水下爆炸对舰船结构损伤特征研究综述

张阿漫 王诗平 汪 玉 姚熊亮

1哈尔滨工程大学 船舶工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001

2海军装备研究院，北京 100073

水下爆炸对舰船结构损伤特征研究综述

张阿漫1王诗平1汪 玉2姚熊亮1

1哈尔滨工程大学 船舶工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001

2海军装备研究院，北京 100073

鱼雷、水雷等水中兵器是舰船生命力的主要威胁之一。舰船水下爆炸已成为国际上研究的热点问题，虽然，近年来在舰船水下爆炸领域取得了一系列丰硕的研究成果，但迄今为止，水下爆炸冲击波、气泡运动及其对舰船结构的毁伤机理与规律仍未被完全揭示。针对此研究现状，首先分析了水下爆炸载荷特性，总结了水下爆炸对舰船结构的毁伤特性；其次，从应用研究和科学研究两方面，概括了舰船水下爆炸实验、理论分析以及数值方法方面的研究进展，总结了在基础研究方面存在的问题，旨在为舰船抗爆抗冲击相关研究提供参考。

水下爆炸；舰船结构；冲击波；气泡

1 引言

水下爆炸物理现象十分复杂［1－15］，包括初始爆轰、冲击波、爆轰物形成的气泡，且气泡运动诱发滞后流、气泡坍塌产生脉动压力及高速射流。

当爆炸物在水中爆炸时，在一瞬间产生大量的高温、高压爆轰产物，强烈的挤压周围的流体介质，使其压力、密度迅速升高，形成初始冲击波。对此，Cole［1］对水下爆炸的现象、物理化学变化、水下爆炸载荷的分布和传播特点进行了详尽的阐述，并给出了水下爆炸冲击波的半经验半理论公式。通常，冲击波的压力大、时间短，呈现高频特征，对舰船结构造成严重局部损伤［6－7］。气泡脉动运动是水下爆炸区别于空中爆炸的重要方面。爆轰阶段结束以后，在水中产生的高温、高压的爆轰产物（主要为气体）为初始气泡，在气泡内外压力差以及流体惯性的双重作用下脉动运动，产生滞后流，并对水中结构物产生脉动压力。气泡滞后流、脉动压力载荷大、时间长，呈现低频特征，对舰船造成总体毁伤［16－21］。此外，在特定的条件下，水下爆炸气泡还会存在高速射流现象。射流形成的原因主要源于以下方面：

1）气泡周围的其他边界面，如固壁面或自由面；

2）惯性力的作用，如重力；

3）气泡受到剧烈的冲击波的作用。

与其相关的内容可分别参见 Blake［3］、张阿漫［4］、Klaseboer［4］的研究成果。 气泡射流速度高、力量大，造成舰船结构严重的局部损伤，相当于水锤对舰船局部强度的破坏（称为“气泡锤”）［22－25］。水下爆炸及其对舰船结构的毁伤特性如图1所示。

随着现代兵器技术的不断变化和快速发展，作为海上作战平台的舰船面临着日益严峻的生存环境，各国海军对舰船在极端情况下的生命力要求越来越高，而鱼雷、水雷等兵器水下爆炸是舰船生命力的主要威胁之一。因此，舰船抗水下爆炸性能已成为世界上普遍关注的问题［26－36］，下面从应用研究和科学研究2个方面阐述水下爆炸对舰船结构的毁伤研究进展。

2 应用研究进展

国内外通过开展海上实船爆炸实验，积累大量数据、资料，通过严格的量纲分析，并结合有效的数值手段，得出舰船在作战条件下的抗水下爆炸能力，这是舰船抗爆抗冲击研究最可靠的方式［1，37－41］，但实船爆炸实验十分昂贵，且实施难度巨大。若采用水下爆炸缩尺比模型实验，则受到水下爆炸相似理论的限制［42－47］。 缩比实验涉及到结构动力学、材料非线性以及水下爆炸载荷等相似问题，由于模型加工工艺、实验条件等因素的约束，即使模型与实船的缩尺比较小，也难以保证船体结构、材料以及载荷均完全满足相似准则。由于水下爆炸模型实验属于瞬态强非线性动力学相似问题，至今人们尚未找到相似规律，将模型实验的结果推广到实船［45－47］，因此，模型实验很难准确评估与考核实船的抗爆抗冲击能力。局部板架水下爆炸实验虽可以节约成本，然而由于局部板架与实际船体结构在边界条件上存在很大差异，通过已有的数值计算结论和理论分析可知，局部板架在爆炸载荷下的响应与实船板架的响应差别较大。因此，局部板架实验结果难以评估与考核实船结构强度，用其评估实船的抗爆抗冲击能力精度较低。

