水下爆炸冲击波载荷作用下冰层破碎特性及其影响因素

王莹 肖巍 姚熊亮 秦业志

王莹, 肖巍, 姚熊亮, 秦业志. 水下爆炸冲击波载荷作用下冰层破碎特性及其影响因素[J]. 爆炸与冲击, 2019, 39(7): 073103. doi: 10.11883/bzycj-2018-0141
引用本文: 王莹, 肖巍, 姚熊亮, 秦业志. 水下爆炸冲击波载荷作用下冰层破碎特性及其影响因素[J]. 爆炸与冲击, 2019, 39(7): 073103. doi: 10.11883/bzycj-2018-0141
WANG Ying, XIAO Wei, YAO Xiongliang, QIN Yezhi. Fragmentation of ice cover subjected to underwater explosion shock wave load and its influence factors[J]. Explosion And Shock Waves, 2019, 39(7): 073103. doi: 10.11883/bzycj-2018-0141
Citation: WANG Ying, XIAO Wei, YAO Xiongliang, QIN Yezhi. Fragmentation of ice cover subjected to underwater explosion shock wave load and its influence factors[J]. Explosion And Shock Waves, 2019, 39(7): 073103. doi: 10.11883/bzycj-2018-0141

水下爆炸冲击波载荷作用下冰层破碎特性及其影响因素

doi: 10.11883/bzycj-2018-0141
基金项目: 国家自然科学基金(51509228,51779056)
详细信息
    作者简介:

    王 莹(1990- ),女,博士研究生,wangying1990@hrbeu.edu.cn

    通讯作者:

    肖 巍(1988- ),男,博士,讲师,wxiao@hrbeu.edu.cn

  • 中图分类号: O382.1

Fragmentation of ice cover subjected to underwater explosion shock wave load and its influence factors

  • 摘要: 水下爆炸破冰是复杂的爆破工程,为了研究冰层在水下爆炸冲击波载荷作用下的破碎特性及规律,利用几何动力分析软件LS-DYNA对水下爆炸破冰的过程进行数值模拟,并将计算结果与实验结果进行对比,误差在8%以内,验证了数值模型的有效性。根据本文中的建模方法及建立的模型,计算不同的实验工况:实验场地环境不变,调整爆距分析不同爆距下冰层破碎特性;调整药量、爆距和冰厚,通过正交设计方法设计9组实验方案,应用灰色系统理论对3种因素进行分析,建立了各个因素与破冰半径之间的灰色关联度系数及灰色关联度。分析结果表明:药量为100 g,冰厚为29 cm,水深为2.9 m,爆距范围为0.3~1.5 m破冰的半径范围为0~1.1 m,最佳爆距范围在0.3~0.45 m之间;根据以上9种工况的分析可知,药量(100、200、300 g)、爆距(0.3、0.6、0.9 m)和冰厚(24、28、32 cm)对破冰半径的影响的主次关系依次为爆距、药量、冰厚。
  • 图  1  水下爆炸过程

    Figure  1.  Underwater explosion

    图  2  覆冰水下爆炸冲击波路径

    Figure  2.  Shock wave paths for an underwater explosion with overlying ice

    图  3  冰层破碎图

    Figure  3.  Ice cover fragment

    图  4  实验爆破前

    Figure  4.  Experiment sife

    图  5  冰层水压力云图

    Figure  5.  Water pressure contour of ice cover

    图  6  冰层破坏图

    Figure  6.  Ice cover fragment

    图  7  爆距对破冰的影响

    Figure  7.  Diameter of ice breaking holdversus denonation distance

    表  1  数值模拟中的材料模型和状态方程

    Table  1.   Material models and equation of statefor numerical simulation

    材料 本构模型 状态方程
    炸药 MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN JWL
    MAT_NULL Grüneisen
    MAT_ISOTROPIC_ELASTIC_FAILURE
    土壤 MAT_ NULL LINER_POLYNOMAL
    空气 MAT_ NULL LINER_POLYNOMAL
    下载: 导出CSV

    表  2  正交试验因素水平

    Table  2.   Factor level of orthogonal experiment

    水平 X1/g X2/m X3/m
    1 100 0.3 0.24
    2 200 0.6 0.28
    3 300 0.9 0.32
    下载: 导出CSV

