舰船结构对水下近距爆炸的响应研究进展

唐 廷 朱 锡 韦灼彬 侯海量

1海军工程大学 天津校区，天津 塘沽300450 2海军工程大学 船舶与动力学院，湖北 武汉430033

舰船结构对水下近距爆炸的响应研究进展

唐 廷1，2朱 锡2韦灼彬1侯海量2

1海军工程大学 天津校区，天津 塘沽300450 2海军工程大学 船舶与动力学院，湖北 武汉430033

开展舰船结构对水下近距爆炸的响应研究对于改善舰船结构的防护性能、增强战时的生存能力具有十分重要的意义。通过综合近年来舰船结构对水下近距爆炸响应的研究成果，阐明了水下近距爆炸载荷的理论、实验和数值研究进展，并分类总结了水下近距爆炸时的流体结构相互作用与平板、圆柱壳、梁和舰船结构响应的研究现状。最后给出了当前急需加强研究的4个方面的问题：复杂边界条件下的水下爆炸载荷特性、结构冲击破坏的仿真、结构模型试验相似规律以及新型材料和结构对水下近距爆炸载荷的响应。

爆炸力学；水下爆炸；结构响应；研究综述

1 引言

开展舰船结构对水下近距爆炸的响应研究对于改善舰艇结构的防护性能，增强战时的生存能力具有十分重要的意义。关于一般水下爆炸时的物理和化学现象，Cole［1］、Zamyshlyayev［2－3］等学者均开展过很详细的研究。而对于舰艇结构附近的水下近距爆炸现象，Brett等［4］则作了较为简单的描述。当水中武器接近结构时，战斗部中的高爆炸药会被引爆，然后在水中形成1个冲击波和1个由爆炸产物气体组成的脉动气泡。随着气泡的脉动，不断向周围释放出强度逐渐减小的压力波。而在爆炸附近的任何结构将会受到冲击波和气泡脉动压力波的冲击作用，结构也会根据这些波的强度及其自身的强度作出响应。如果炸药在结构很近的位置爆炸，气泡的动力特性会发生改变，结构也会受到附加的冲击载荷。由于结构阻止了水的流动，气泡会失去稳定，然后向结构的方向溃灭。气泡向结构的方向运动并溃灭的现象可看作1种结构对它的吸引，这种现象被称之为高速射流。如果结构与炸药之间的距离与气泡的最大半径近似，则在气泡向结构溃灭的过程中会形成一个高速的水射流作用在结构上，并可能对结构造成严重的局部破坏。这类关于水下近距爆炸载荷与结构响应的问题非常复杂，到目前仍然没有很好地得到解决，是当前水下爆炸研究中的热点。

2 水下近距爆炸载荷

炸药附近水域中的结构会对爆炸产生的冲击波和气泡脉动有扰动作用，产生空化和气泡溃灭引起的射流等物理现象。与自由水域中的爆炸相比，载荷特性更复杂。把结构假设成刚体可以降低研究难度，有利于分析周围结构对水下近距爆炸载荷的影响。近年来，国内外学者运用理论、实验和数值仿真等手段获得了不少研究成果。

2.1 理论研究

当前已有的水下爆炸理论研究成果主要集中在自由场或存在空气边界等情况，结构为边界条件的理论研究成果较少。1951年Herring［5］提出过刚性边界和常压边界条件下的气泡第一脉动周期的经验公式，但忽略了水的可压缩性，并假设气泡始终保持为球形，因此其经验公式存在一定的误差，在使用时应注意其适用范围；方斌等［6－7］在Vernon模型的基础上进行了改进，考虑了水平刚性面和垂直刚性面边界条件下的气泡脉动运动，建立了相应的求解方程，扩展了求解范围，为接触爆炸的研究提供了理论基础；而杜志鹏等［8］建立了水下刚性壁上的装药爆炸产生气泡的动力学模型，从Bernoulli方程和能量守恒2个角度推导出描述半球形气泡径向运动的流体动力学方程，对方程数值求解得到了第一脉动周期内气泡半径和径向运动速度随时间变化的曲线。部分前苏联学者在不完全分离变量法的基础上推导了在与弹性半空间接触的液体层中非平稳扰动的传播问题的解析解［9］，这些成果对于浅层水中的爆炸载荷研究具有深远的意义。

