CN114595603B - 一种考虑水下爆炸气泡射流砰击的水下结构物抗冲击计算方法 - Google Patents

一种考虑水下爆炸气泡射流砰击的水下结构物抗冲击计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种考虑水下爆炸气泡射流砰击的水下结构物抗冲击计算方法，属于水下爆炸气泡动力学领域。包括：确定各项初始参数，建立气泡与结构耦合的计算模型，对气泡和结构表面进行离散；求解结构刚体运动，并对气泡形态和结构运动进行模拟；将气泡在流场中的诱导载荷分解为由气泡脉动产生的、与气泡内外压差相关联的脉动载荷及由气泡非球状运动产生的、与气泡边界运动相关联的射流载荷，辅以辅助函数法对两种载荷进行计算；将气泡载荷分解出的两部分分别输入到有限元分析程序中，进行抗冲击计算。本发明将复杂的气泡载荷按特性分解成射流和脉动两种载荷，并提出了在结构抗冲击计算中计入气泡射流影响的方法，使抗冲击计算结果与实际更符合。

Description

一种考虑水下爆炸气泡射流砰击的水下结构物抗冲击计算 方法
技术领域
本发明涉及一种考虑水下爆炸气泡射流砰击的水下结构物抗冲击计算方法，属于水下爆炸气泡动力学领域。
背景技术
水下爆炸产生的载荷主要有冲击波和气泡载荷，在近场爆炸时气泡还会产生射流现象，对水下结构物产生的破坏不容忽视。然而，现有水下爆炸数值模拟方法主要考虑冲击波的作用，根据冲击波经验公式得出冲击波载荷，应用有限元商业软件进行其与水下结构物的流固耦合计算。对于近场水下爆炸而言，由于气泡射流的存在，使得其载荷成分更加复杂，目前在工程实际中尚缺乏有效的方法对其进行考虑，因此近场水下爆炸抗冲击的计算方法有待完善。
发明内容
本发明的目的是提出一种考虑水下爆炸气泡射流砰击的水下结构物抗冲击计算方法，以解决本发明申请要解决的技术问题。
一种考虑水下爆炸气泡射流砰击的水下结构物抗冲击计算方法，考虑水下爆炸气泡射流砰击的水下结构物抗冲击计算方法包括以下步骤：
S100、确定各项初始参数，建立气泡与结构耦合的计算模型，对气泡和结构表面进行离散；
S200、基于边界元法，求解边界积分方程，采用辅助函数法对气泡和结构刚体运动进行解耦，求解结构刚体运动，并对气泡形态和结构运动进行模拟；
S300、将气泡在流场中的诱导载荷按其成因分解为由气泡脉动产生的、与气泡内外压差相关联的脉动载荷及由气泡非球状运动产生的、与气泡边界运动相关联的射流载荷，同时将结构运动分解为相应的两部分，并辅以辅助函数法，对两种载荷进行计算；
S400、用建模软件建立结构有限元模型，将气泡载荷分解出的两部分分别输入到有限元分析程序中，进行抗冲击计算。
进一步的，在S100中，具体的，确定气体初始参数、结构尺寸和距离参数，建立气泡与结构耦合的计算模型，对气泡和结构表面进行离散，在结构表面设置测点。
进一步的，在S200中，具体的，采用边界元法与辅助函数法对气泡与结构耦合运动进行数值模拟，连续区域流场的控制方程拉普拉斯方程转化为离散的边界上的边界积分方程，
Figure BDA0003525643590000021
式中，φ表示结构表面的所有流体质点的速度势，q表示边界积分点，S包括所有流场边界，n为边界法向量，指向流场外为其正向，λ为流场控制点点观察流场的立体角，G为格林函数，
初始时刻已知结构节点的法向速度及气泡节点的速度势，通过边界积分方程求解气泡节点的法向速度和结构节点的速度势，进而依据气泡表面边界条件，对下一步的速度势进行更新，
Figure BDA0003525643590000022
对于结构运动，采用辅助函数法对其加速度求解，进而确定下一时刻结构速度，
Figure BDA0003525643590000023
式中
Figure BDA0003525643590000024
为结构加速度，ρ为流体密度，χ为辅助函数，M为结构质量，β为辅助函数，Vs为结构速度，u为流体质点速度，P∞为坐标原点无穷远处静压力，
在结构表面，辅助函数β和χ分别满足：
Figure BDA0003525643590000025
在气泡表面，辅助函数β和χ分别满足：
Figure BDA0003525643590000031
其中U为结构速度，
此后时刻皆为已知气泡节点的速度势和结构节点的法向速度，对气泡节点的法向速度和结构节点的速度势进行更新，进而对节点的位置进行更新。
进一步的，在S300中，具体的，应用伯努利方程对结构表面测点压力进行求解，并采用载荷分解法将其分为三部分进行计算，
Figure BDA0003525643590000032
上式右侧的前两项表示静水压力，后两项为动压力，将
Figure BDA0003525643590000033
分解为三部分：
Ψ＝Ψg+Ψm+Ψs (7)
上式右端三项的气泡表面边界条件分别为：
Figure BDA0003525643590000034
结构表面边界条件分别为：
Figure BDA0003525643590000035
/>
上式中
Figure BDA0003525643590000036
为结构加速度，V为结构速度，由于球体边界条件中含有未知项
Figure BDA0003525643590000037
本方法通过辅助函数法分别计算出三部分加速度，
则对于三部分加速度，将式(3)中的加速度项拆分成对应三部分计算获得：