    表  3  正交试验设计方案

    Table  3.   Factor level of orthogonal experiment

    工况 X1/g X2/m X3/m
    1 100 0.3 0.24
    2 100 0.6 0.28
    3 100 0.9 0.32
    4 200 0.3 0.32
    5 200 0.6 0.24
    6 200 0.9 0.28
    7 300 0.3 0.28
    8 300 0.6 0.32
    9 300 0.9 0.24
    下载: 导出CSV

    表  4  正交试验各序列区域值

    Table  4.   Sequences region value of orthogonal experiment

    工况 x1 x2 x3 y
    1 0 0 0 0.112
    2 0 0.5 0.5 0.557
    3 0 1.0 1.0 0.447
    4 0.5 0 1.0 0.223
    5 0.5 0.5 0 1.000
    6 0.5 1.0 0.5 0.223
    7 1.0 0 0.5 0.111
    8 1.0 0.5 1.0 0
    9 1.0 1.0 0 0.668
    下载: 导出CSV

    表  5  不同因素在不同水平下对破冰半径的关联度系数及关联度

    Table  5.   Gray relational degrees and gray incidence coefficients between radius ofbreaking ice breaking hole and different factors at different levels

    工况 关联度系数
    药量X1 爆距X2 冰厚X3
    1 0.940 0.970 0.940
    2 0.632 1.000 1.000
    3 0.687 0.633 0.633
    4 0.796 0.834 0.543
    5 0.659 0.659 0.476
    6 0.796 0.543 0.796
    7 0.507 0.94 0.721
    8 0.476 0.659 0.476
    9 0.757 0.757 0.584
    关联度 0.694 0.774 0.685
    下载: 导出CSV
  • [1] 夏长富. 水下人工爆破冰凌技术研究与实践 [J]. 爆破, 2014, 31(2): 126–129. DOI: 10.3963/j.issn.1001-487X.2014.02.028.

    XIA Changfu. Research and practice of underwater ice jam breaking by manual-operated blasting [J]. Blasting, 2014, 31(2): 126–129. DOI: 10.3963/j.issn.1001-487X.2014.02.028.
    [2] 张雨, 李岳阳, 王敏. 极地破冰船发展现状与趋势 [J]. 舰船科学与技术, 2017, 39(12): 188–193. DOI: 10.3404/j.issn1672-7649. 2017.12.040.

    ZHANG Yu, LI Yueyang, WANG Min. Overview and trend of the icebreakers [J]. Ship and Technology, 2017, 39(12): 188–193. DOI: 10.3404/j.issn1672-7649. 2017.12.040.
    [3] 解文辉, 何秉顺, 李华新. 黄河防凌爆炸破冰效果 [J]. 工程爆破, 2014, 20(6): 29–31. DOI: 10.3969/j.issn.1006-7051.2014.06.007.

    XIE Wenhui, HE Bingshun, LI Huaxin. The effect of ice breaking by explosion for the yellow river ice flood prevention [J]. Engineering Blasting, 2014, 20(6): 29–31. DOI: 10.3969/j.issn.1006-7051.2014.06.007.
    [4] 曲艳东, 刘万里, 翟诚. 水下爆炸冲击波传播规律数值分析 [J]. 爆破, 2017, 34(2): 100–104. DOI: 10.3963/j.issn.1001-487X.2017.02.019.

    QU Yandong, LIU Wanli, ZHAI Cheng. Numerical simulation of propagation law of shock waves in process of breaking ice by underwater blasting [J]. Blasting, 2017, 34(2): 100–104. DOI: 10.3963/j.issn.1001-487X.2017.02.019.
    [5] 张忠和, 梁向前, 王树理. 水下爆破破冰机理的数值分析研究 [J]. 爆破, 2015, 32(6): 150–155. DOI: 10.3963/j.issn.1001-487X.2015.03.027.