总体来说，理论研究的成果仍局限于单一边界条件的范畴，综合考虑水面、水底和水下结构等多个边界条件的水下爆炸问题未能得到很好地解决。

2.2 实验研究

水下近距爆炸产生的载荷包括初始冲击波、气泡脉动压力、二次加载以及气泡溃灭引起的射流载荷。利用高速摄影设备和压力传感器等设备进行高强度结构附近的小强度冲击实验，可以对这些载荷进行精确的研究。Chahine等［10］实验研究了水下爆炸气泡溃灭引起的高速射流载荷，并用有限元方法进行了对比分析。Brett等［4］利用高速摄影技术，观察并测量了钢圆柱结构附近水下爆炸的加速度和压力，通过改变装药与结构的距离，研究了冲击波、气泡脉动、水的射流以及气泡溃灭的规律，发现冲击波载荷具有重要的意义，气泡脉动产生的压力波的影响较小，它产生的速度峰值约为冲击波的一半；而气泡溃灭引起的射流载荷则比较大，它产生的速度峰值约为冲击波的2倍。洪江波等［11］利用高速摄影仪观测了自由场及结构近场下气泡脉动的整个过程，获得了气泡脉动周期和最大半径，与经验公式对比较为吻合。牟金磊等［12］试验研究了水下爆炸气泡射流的产生条件以及载荷形式。

水下爆炸载荷实验研究的现状表明，气泡溃灭引起的射流载荷是当前研究的重点。虽然取得不少定性的成果，但是准确定量的描述射流载荷的大小将是未来努力的方向。

2.3 数值研究

随着计算机技术的迅猛发展，各种数值模拟软件在水下爆炸领域得到了广泛应用。应用较广的有 LS－DYNA、3DynaFS、MSC／DYTRAN、AUTODYN、ABAQUS等大型有限元（FEM）软件。近年来，运用SPH（光滑粒子水动力学）、边界积分等方法也取得了不少研究成果。

Matsumoto［13］采用 MSC ／DYTRAN 研究了刚性边界曲率对附近水下爆炸气泡的影响，模拟得到初始冲击波压力、气泡脉动压力、气泡半径与周期，并将模拟结果与自由场中的水下爆炸结果进行比较；Swegle等［14］利用SPH等方法分析了水下爆炸时流体与结构相互作用、冲击波与结构相互作用等一系列问题，运用SPH和欧拉方法详细研究了气泡在结构附近的溃灭过程和射流载荷；Chahine等［15］根据3DynaFS开发了1种三维边界元法模拟了圆柱体附近的气泡运动，气泡的形状和发展都与实验结果非常吻合；Wang 等［16－17］运用弹性网格技术（EMT）与边界积分方法（BIM）模拟了自由表面附近水下爆炸三维气泡的发展过程；Brujan等［18］基于Kelvin脉冲的概念，运用边界积分方法数值分析了刚性边界附近气泡脉动、迁移以及溃灭的动力学规律；Klaseboer等［19］则使用边界元和边界积分方法模拟了水下结构附近爆炸的气泡运动过程；Kadioglu等［20］利用自适应求解技术模拟了结构附近水下爆炸的气泡膨胀与溃灭过程；张阿漫和姚熊亮等［21－22］也利用边界元法模拟了近边界水下爆炸气泡的动力学特征，建立了气泡、壁面以及自由面三者之间复杂耦合动力学模型以及水下爆炸气泡与自由面耦合数值模型，并开发相应计算程序进行了计算与分析。

从水下爆炸载荷数值研究的现状来看，新方法和新技术的研究是当前的热点，虽然取得了不少成果，但仍需加强计算的准确性和稳定性，以得到大型商业计算软件的认可，从而在工程实际中得到广泛的运用。

3 水下近距爆炸时的结构响应

基于舰艇防护的需要，在水下爆炸载荷研究的基础上，舰船设计、研究人员对水下近距爆炸时的结构响应进行了大量的研究。

3.1 流体结构相互作用

流体与结构的相互作用是研究结构对水下近距爆炸载荷响应的基础。流体结构相互作用研究的成果为水下爆炸结构响应的数值仿真技术发展提供了直接的支持。

在美国海军研究生院的多篇由Young指导的AD 报告［23－25］中，均列出了基于 Taylor［26］平板理论的流体结构相互作用的理论计算方法；Geers［27］提出了以一阶双重渐进近似法（DAA1）来分析水下爆炸的流固相互作用问题，它在高频段和低频段分别用平面波假设和虚质量假设进行逼近，精度很高，但中频段采用线性过渡。随后又提出了改进的二阶 DAA 方法［28］和三阶 DAA 方法［29］，计算精度得到很大提高；刘建湖［30］则成功将DAA方法应用于分析船舶结构对水下爆炸的动响应研究；Hamdan［31］探讨了使用 Lagrangian 流体有限元单元模拟近场流固耦合的方法，可以用来分析二维轴对称和三维的流体结构相互作用；Kobashi等［32］使用光滑粒子流体力学（SPH）模拟水下爆炸以及流体与结构的相互作用问题，与实验结果对比后分析了SPH方法的优劣特性。