以美国为代表的各海军强国为了确保海军装备安全，自20世纪50年代以来对首制舰均采取了实船爆炸考核，寻找其薄弱环节，以求改进，形成了专用软件［48－53］，但至今仍对我国禁运。 另外，通过积累大量的实船爆炸实验数据，建立了实船实验数据库，并制定了舰船抗爆抗冲击设计标准［8，53］，如 MIL－901D、BV0430 ／85 等。

我国开展舰船水下爆炸研究始于上世纪60年代，但直到80年代后期才开始得到相关部门的重视［6，8］。 迄今为止，国内仅开展了几次大规模的海上实船爆炸实验，所取得的数据极其有限。尽管国内水下爆炸研究最近10年取得了许多值得肯定的成绩［36－45］，在某些方面甚至接近或处于世界先进行列，但就其整体水平而言，与发达国家相比还存在较大的差距。首先，实验设施比较落后，像大中型的爆炸水池等实验设施在全国是屈指可数，无论是规模还是测试能力都比国外先进国家落后很多。其次，基础研究方面不够深入，有一定的重复研究现象。在数值仿真方面，自主开发的模拟水下爆炸的软件甚少，主要依赖进口商用软件，而现有通用软件中有关舰船抗爆抗冲击数值仿真分析的核心模块禁止向我国出口，导致现有软件并不能解决舰船抗爆抗冲击基础性和机理性问题，而这些机理性问题恰恰直接关系到海军重点型号的研制与设计，这给舰船水下爆炸研究工作造成了极大的困难［6，8，16］。 目前国内外关于水下爆炸应用的研究现状总结如图2所示。

3 科学研究进展

从舰船水下爆炸应用研究进展可知，国际上开展了较多模型实验和实船水下爆炸实验，取得了较多可用于工程设计的研究成果［1，4－8］。 但是，由于水下爆炸实验属于破坏性实验，目前开展的多属中远场水下爆炸实验，如实弹攻击舰船的近场或接触爆炸实验仍然很少，难以总结水下爆炸对舰船结构的毁伤规律并揭示其本质［53－54］。而且如近水面爆炸产生的水冢、近海底爆炸冲击波反射以及气泡的不稳定现象等均难以采用现在的工程实验技术精确测量，需通过机理性实验、理论分析与数值方法进行探索［55－58］。

根据水下爆炸的物理现象及其对水中结构的毁伤特性，将水下爆炸分为接触爆炸（近场或近边界爆炸）和非接触爆炸（包括中近场和远场爆炸）［59］。对于远场非接触爆炸，主要是冲击波与结构在弹性范围内相互作用。目前，运用二阶双渐近法（DAA2）［6，50］、声固耦合方法等［60－62］进行分析的有效性已达成共识，而且实践证明这些方法均有较好的精度。远场爆炸时，气泡对舰船的毁伤效应可以忽略，气泡的运动形态不受舰船的影响。

对于中近场爆炸，冲击波与船体结构相互作用产生片空化现象，出现气、液、固耦合效应［63－65］。目前主要的理论和方法包括：弹塑性理论及任意拉格朗日欧拉算法（ALE）［52，66］、声固耦合理论及相应的求解方法［60－61］、流固耦合理论及二阶双渐近法（DAA2）［6，50］等。 现有的水下爆炸实验研究表明［1，53］，中近场气泡的毁伤威力不仅与装药有关，而且与作战环境（如装药距水面和海底的距离、海底特征等）以及目标特性（舰船本身的结构特性）有关。只有在一定的条件下，气泡的毁伤威力才能最大化［4］。但迄今为止，水下爆炸气泡对舰船结构的毁伤效能仍未被有效利用。