Figure BDA0003525643590000038
Figure BDA0003525643590000041
Ψm、Ψg、Ψs三部分都满足拉普拉斯方程，通过边界积分方程(1)计算出其在结构表面测点的值，从而计算出三部分压力：静水压力、脉动压力和射流压力，而静水压力在水下爆炸中对结构的作用忽略不考虑。
进一步的，在S400中，利用建模软件建立有限元计算模型，利用经验公式计算出冲击波载荷，因脉动载荷的传播特性，将计算出的脉动载荷与冲击波载荷合并加载到结构上，将射流载荷以集中载荷的形式加载到结构上，用有限元分析程序进行冲击模拟。
本发明的有以下有益效果：与现有技术相比，本发明提出了一种考虑水下爆炸气泡射流砰击的水下结构物抗冲击计算方法，将复杂的气泡载荷按特性分解成射流和脉动两种载荷，并提出了在结构抗冲击计算中计入气泡射流影响的方法，使抗冲击计算结果与实际更符合。
附图说明
图1为本发明的一种考虑水下爆炸气泡射流砰击的水下结构物抗冲击计算方法的方法流程图；
图2为气泡与结构耦合计算模型；
图3为气泡射流载荷与脉动载荷云图；
图4为气泡射流载荷与脉动载荷时历曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1-图2所示，一种考虑水下爆炸气泡射流砰击的水下结构物抗冲击计算方法，考虑水下爆炸气泡射流砰击的水下结构物抗冲击计算方法包括以下步骤：
S100、确定各项初始参数，建立气泡与结构耦合的计算模型，对气泡和结构表面进行离散；
S200、基于边界元法，求解边界积分方程，采用辅助函数法对气泡和结构刚体运动进行解耦，求解结构刚体运动，并对气泡形态和结构运动进行模拟；
S300、将气泡在流场中的诱导载荷按其成因分解为由气泡脉动产生的、与气泡内外压差相关联的脉动载荷及由气泡非球状运动产生的、与气泡边界运动相关联的射流载荷，同时将结构运动分解为相应的两部分，并辅以辅助函数法，对两种载荷进行计算；
S400、用建模软件建立结构有限元模型，将气泡载荷分解出的两部分分别输入到有限元分析程序中，进行抗冲击计算。
进一步的，在S100中，具体的，确定气体初始参数、结构尺寸和距离参数，建立气泡与结构耦合的计算模型，对气泡和结构表面进行离散，在结构表面设置测点。
进一步的，在S200中，具体的，采用边界元法与辅助函数法对气泡与结构耦合运动进行数值模拟，连续区域流场的控制方程拉普拉斯方程转化为离散的边界上的边界积分方程，
Figure BDA0003525643590000051
式中，φ表示结构表面的所有流体质点的速度势，q表示边界积分点，S包括所有流场边界，n为边界法向量，指向流场外为其正向，λ为流场控制点点观察流场的立体角，G为格林函数，
初始时刻已知结构节点的法向速度及气泡节点的速度势，通过边界积分方程求解气泡节点的法向速度和结构节点的速度势，进而依据气泡表面边界条件，对下一步的速度势进行更新，
Figure BDA0003525643590000061
对于结构运动，采用辅助函数法对其加速度求解，进而确定下一时刻结构速度，
Figure BDA0003525643590000062
式中
Figure BDA0003525643590000063
为结构加速度，ρ为流体密度，χ为辅助函数(满足拉普拉斯方程)，M为结构质量，β为辅助函数(满足拉普拉斯方程)，Vs为结构速度，u为流体质点速度，P∞为坐标原点无穷远处静压力，
在结构表面，辅助函数β和χ分别满足：
Figure BDA0003525643590000064
在气泡表面，辅助函数β和χ分别满足：
Figure BDA0003525643590000065
其中U为结构速度，
此后时刻皆为已知气泡节点的速度势和结构节点的法向速度，对气泡节点的法向速度和结构节点的速度势进行更新，进而对节点的位置进行更新。
进一步的，在S300中，具体的，应用伯努利方程对结构表面测点压力进行求解，并采用载荷分解法将其分为三部分进行计算，
Figure BDA0003525643590000066
上式右侧的前两项表示静水压力，后两项为动压力，将
Figure BDA0003525643590000067
分解为三部分：
Ψ＝Ψg+Ψm+Ψs (7)
上式右端三项的气泡表面边界条件分别为：
Figure BDA0003525643590000071
结构表面边界条件分别为：
Figure BDA0003525643590000072
上式中
Figure BDA0003525643590000073
为结构加速度，V为结构速度，由于球体边界条件中含有未知项
Figure BDA0003525643590000074
本方法通过辅助函数法分别计算出三部分加速度，
则对于三部分加速度，将式(3)中的加速度项拆分成对应三部分计算获得：
Figure BDA0003525643590000075
Ψm、Ψg、Ψs三部分都满足拉普拉斯方程，通过边界积分方程(1)计算出其在结构表面测点的值，从而计算出三部分压力：静水压力、脉动压力和射流压力，而静水压力在水下爆炸中对结构的作用忽略不考虑。
进一步的，在S400中，利用建模软件建立有限元计算模型，利用经验公式计算出冲击波载荷，因脉动载荷的传播特性，将计算出的脉动载荷与冲击波载荷合并加载到结构上，将射流载荷以集中载荷的形式加载到结构上，用有限元分析程序进行冲击模拟。