3.2 平板结构的响应

为研究接触爆炸对结构的局部冲击，大多数研究人员将结构简化成方板或圆板，分析结构的弹塑性动力响应。

Jiang等［33］提出了一种有限元与边界积分相结合的方法用以研究圆板对水下爆炸载荷的非线性瞬态响应。结果表明，该方法可以合理地计算近距和远场水下爆炸时的流固耦合问题；Ramajeyathilagam 等［34－35］则进行了固支方板对水下爆炸的非线性动力响应的试验和数值仿真研究，试验与仿真结果吻合得很好；Rajendran等在此方面进行了大量的工作，其开展了固支圆板的接触爆炸试验研究［36］，研究了平板在水下爆炸载荷作用下的线弹性冲击响应［37］，系统地总结了平板试件受水下爆炸作用下的弹性与屈服行为、塑性变形能、变形时程、变形预测、平板隆起及破裂、应变率［38］；Hung等［39］则进行了水下爆炸条件下空背平板的弹性冲击响应的试验和数值仿真研究，比较了平板的加速度、速度和应力时程，二者得到了很好的吻合；谌勇等［40］在Taylor平板理论的基础上用刚塑性法分析了简支刚塑性圆板受水下爆炸载荷时的塑性动力响应，并与ABAQUS程序的计算结果进行了比较，表明不考虑空泡时所得到的结果较精确，并考察了流固耦合作用及空泡对结构响应的影响；陈先念等［41］采用数值方法研究了正方形板在水下爆炸冲击波载荷作用下的动态响应，分析了板的变形模式，研究了板厚和爆炸冲击因子对板的最大变形挠度的影响，推导出简单适用的经验公式。王善等［42］将脉动球面压力波分解为不同时段内的环形载荷，利用李滋方程推导出圆板表面上压力以及圆板圆心处的最大挠度计算公式。

在简单平板的基础上，许多学者开展了大量的加筋平板和夹心平板对水下爆炸的响应研究工作。Jiang等［43］提出了1种估算水中带肋平板在水下爆炸载荷作用下非线性动力响应的简化方法，给出了耦合体系的数学计算公式和部分计算实例；Librescu 等［44－45］运用数值方法对比研究了各向异性夹心平板对水下爆炸和空气中爆炸的动力响应；Jen等［46］运用非线性有限元方法模拟了加筋平板在水下冲击载荷作用下的变形，可指导加筋平板的抗水下爆炸设计；Gupta等［47］进行了加筋和不加筋方板在水下爆炸载荷作用下的变形与撕裂的数值模拟研究；朱锡等［48］进行了加筋平板在水下接触爆炸作用下的破口试验，给出了考虑加强筋影响的破口计算公式；张振华等［49］研究了加筋平板在水下爆炸冲击波下动态响应的相似律，为加筋平板在水下爆炸冲击波作用下动态响应的模型试验提供了指导；牟金磊等［50］进行了水下爆炸载荷作用下加筋平板变形及开裂的试验研究。

当前平板结构的响应研究较为成熟，可以为复杂舰艇结构的响应研究提供指导。特别是对于新型抗爆抗冲击材料的应用和推广来说，其平板结构的响应研究具有重要的意义。

3.3 圆柱壳结构的响应

为研究潜艇和管道等水中结构对水下爆炸载荷的响应，通常将结构简化为圆柱壳。Shin等［51］采用数值仿真方法研究了非完整圆柱壳结构在水下爆炸作用下的破坏；Pédron 等［52］则从理论上研究了无限长加筋圆柱壳在水下爆炸压力波冲击作用下的动力屈曲问题；Hung等［53］制作了不加筋、内部加筋和外部加筋的3个封闭圆柱壳，在水池中进行了多次不同距离的水下爆炸试验，研究了圆柱壳结构的动力响应，并与有限元计算的结果进行了比较；王刚等［54］基于圆柱壳与液流场相互作用的流固耦合运动条件和大挠度变形理论，研究无限长圆柱壳在水下爆炸冲击载荷作用下的弹塑性动力响应问题，得到水下圆柱壳在爆炸冲击载荷下弹塑性动力响应的规律；姚熊亮等［55］采用大型有限元计算软件ANSYS／LS－DYNA对圆筒结构水下爆炸进行了数值实验研究，与试验数据进行对比分析，验证了数值计算的正确性；余晓菲等［56］运用Hamilton变分原理计算了无限域流场中两端简支圆柱壳受球形炸药爆炸冲击载荷作用的响应，与有限元计算结果进行比较，验证了算法的可靠性；李健等［57］采用实验与数值模拟结合的方法，对圆柱壳结构在水中受到柱形TNT炸药产生的冲击载荷作用下的动力响应过程进行了研究。