随着精确制导武器的快速发展，如鱼雷等武器可贴近船体表面爆炸，即接触爆炸。接触爆炸冲击压力可达 GPa，接触面出现流动、破碎［67－70］，与中远场爆炸在机理上存在着很大的差别，前者属于爆炸动力学范畴，后者属结构动力学范畴。但目前仍采用大变形的弹塑性理论，由 ALE 算法［52，66］、CEL算法等。与鱼雷接触爆炸类似的物理现象还有沉底水雷近海底爆炸，此时，水下爆炸气泡与边界相互作用，出现撕裂、不稳定、融合等特殊物理现象［62］。目前，研究人员大多采用绝热假设、流体有限元（FEM）［25］、边界元理论（BEM）［71－74］以及相应的求解方法。目前，水下爆炸及其对舰船结构的毁伤科学研究进展如图3所示。

4 存在的主要问题

4.1 近场近边界水下爆炸载荷特性

接触爆炸［68］、近水面爆炸［72］以及沉底爆炸［63］均属于近场或近边界爆炸。发生近水面爆炸时，水面对爆轰、冲击波的传播、气泡的形状，气泡射流等特征均造成严重影响。且近水面爆炸会出现水冢现象，气泡与水冢现象发生强烈的耦合作用，这类现象的发生与自由液面的剧烈变化密切相关，属强非线性、多处不连续边界问题［12］。发生近海底爆炸时，冲击波出现反射，气泡出现不稳定、撕裂、融合等物理现象，导致流体载荷呈间断、突变特性［63］，这些特殊物理现象需进一步深入研究。

由上述可知，边界爆炸具有瞬时、大变形以及撕裂等强非线性动力学特性，普通的有网格数值方法（BEM，FEM）在模拟该类问题时存在较大的局限性［25，72］。 无网格光滑粒子法［12，73－77］（SPH）在模拟爆轰、冲击波的传播以及撕裂等非连续问题具有很大的优势。

4.2 水下接触爆炸对舰船结构的毁伤特性

而对于接触爆炸而言，产生的瞬态、强冲击载荷可达到 GPa［67－70］，在这种载荷条件下，引起舰船结构的毁伤不同于中远场爆炸，材料能够承受的剪应力与它受到的外载荷相比已经很小，因而其剪应力（或强度）可以忽略不计，不计剪应力意味着材料可以当作流体处理。因此，直接遭受接触爆炸载荷作用的船体结构可以视为“固体”流体［78］，此时基于结构动力学的流固耦合物面条件不再适用。鉴此，有必要探索新的方法，建立新的物面条件，解决接触爆炸的瞬态、强非线性问题。

4.3 水下中近场爆炸瞬态强非线性流固耦合方法

当爆炸物在水下爆炸时，爆轰过程在瞬间完成，对于中近场水下爆炸，入射冲击波与舰船结构相互作用，产生反向加载拉伸波，出现局部或片空化效应［64－66］，在物面存在气、液混合薄层，破坏了原有物面力平衡、质点运动连续条件。此外，水下爆炸还可能产生水面截断效应，海底反射效应等。这些非线性效应均对水下爆炸载荷及流固耦合效应造成严重影响。因此，为研究水下爆炸对舰船结构的毁伤，在考虑强非线性流固耦合特性的同时，还需计入片空化、水面截断、海底反射等因素。目前，声固耦合法［60，61］、双渐近法［6，50］均难以考虑上述非线性现象。

4.4 计及热量交换的水下爆炸气泡运动模型

以往人们在研究水下爆炸气泡动态特性时，在绝热假设条件下，通过流体有限元或边界元求解气泡的动态特性。若气泡尺度较小，且气泡内部温度与周围介质相当的情况下，基于绝热假设的方法能较好地描述气泡的运动。但是，水下爆炸气泡属大尺度气泡，而且气泡内部初始温度达3 000～5 000 K［1］，在气泡运动过程中与周围环境存在大量的热交换，这时仍采用绝热假设描述气泡的运动，获得的结果与真实的水下爆炸气泡运动有较大的区别。因此，为真实地模拟水下爆炸气泡的动态特性，计及热量交换的水下爆炸气泡运动模型有待建立和完善。

