International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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제12권1호
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pp.988-995
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2020
Air gun shock systems are commonly used as alternative explosion energy sources for underwater explosion (UNDEX) shock tests owing to their low cost and environmental impact. The airbag inflator of automotive airbag systems is also very useful to generate extremely rapid underwater gas release in labscale tests. To overcome the restrictions on the very small computational time step owing to the very fine fluid mesh around the nozzle hole in the explicit integration algorithm, and also the absence of a commercial solver and software for gas UNDEX of airbag inflator, an idealized airbag inflator and fluid mesh modeling technique was developed using nozzle holes of relatively large size and several small TNT charges instead of gas inside the airbag inflator. The objective of this study is to validate the results of an UNDEX response analysis of one and two idealized airbag inflators by comparison with the results of shock tests in a small water tank. This comparison was performed using the multi-material Arbitrary Lagrangian-Eulerian formulation and fluid-structure interaction algorithm. The number, size, vertical distance from the nozzle outlet, detonation velocity, and lighting times of small TNT charges were determined. Through mesh size convergence tests, the UNDEX response analysis and idealized airbag inflator modeling were validated.
The primary effect of the far-field underwater explosion (UNDEX) is the whipping of the ship hull girder. This paper aims to verify why inelastic effects should be considered in the whipping response estimations from the UNDEX simulations. A navy ship was modeled using Timoshenko beam elements over the ship length uniformly keeping the constant midship section modulus. The transient UNDEX pressure was produced using two types of the Geers-Hunter doubly-asymptotic models: compressible and incompressible fluids. Because the UNDEX model based on incompressible fluid assumption provided more increased fluid volume acceleration in the bubble phase, the incompressible fluid-based UNDEX model was adopted for the inelastic whipping response analyses. The non-linear hull girder bending moment-curvature curve was used to embed inelastic effects in the UNDEX analyses where the Smith method was applied to derive the non-linear stiffness. We assumed two stand-off distances to see more apparent inelastic effects: 40.5 m and 35.5 m. In the case of the 35.5 m stand-off distance, there was a statistically significant inelastic effect in terms of the average of peak moments and the average exceeding proportional limit moments. For the conservative design of a naval ship under UNDEX, it is recommended to use incompressible fluid. In the viewpoint of cost-effective naval ship design, the inelastic effects should be taken into account.
This study deals with underwater explosion (UNDEX) characteristics of various non-explosive underwater shock sources for the development of non-explosive underwater shock testing devices. UNDEX can neutralize ships' structure and the equipment onboard causing serious damage to combat and survivability. The shock proof performance of naval ships has been for a long time studied through simulations, but full-scale Live Fire Test and Evaluation (LFT&E) using real explosives have been limited due to the high risk and cost. For this reason, many researches have been tried to develop full scale ship shock tests without using actual explosives. In this study, experiments were conducted to find the characteristics of the underwater shock waves from actual explosive and non-explosive shock sources such as the airbag inflators and Vaporizing Foil Actuator (VFA). In order to derive the empirical equation for the maximum pressure value of the underwater shock wave generated by the non-explosive impact source, repeated experiments were conducted according to the number and distance. In addition, a Shock Response Spectrum (SRS) technique, which is a frequency-based function, was used to compare the response of floating bodies generated by underwater shock waves from each explosion source. In order to compare the magnitude of the underwater shock waves generated by each explosion source, Keel Shock Factor (KSF), which is a measure for estimating the amount of shock experienced by a naval ship from an underwater explosionan, was used.
For an accurate shock response analysis of a floating structure such as a naval surface ship subjected to an UNDEX(UNDerwater Explosion), the cavitation effects due to reflected wave at free surface and wetted structural surface should be considered. In this study, for the consideration of cavitation effects an effective method using LS-DYNA/USA and its theoretical background were presented. Through the application of the analysis of bulk cavitation phenomena in the free field, it could be confirmed that almost the same results were obtained between LS-DYNA/USA code and the analytical method. for the investigation of cavitation effects from the structural shock response characteristics, three dimensional UNDEX shock response analysis of an idealized ship model was also carried out It could be found that the cavitation Phenomena gave significant effects on the structural shock response characteristics, and especially that the shock loadings calculated at the installed location of shipboard equipment were underestimated in the case of no consideration of the cavitation effects, which might cause the severe mistake in its shock-resistance design.