当前的研究技术和手段可以对圆柱壳结构的一般冲击响应和破坏进行较好的分析，但对于较远距离（非远场）上的水下爆炸引起的动屈曲的机理和判别依据等问题仍不能进行很好地解释，这也是未来研究的一个热点。

3.4 梁结构的响应

在分析舰船结构对水下爆炸气泡脉动载荷的整体响应的问题时，通常将舰船结构简化成变截面梁以研究结构的冲击响应。Cunningham等［58］和Kwon等［59］研究了在水下爆炸结构响应的有限元分析中将加筋圆柱壳结构简化成梁结构的可行性，分析表明二者具有相似的响应；Zong［60］运用塑性动力学理论研究了水面双自由端梁受水下爆炸气泡载荷作用下的塑性动力响应，通过Runge－Kutta方法求解运动方程，得到塑性动力响应解，结果表明，长梁可以承受更大的塑性变形，而短梁则可承受更大的刚体运动；董海等［61］用双重渐进近似法描述了结构的动态变形与瞬态流场的耦合作用，从弯矩的角度考察了水下爆炸第1次气泡脉动载荷对结构鞭状响应的贡献，总结了圆柱壳上的弯矩随潜深、爆距、爆炸方向角变化的规律；李海涛等［62］采用理论分析、试验研究和数值仿真的方法对船体箱形梁在水下近距爆炸载荷作用下的响应进行了详细的研究。

采用箱形梁理论分析舰艇结构的整体响应取得了很好的效果，但对于水下近距爆炸载荷，在运用过程中应注意与舰艇结构的局部响应相结合，更好地反映结构的变形和破坏特点。

3.5 舰船结构的响应

舰船结构对水下爆炸的响应是水下爆炸研究的主要目标。舰船结构由板、壳、梁等组成，结构形式较为复杂，其对水下近距爆炸冲击的响应研究也就非常困难，部分海外学者采用数值仿真方法对整船的冲击响应进行了研究。Santiago［63］基于MSC／NASTRAN67.5 等 通 用 程 序 模 拟 研 究 了 阿利·伯克级驱逐舰（DDG 51）对水下爆炸的冲击响应，通过研究空化对一维和二维模型的影响以确定其对三维模型的影响的重要性，其研究成果有益于舰船抗水下爆炸的研究并节省实船试验费用；Wood［64］运用有限元程序模拟分析了水下爆炸时自由面附近空化现象对箱形结构 （舰船结构的简化）的影响；Sprague 等［65］利用改良的有限元程序模拟类似舰船结构模型对水下爆炸冲击的响应，证明了该程序的有效性；Liang等［66］编译开发了1种有限元分析程序用来测试水面舰艇对水下爆炸的冲击响应，利用有限元方法与DAA2相结合的方法研究了2 000 t的巡逻艇对水下爆炸（冲击因子KSF＝0.8）的瞬态动力响应，详细给出了龙骨处的冲击载荷，不同位置的加速度、速度和位移时程，以及舰艇的塑性区域发展。

近年来内地学者也对舰船结构的水下近距爆炸冲击响应进行了大量的研究，研究方法以局部模型实验和数值仿真为主，研究的对象可分为潜艇结构、水面舰船舷侧结构和船底结构等。

1）潜艇结构：张振华等［67］采用双层壳体建模方案对潜艇结构进行整艇有限元建模，运用MSC／DYTRAN程序对整艇结构进行水下抗爆仿真；黄国兵等［68］基于 ANSYS／LS－DYNA 对潜艇典型舱段受到水下近场爆炸冲击作用下的非线性动态响应进行了研究，对比分析了单壳体潜艇和双壳体潜艇的计算结果；姚熊亮等［69］利用ABAQUS软件对某潜艇结构进行数值计算，研究其在水下爆炸作用下的冲击响应规律。