4.5 气泡运动对船体结构的毁伤规律

国内外海上实船爆炸实验和水池模型实验研究已表明［2，39，41］，冲击波通常对舰船结构造成严重的局部毁伤，依靠冲击波摧毁舰船结构，使舰船完全丧失生命力，需多发武器命中舰船。但在一些特殊的实验状态，舰船结构在1次水下爆炸作用下丧失总纵强度，从中横剖面处折断。根据这些特殊的现象，研究人员指出，导致舰船折断的载荷并非高频冲击波的作用，而是低频气泡脉动所致。人们在一些零碎的实验研究中发现了这些现象，并没有系统地研究。事实上，由于冲击波持续时间短，即使压力峰值量级高，也只是对舰船产生局部的大变形或毁伤，而气泡脉动载荷频率低，常和舰船的低级固有频率相近，因此容易诱导舰船产生鞭状运动，严重时甚至直接将舰船折断，摧毁其总纵强度［19－21］。 另外，在特定的条件下，中近场的水下爆炸产生的高速射流也会对舰船产生巨大的局部毁伤。气泡只有在一定的条件下威力巨大，对舰船结构总纵强度造成一次性毁伤或严重的局部毁伤。而在一般情况下，气泡的威力未被利用，不会对舰船结构造成严重的毁伤。因此，只有当气泡毁伤效应可控时，才能发挥其巨大的毁伤效应。其本质原因在于气泡运动不是孤立的［71－74］，气泡运动对船体结构的毁伤与船体固有特性、海底、自由液面等环境参数密切相关。因此，深入研究气泡载荷作用下的舰船结构毁伤机理以及各环境参数对毁伤效果的影响有着重要的现实意义。

5 总结

水下爆炸冲击波、气泡及其对舰船结构的毁伤特性是目前国际上研究的前沿和热点。纵观国内外，在舰船中远场水下爆炸、冲击波的传播特性、气泡的运动形态等方面取得了丰硕的研究成果，但在近场接触爆炸、非线性流固耦合特性、气泡不稳定性等方面尚需进一步深入研究。通过分析国内外研究进展，将水下爆炸对舰船结构损伤特征总结如下：

1）近边界爆炸呈现自由液面飞溅、物面撕裂等强非线性特征，气泡出现不稳定、破碎、融合等特殊物理现象，导致流体载荷呈间断、突变特性。

2）接触爆炸产生的瞬态强冲击载荷可达到GPa，在这种载荷条件下，固体材料承受剪应力的能力可以忽略，这时结构可以视为“固体”流体。

3）入射冲击波与结构相互作用，产生反向加载拉伸波，出现局部或片空化现象，在物面存在气、液混合薄层，破坏了原有物面力平衡、质点运动连续条件。

4）水下爆炸产生高温高压气泡，初始温度达3 000～5 000 K，存在气体与流体之间的热量交换，具有强烈的热动力学特征。

5）水下爆炸气泡运动不是孤立的，气泡运动对船体结构的毁伤与船体固有特性、海底、自由液面等环境参数密切相关。

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Advances in the Research of Characteristics of Warship Structural Damage Due to Underwater Explosion

Zhang A－man1Wang Shi－ping1Wang Yu2
1 School of Shipbuilding Engineering， Harbin Engineering University， Harbin 150001， China
2 Naval Academy of Armament， Beijing 100073， China

Underwater shock loading due to explosion of torpedo or mine may be one of the main threats to the survivability of ship.This has attracted enormous interest in the warship design field， and a large literature dedicated to the underwater explosion problem over the past several years have been released，however， the behaviors in terms of underwater explosion shock wave， bubble dynamics together with their impacts on the ship structure have not yet been fully revealed.This paper analyzed the characteristics of underwater explosion loads，and summarized the characteristics of structural damages to the ship subjected to underwater explosion.The paper also outlined the development progresses both in the application and scientific research， ranging from experimental studies，theoretical analyses to numerical methods for the research purpose.The issue has been put forward to address the necessity of basic research，which aims to provide a reference for related researches on warship anti－detonation and anti－shock.

underwater explosion； ship structure； shock wave； bubble

U661.44

A

1673－3185（2011）03－01－07

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.03.001

2010-11-16

第十二届霍英东教育基金项目（121073）；国家自然科学基金项目（10976008，50809018，51009035，50939002）；国库基本科研业务费资助项目（GK2010260108）

张阿漫（1981－），男，博士，教授。研究方向：水下爆炸气泡动力学。E-mail：amanzhang@gmail.com

王诗平（1983－），男，博士研究生。研究方向：水下爆炸气泡动力学。E-mail：shipingwang316@gmail.com