Three-dimensional finite element analysis (3D-FEA) models have been used to evaluate the shock-resistance responses of various equipments, including armaments mounted on a warship caused by underwater explosion (UNDEX). This paper aims to check the possibility of using one-dimensional (1D) FEA models for the shock-resistance responses. A frigate was chosen for the evaluation of the shock-resistance responses by the UNDEX. The frigate was divided into the thirteen discrete segments along the length of the ship. The 1D Timoshenko beam elements were used to model the frigate. The explosive charge mass and the stand-off distance were determined based on the ship length and the keel shock factor (KSF), respectively. The UNDEX pressure fields were generated using the Geers-Hunter doubly asymptotic model. The pseudo-velocity shock response spectrum (PVSS) for the 1D-FEA model (1D-PVSS) was calculated using the acceleration history at a concerned equipment position where the digital recursive filtering algorithm was used. The 1D-PVSS was compared with the 3D-PVSS that was taken from a reference, and a relatively good agreement was found. In addition, the 1D-PVSS was compared with the design criteria specified by the German Federal Armed forces, which is called the BV043. The 1D-PVSS was proven to be relatively reasonable, reducing the computing cost dramatically.
Two typical impact loadings, shock wave and gas bubble pulse, due to UNDEX(UNDerwater EXplosion), should be considered together for the closest response analysis of structure subjected to UNDEX to a reality. Since these two impact loadings have different response time bands, however, their response characteristics of structure are different from each other. It is impossible to consider these effectively under the current computational environment and the mathematical model has not yet been developed. Whereas Hicks model approximates the fluid-structure interaction due to gas bubble pulse as virtual mass effect, treating the flow by the response of gas bubble after shock wave as incompressible ideal fluid contrary to the compressible flow due to shock wave, Geers-Hunter model could make the closest response analysis of structure under UNDEX to a real one as a mathematical model considering the fluid-structure interaction due to shock wave and gas bubble pulse together using acoustic wave theory and DAA(Doubly Asymptotic Approximation). In this study, the application and effectiveness of integrated dynamic response analysis of submerged structure was examined with the analysis of the shock wave and gas bubble pulse together.
Air gun shock system is used as an alternative energy source as part of the attempt to overcome the restrictions of economical expense and environmental damage, etc., due to the use of explosives for the UNDerwater EXplosion (UNDEX) shock test. The objectivity of this study is to develop the simulation technique of air gun shock test for the design of model-scale one for the near field non-explosive UNDEX test through its verification with full-scale SERCEL shock test result. Underwater blasting response analysis of full-scale air gun shock test was carried out using highly advanced M&S (Modeling & Simulation) system of FSI (Fluid-Structure Interaction) analysis technique of LS-DYNA code, and was verified by comparing its shock characteristics and behaviors with the results of air gun shock test.
One and three dimensional whipping response analyses of a naval surface combatant subjected to an underwater explosion bubble pulse were carried out to compare the efficiency and accuracy according to the modeling methods. In 1-D analysis, program UNDEXWHIP developed by KIMM was used, which is based on the thin-walled Timoshenko's beam theory and on the modal analysis method using wetted vibratory modes of the hull girder. In 3-D analysis, three finite element models were suggested using LS-DYNA/USA code, such as 3-D beam model considering geometric shape of wetted side shell, coarse and fine 3-D F.E. models. Through the comparison of results from the 1-D and 3-D analyses, it could be confirmed that 1-D analysis result is in good agreement with 3-D analysis ones, and that fine 3-D F.E. model, shock analysis one, is also used both in the shock response and whipping response analyses for the analyst effort and time savings.
Naval surface ships and submarines could be exposed to non-contact underwater explosion(UNDEX) environment. Equipment installed on the ships and submarines could be damaged by shock load generated by UNDEX environment. Therefore, shock survivability of equipment generally evaluated by shock tests. Ground based shock test machine such as Light weight shock test machine(LVSM) is developed to simulate shock load caused by UNDEX environment. In this study, linear dynamic model of LVSM is proposed and evaluated to improve shock test design procedure. Parameters of the model are decided by optimizing time domain response compared to zero payload experiment. Proposed model is verified by comparing simulation results and test results of maximum payload experiment. Finally, shock test design using the model is described for various test equipment weight.
최근 수중폭발로 인한 구조물의 충격응답에 대한 연구는 매우 높은 비용과 소요시간, 민감한 환경문제 등으로 인하여 실제 시험보다는 컴퓨터를 통한 수치해석적 연구가 활발히 진행되어 왔다. 또한 시뮬레이션의 기술 향상과 더욱 정교해진 기능들로 수치 시뮬레이션의 효율성이 증가되었을 뿐 아니라 그 신뢰성까지 증가하였다. 본 연구에서는 유체 표면의 Acoustic Pressure와 구조물 표면 변위의 적절한 관계를 다루는 구조-유체 상호작용(FSI : Fluid-Structure Interaction), 수중폭파 형태를 결정하는 유체의 깊이와 폭발물과 구조물 사이의 거리에 대한 파라미터를 상용 유한요소 프로그램인 ABAQUS에 적용한 시뮬레이션 값과 실험적 이론 값 비교에 중점을 두었다. 수중폭발로 인한 파이프의 충격테스트 응답 분석은 ABAQUS/Explicit을 사용하여 수행되었고, 시간이력에 따른 충격하중, Acoustic Pressure, 타격지점의 응력, 속도, 변형에너지 등 ABAQUS CAE에서 결과를 나타내었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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