2）水面舰船舷侧结构：朱锡等［70］对水面舰艇防雷舱结构模型进行水下抗爆能力系列试验，探讨了有无水中防御结构的利弊及防护效果，系统研究了舰艇舷侧防御结构在水下爆炸载荷作用下的破坏机理，并对防雷舱进行水下抗爆设计；陈卫东等［71］对多层壳结构在3种不同装药量情况下进行了水下接触爆炸试验，对试验模型所产生的结构变形、破口尺寸、破口形状及试验模型典型部位的动态响应情况进行了观测与分析，验证了试验之前的理论分析和数值仿真结果；王善等人则利用LS－DYNA有限元程序进行仿真计算，分析水下接触作用下舰船防护结构中液舱的影响、多层板壳的破坏概率与可靠性。

3）船底结构：张振华等［72］试验研究了舰船底部液舱双层板结构在水下爆炸作用下的动态响应问题，对舰船底部液舱模型在空载、半载和满载状态下进行了水下爆炸试验，试验测量了底部液舱外板和内板的壁压、加速度和动态应变等参数；李磊等［73］采用AUTODYN－3D仿真分析了水下爆炸对双层船底结构的毁伤效应，给出了不同的船底结构在水下爆炸作用下的响应特点。

4 相关研究建议

虽然舰船结构对水下近距爆炸的响应研究已取得不少成果，但由于该问题的复杂性，仍然存在许多不足，有必要开展深入研究。

1）复杂边界条件下的水下爆炸载荷特性：真实环境中的水下近距爆炸载荷与自由水域中的爆炸载荷存在很大的差异，必须综合考虑自由水面、水底和附近结构物等边界对水下爆炸载荷的影响。目前对单一边界条件下的水下爆炸载荷研究已有部分进展，但同时考虑多个边界影响的水下爆炸载荷特性研究仍较为困难，加强复杂边界条件下的水下爆炸载荷研究很有必要。

2）结构冲击破坏的仿真研究：由于结构破坏模拟过程中的单元失效、流固耦合界面调整以及欧拉材料的流动等问题的处理非常复杂，当前结构对水下近距爆炸响应的仿真研究主要集中于结构的弹塑性响应，较少考虑结构破坏后的响应过程。虽然部分有限元程序已整合相关算法，但在材料模型和单元失效处理（单元删除后的能量损失）上仍存在不足，模拟的准确性与精度很难保证。因此完善和改进相关瞬态动力分析程序是未来必须加强的工作。

3）结构模型试验相似规律研究：综合利用高速摄影设备和高精度传感器，水下近距爆炸结构响应的试验研究取得了不少成果。由于经费的制约，大部分的试验为缩比模型试验，因此模型与真实结构的缩比关系处理非常关键，只有采用正确的缩比方法才能准确模拟真实结构的响应。当前的缩比方法主要为几何缩比，而缩比过程中材料参数与结构边界约束等问题关注较少，开展相关的研究对提高试验的准确性有很重要的意义。

4）新材料和新结构对水下近距爆炸载荷的响应：为优化舰船结构设计和提高舰船抗爆抗冲击能力，各种新材料和新结构形式在舰船上得到广泛应用。开展新材料和新结构对水下近距爆炸载荷的响应研究具有非常紧迫的现实意义，其也将成未来水下爆炸研究的热点和重点之一。

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Review on Response of Warship Structures Subjected to a Close Underwater Explosion

Tang Ting1，2Zhu Xi2Wei Zhuo－bin1Hou Hai－liang2

1 Tianjin Campus， Naval University of Engineering， Tianjin 300450， China 2 College of Naval Architecture and Power， Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China

By reviewing the response of warship structures subjected to a close underwater explosion， the theoretic，experimental and numerical study developments on loading of close underwater explosion were illustrated， and the fluid－structure interaction and response of plates， cylindrical shells， beams and warship structures subjected to a close underwater explosion were summarized.Four aspects that should be studied urgently were presented as follows：characteristics of underwater explosion loading in complex boundary conditions， simulation of impact destroy of structures， comparability of models test， and response of new materials and structures to close underwater explosion.

explosive mechanics； underwater explosion； response of structure；review

U674.703，O383.1

A

1673－3185（2012）02－01－08

10.3969/j.issn.1673-3185.2012.02.001

2011-08-02

中国博士后基金项目（20100471794）

唐 廷（1980－），男，博士。研究方向：武器效应与工程防护。E-mail：kublai＠126.com

朱 锡（1983－），男，博士，教授，博士生导师。研究方向：船舶抗爆炸冲击及装甲防护技术。E-mail：zhuxi816＠163.com

唐 廷。

［责任编辑：喻 菁］