水下爆炸波对空心圆桶侧壁冲击的数值模拟研究

刘小飞 龙偲 湘潭大学 湖南湘潭 411105 杜才卓 中北大学 山西太原 030051

军舰作为海上的移动作战平台，从它问世之日起，就面临着敌方各种武器攻击爆炸所带来的冲击威胁。而且在现代的海战中，随着水中兵器、导弹以及激光弹的快速发展，炸药当量及冲击持续时间的显著增加，精确的制导技术使武器命中率有了很大的提高，舰船的受冲击环境变得进一步恶劣，如何提高船体的抗冲击能力，将会直接决定舰船在战斗中的战斗力以及生命力，必须加以重视。 水下爆炸是对军舰等水中航行器造成毁坏的重要手段之一，但是水下爆炸对舰船毁坏效应的实验操作复杂，理论分析也难于进行，所以运用仿真软件研究水下爆炸对舰船的损伤效应具有很重要的实际意义。

本文主要是以军舰受水下爆炸为军工背景，建立了形炸药及空心圆桶侧壁的三维有限元模型，运用AUTODYN进行了数值仿真，建立炸药和水的一维锲形模型，在爆炸即将到达桶壁时停止计算，将计算结果保存，之后将其映射到三维模型中去，设置高斯点，进行流固耦合，再进行计算，分析空心圆桶的动态响应，得到爆炸冲击波作用下模型的云图，各参变量的曲线图，对曲线图以及云图进行分析。

1 水下爆炸基本理论以及冲击波研究基本理论

1.1 水下爆炸基本理论

爆炸是物质状态急剧的物理或化学转变过程，并伴随着运动和能量的释放。爆炸问题可以分为内部问题、外部问题、混合问题及边界问题。

水下爆炸是一个相当复杂的能量转换的物理过程，其载荷可分为冲击波载荷和气泡载荷两大部分。一般，冲击波载荷具有高频特性，能对军舰的结构造成非常严重的局部的毁伤，而气泡运动引起的滞后流和脉动压力，呈现低频特性，对军舰造成总体毁伤，危及军舰的总纵强度，且气泡坍塌形成的高速射流还将引起其结构的局部破坏。水下爆炸对军舰的毁伤作用主要包括对船体的直接冲击损伤、对技术设备的冲击振动损伤和对人员的冲击振动杀伤三个方面。

1.2 爆炸波的形成

1.3 水下爆炸对舰船冲击的动态响应

水下爆炸对舰船各部分的冲击所造成的损伤是不同的，水下炸弹对水面舰船的冲击是自下而上进行传播的，随着高度的上升，冲击波逐渐衰减，越往上舰船结构受到的冲击越小，如果舰船上设备的固有频率太低，有可能造成共振，以至于造成更大的影响。

2 水下爆炸波对空心圆桶侧壁冲击模型建立

在水中有一空心圆桶，直径400mm，高800mm，桶壁厚30mm,材料为AL5083H116(塑形失效应变0.5，侵蚀几何应变2.0)，桶内为空气，距离桶壁侧面中心100mm处有一直径为50mm的球形炸药，起爆点在球心处。

3 爆炸波作用下空心圆桶侧壁的动态响应分析

有效应力时间曲线图：

1到5高斯点距离炸药最近，1观测点有效应力随时间增加的最快，峰值也最高，这几个点的应力都是爆炸开始后应力迅速到达峰值，然后做有规律的振荡6到10高斯点有效应力曲线波动类似，都随爆炸进行然后有效应力迅速达到峰值，然后振荡下降。

图3 .12 Gauge#11，#12有效应力

图3 .13 Gauge#13有效应力

图3 .14 Gauge#15有效应力

可以看到在xy平面上的观测点有效应力随时间的增加速度最快，沿z轴距离xy平面越远应力随时间增加的速度越慢。

3.2 速度时程曲线图

观察三组高斯点在X ，Y，Z方向上的速度曲线图可以发现：

（1）在X方向上的速度时程图上，距离xy平面越近的点其速度变化的越大，距离xy平面越远速度变化的越慢，Gauge#1的速度峰值最大。

（2）一观测点在x方向上的速度有这样的特点：爆炸开始后迅速达到自己的峰值110m/s左右，然后随着爆炸的进行，震荡下降，最后降到20m/s，其他观测点都是爆炸后速度沿着x轴正向逐渐增加到峰值，之后都是振荡下跌。

（3）各观测点在Y,Z方向上的速度时程图上，各观测点的速度方向并不一致，但基本都是有规律的振荡，图形非常复杂且不具有观测价值，所以本文只观测x方向上的速度时间图。

3.3 能量时程图

图4.23 Gauge#1#2#3#4能量

图4 .24 Gauge#5能量

图3 .21 Gauge#6到#10能量

图3 .22 Gauge#611到#13能量

第1个，第2个高斯点能量较高，在0.5ms内迅速达到了5000左右，其他点的能量峰值与之相比差别很大，第5高斯点的峰值就降到了90左右可以确定随着离炸药距离的逐渐变大，爆炸能量迅速衰减，沿z轴方向来看，5个高斯点距离xy平面越远，其能量峰值越小，能量随时间变化的越慢，以往实验研究表明距离起爆点距离达到炸药半径的10倍时，能量迅速衰减到起爆中心的1/100，仿真结果和这个理论符合的很好。而且根据能量到达峰值的时间可以看出：在0.5ms时爆炸波刚刚到达桶壁。

4 总结

整个过程中涉及到了有限元的理论知识，流固耦合模型理论以及AUTODYN的基本操作，主要是在一维里先进行计算，然后再将一维的计算结果映射到三维模型中，在三维模型中设置高斯点，建立流固耦合，设置边界条件，继而进行计算。通过仿真得到结论：

（1）随着爆炸距离的增加，爆炸波的沿x轴的速度先是迅速增加到100m/s，接着迅速减小之后上下小幅度波动趋于稳定，爆炸波随着时间传播，传播到的地方受到的冲击最大。

（2）距离炸药中心越近的地方其应力的峰值越高，所承受的应变越大。

（3）爆炸产生的能量有一个逐渐攀升积累的过程，但不是有规律的攀升，这说明能量的释放不是一瞬间完成的，可以将爆炸理解成几个阶段的能量释放。