Claims (3)

1.一种考虑水下爆炸气泡射流砰击的水下结构物抗冲击计算方法，其特征在于，所述考虑水下爆炸气泡射流砰击的水下结构物抗冲击计算方法包括以下步骤：
S100、确定各项初始参数，建立气泡与结构耦合的计算模型，对气泡和结构表面进行离散；
S200、基于边界元法，求解边界积分方程，采用辅助函数法对气泡和结构刚体运动进行解耦，求解结构刚体运动，并对气泡形态和结构运动进行模拟；
S300、将气泡在流场中的诱导载荷按其成因分解为由气泡脉动产生的、与气泡内外压差相关联的脉动载荷及由气泡非球状运动产生的、与气泡边界运动相关联的射流载荷，同时将结构运动分解为相应的两部分，并辅以辅助函数法，对两种载荷进行计算；
S400、用建模软件建立结构有限元模型，将气泡载荷分解出的两部分分别输入到有限元分析程序中，进行抗冲击计算；
在S200中，具体的，采用边界元法与辅助函数法对气泡与结构耦合运动进行数值模拟，连续区域流场的控制方程拉普拉斯方程转化为离散的边界上的边界积分方程，
Figure FDA0004180067350000011
式中，φ表示结构表面的所有流体质点的速度势，q表示边界积分点，S包括所有流场边界，n为边界法向量，指向流场外为其正向，λ为流场控制点点观察流场的立体角，G为格林函数，
初始时刻已知结构节点的法向速度及气泡节点的速度势，通过边界积分方程求解气泡节点的法向速度和结构节点的速度势，进而依据气泡表面边界条件，对下一步的速度势进行更新，
Figure FDA0004180067350000012
对于结构运动，采用辅助函数法对其加速度求解，进而确定下一时刻结构速度，
Figure FDA0004180067350000013
式中
Figure FDA0004180067350000021
为结构加速度，ρ为流体密度，χ为辅助函数，M为结构质量，β为辅助函数，Vs为结构速度，u为流体质点速度，P∞为坐标原点无穷远处静压力，
在结构表面，辅助函数β和χ分别满足：
Figure FDA0004180067350000022
在气泡表面，辅助函数β和χ分别满足：
Figure FDA0004180067350000023
其中U为结构速度，
此后时刻皆为已知气泡节点的速度势和结构节点的法向速度，对气泡节点的法向速度和结构节点的速度势进行更新，进而对节点的位置进行更新；
在S300中，具体的，应用伯努利方程对结构表面测点压力进行求解，并采用载荷分解法将其分为三部分进行计算，
Figure FDA0004180067350000024
上式右侧的前两项表示静水压力，后两项为动压力，将
Figure FDA0004180067350000025
分解为三部分：
Ψ＝Ψg+Ψm+Ψs (7)
上式右端三项的气泡表面边界条件分别为：
Figure FDA0004180067350000026
结构表面边界条件分别为：
Figure FDA0004180067350000027
Figure FDA0004180067350000031
Figure FDA0004180067350000032
上式中
Figure FDA0004180067350000035
为结构加速度，V为结构速度，由于球体边界条件中含有未知项/>
Figure FDA0004180067350000033
本方法通过辅助函数法分别计算出三部分加速度，
则对于三部分加速度，将式(3)中的加速度项拆分成对应三部分计算获得：
Figure FDA0004180067350000034
Ψm、Ψg、Ψs三部分都满足拉普拉斯方程，通过边界积分方程(1)计算出其在结构表面测点的值，从而计算出三部分压力：静水压力、脉动压力和射流压力，而静水压力在水下爆炸中对结构的作用忽略不考虑。
2.根据权利要求1所述的一种考虑水下爆炸气泡射流砰击的水下结构物抗冲击计算方法，其特征在于，在S100中，具体的，确定气体初始参数、结构尺寸和距离参数，建立气泡与结构耦合的计算模型，对气泡和结构表面进行离散，在结构表面设置测点。
3.根据权利要求1所述的一种考虑水下爆炸气泡射流砰击的水下结构物抗冲击计算方法，其特征在于，在S400中，利用建模软件建立有限元计算模型，利用经验公式计算出冲击波载荷，因脉动载荷的传播特性，将计算出的脉动载荷与冲击波载荷合并加载到结构上，将射流载荷以集中载荷的形式加载到结构上，用有限元分析程序进行冲击模拟。
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