    ZHANG Zhonghe, LIANG Xiangqian, WANG Shuli. Numerical simulation of ice breaking mechanism of underwater blasting [J]. Blasting, 2015, 32(6): 150–155. DOI: 10.3963/j.issn.1001-487X.2015.03.027.
    [6] 吴瑞波, 郝明盛, 武彩岗, 等. 水中爆破破冰参数的优化实验 [J]. 工程爆破, 2014, 20(6): 25–28. DOI: 10.3969/j.issn.1006-7051.2014.06.006.

    WU Ruibo, HAO Mingsheng, WU Caigang, et al. The parameters optimization experiment of ice breaking by underwater blasting [J]. Engineering blasting, 2014, 20(6): 25–28. DOI: 10.3969/j.issn.1006-7051.2014.06.006.
    [7] 钟冬望, 黄小武, 殷秀红, 等. 水下爆炸冲击波的数值模拟与实验研究 [J]. 爆破, 2015, 32(4): 14–18. DOI: 10.3963/j.issn.1001-487X.2015.04.004.

    ZHONG Dongwang, HUANG Xiaowu, YIN Xiuhong, et al. Numerical simulation and experimental study of underwater explosion shock wave [J]. Blasting, 2015, 32(4): 14–18. DOI: 10.3963/j.issn.1001-487X.2015.04.004.
    [8] 姚熊亮, 汪玉, 张阿漫. 水下爆炸气泡动力学[M]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学出版社, 2012: 1−3.
    [9] 宗智, 赵延杰, 邹丽. 水下爆炸结构毁伤的数值计算[M]. 北京:科学出版社, 2014: 3−7.
    [10] 郭军伟. 冰体力学性质及其受到爆炸与冲击波作用研究[D]. 郑州: 华北水利水电大学, 2014: 34−37.
    [11] 康德, 严平. 基于LS-DYNA的高速破片水中运动特性流固耦合数值模拟 [J]. 爆炸与冲击, 2014, 34(5): 534–538. DOI: 10.11883/1001-1455(2014)05-0534-05.

    KANG De, YAN Ping. Movement characteristics of high-velocity fragments in water medium: numerical simulation using LS-DYNA [J]. Explosion and Shock Waves, 2014, 34(5): 534–538. DOI: 10.11883/1001-1455(2014)05-0534-05.
    [12] 顾强, 张世豪, 安晓红, 等. 基于灰色理论的两点爆炸起爆参数优化设计 [J]. 爆炸与冲击, 2015, 35(3): 359–365. DOI: 10.11883/1001-1455(2015)03-0359-07.

    GU Qiang, ZHANG Shihao, AN Xiaohong, et al. Optimization design for priming parameters of two-point explosion based on gray theory [J]. Explosion and Shock Waves, 2015, 35(3): 359–365. DOI: 10.11883/1001-1455(2015)03-0359-07.
    [13] 林加剑, 任辉启, 沈兆武. 应用灰色系统理论研究爆炸成形弹丸速度的影响因素 [J]. 弹箭与制导学报, 2009, 29(3): 112–116. DOI: 10.3969/j.issn.1673-9728.2009.03.033.

    LIN Jiajian, REN Huiqi, SHEN Zhaowu. Study on primary influence factors for application of gray system theory to velocity of explosive forming projectile [J]. Journal of Projectiles Rockets Missiles and Guidance, 2009, 29(3): 112–116. DOI: 10.3969/j.issn.1673-9728.2009.03.033.
    [14] 傅立. 灰色系统理论及其应用[M]. 北京: 科学技术文献出版社, 1992: 1−20.
    [15] 吕锋. 灰色系统关联度之分辨率系数的研究 [J]. 系统工程理论与实践, 1997, 17(6): 49–54. DOI: 10.3321/j.issn:1000-6788.1997.06.011.

    LYU Feng. Research on the identification coefficient of relational grade for grey system [J]. Systems Engineering Theory and Practice, 1997, 17(6): 49–54. DOI: 10.3321/j.issn:1000-6788.1997.06.011.
  • 加载中
图(7) / 表(5)
计量
  • 文章访问数:  4812
  • HTML全文浏览量:  2164
  • PDF下载量:  105
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2018-04-26
  • 修回日期:  2018-07-13
  • 网络出版日期:  2019-07-25
  • 刊出日期:  2019-07-01

目录

    /

    返回文章
    返回