小，以减弱这种影响：要是流场的半径小于规定的大小的时候就要增加整个模型的附加质量；若是流场半径大于规定的大小的时候要减小附加质量，虽然这样会导致计算的效率再次降低。也就是说，为了计算结果的准确性和计算的效率性，流场的建立要综合考虑这些因素。同时，要使得位于交界面处结构与流体充分的耦合，确保流体有限元模型给结构有限元模型施加相应的压力，而结构有限元模型要向流体有限元模型输出相应的位移。根据分析，本文所采用流场模型及有限元计算模型如图1。根据相似性理论，对舰船进行几何相似性缩小，其缩比关系如表1所示。二者所采用的材料参数相同，结构密度都是7800kg/m3，泊松比为0.3，弹性模量为2.1e11。2.2仿真结果及应用价值分析采用相似理论最重要的应用价值在于该试验方法对于舰船实施水下爆炸冲击波载荷作用动响应试验是比较适用的，因为舰船在进行水下爆炸冲击波载荷试验的时候，不可能对每一艘舰船逐一的进行试验，那样的话试验成本过高，采用在相似性理论基础上的仿真模型试验，不仅可以达到试验所要求的目的，更主要的是节省了因为试验造成的大量人力、物力及财力方面的损失。采用仿真模型进行试验，虽然在一定程度要会出现一定的误差，但误差都是在允许的范围内，基本能反映出水下爆炸冲击波载荷作用下的动响应特征，而且试验所耗费资金等又小，因此采用该方法进行试验是非常适用的。可以取得理想的试验效果的同时，又能节省试验成本，因此是一种实用的试验方法，具有重要的应用价值。3结论从以上理论及试验方面可以看出，本文主要是在相似理论的基础上对水下爆炸冲击波载荷压力、冲量计算、特征及能量密度进行分析。在量纲分析方法的基础上，得出缩比试验下的冲击波载荷的相似性特征；与此同时，针对采用量纲分析方法进行的相似性应用使用能量密度、冲击波压力及冲击波计算公式做出验证，最后采用仿真实验方法，进行仿真实验。通过缩比试验有限元模型数值的仿真结果可以看出，相似性理论在对实验模型与原型的时历曲线方面基本是一致的，而且峰值的的计算基本上没有什么差错，通过模型就能够了解到原型在水下爆炸冲击波荷载的具体特点，所以本文为水下爆炸缩比试验提供了相应的借鉴。参考文献：[1]牟金磊,朱锡,黄晓明.近壁面水下爆炸冲击波载荷参数研究[j].海军工程大学学报,2011(1).[2]师华强,宗智,贾敬蓓.水下爆炸冲击波的近场特性[j].爆炸与冲击,2009(29).[3]宋莹,任少飞,吴超,程晓达.相似理论在水下爆炸冲击波载荷中的应用[j].船舶,2012(1).[4]程素秋,宁永成,张臣.相似理论在水下爆炸模型试验中的应用[j].舰船科学技术,2008(3).