水下爆炸波對空心圓桶側壁沖擊的數值模擬研究

劉小飛 龍偲 湘潭大學 湖南湘潭 411105 杜才卓 中北大學 山西太原 030051

軍艦作為海上的移動作戰平臺，從它問世之日起，就面臨著敵方各種武器攻擊爆炸所帶來的沖擊威脅。而且在現代的海戰中，隨著水中兵器、導彈以及激光彈的快速發展，炸藥當量及沖擊持續時間的顯著增加，精確的制導技術使武器命中率有了很大的提高，艦船的受沖擊環境變得進一步惡劣，如何提高船體的抗沖擊能力，將會直接決定艦船在戰斗中的戰斗力以及生命力，必須加以重視。 水下爆炸是對軍艦等水中航行器造成毀壞的重要手段之一，但是水下爆炸對艦船毀壞效應的實驗操作復雜，理論分析也難于進行，所以運用仿真軟件研究水下爆炸對艦船的損傷效應具有很重要的實際意義。

本文主要是以軍艦受水下爆炸為軍工背景，建立了形炸藥及空心圓桶側壁的三維有限元模型，運用AUTODYN進行了數值仿真，建立炸藥和水的一維鍥形模型，在爆炸即將到達桶壁時停止計算，將計算結果保存，之后將其映射到三維模型中去，設置高斯點，進行流固耦合，再進行計算，分析空心圓桶的動態響應，得到爆炸沖擊波作用下模型的云圖，各參變量的曲線圖，對曲線圖以及云圖進行分析。

1 水下爆炸基本理論以及沖擊波研究基本理論

1.1 水下爆炸基本理論

爆炸是物質狀態急劇的物理或化學轉變過程，并伴隨著運動和能量的釋放。爆炸問題可以分為內部問題、外部問題、混合問題及邊界問題。

水下爆炸是一個相當復雜的能量轉換的物理過程，其載荷可分為沖擊波載荷和氣泡載荷兩大部分。一般，沖擊波載荷具有高頻特性，能對軍艦的結構造成非常嚴重的局部的毀傷，而氣泡運動引起的滯后流和脈動壓力，呈現低頻特性，對軍艦造成總體毀傷，危及軍艦的總縱強度，且氣泡坍塌形成的高速射流還將引起其結構的局部破壞。水下爆炸對軍艦的毀傷作用主要包括對船體的直接沖擊損傷、對技術設備的沖擊振動損傷和對人員的沖擊振動殺傷三個方面。

1.2 爆炸波的形成

1.3 水下爆炸對艦船沖擊的動態響應

水下爆炸對艦船各部分的沖擊所造成的損傷是不同的，水下炸彈對水面艦船的沖擊是自下而上進行傳播的，隨著高度的上升，沖擊波逐漸衰減，越往上艦船結構受到的沖擊越小，如果艦船上設備的固有頻率太低，有可能造成共振，以至于造成更大的影響。

2 水下爆炸波對空心圓桶側壁沖擊模型建立

在水中有一空心圓桶，直徑400mm，高800mm，桶壁厚30mm,材料為AL5083H116(塑形失效應變0.5，侵蝕幾何應變2.0)，桶內為空氣，距離桶壁側面中心100mm處有一直徑為50mm的球形炸藥，起爆點在球心處。

3 爆炸波作用下空心圓桶側壁的動態響應分析

有效應力時間曲線圖：

1到5高斯點距離炸藥最近，1觀測點有效應力隨時間增加的最快，峰值也最高，這幾個點的應力都是爆炸開始后應力迅速到達峰值，然后做有規律的振蕩6到10高斯點有效應力曲線波動類似，都隨爆炸進行然后有效應力迅速達到峰值，然后振蕩下降。

圖3 .12 Gauge#11，#12有效應力

圖3 .13 Gauge#13有效應力

圖3 .14 Gauge#15有效應力

可以看到在xy平面上的觀測點有效應力隨時間的增加速度最快，沿z軸距離xy平面越遠應力隨時間增加的速度越慢。

3.2 速度時程曲線圖

觀察三組高斯點在X ，Y，Z方向上的速度曲線圖可以發現：

（1）在X方向上的速度時程圖上，距離xy平面越近的點其速度變化的越大，距離xy平面越遠速度變化的越慢，Gauge#1的速度峰值最大。

（2）一觀測點在x方向上的速度有這樣的特點：爆炸開始后迅速達到自己的峰值110m/s左右，然后隨著爆炸的進行，震蕩下降，最后降到20m/s，其他觀測點都是爆炸后速度沿著x軸正向逐漸增加到峰值，之后都是振蕩下跌。

（3）各觀測點在Y,Z方向上的速度時程圖上，各觀測點的速度方向并不一致，但基本都是有規律的振蕩，圖形非常復雜且不具有觀測價值，所以本文只觀測x方向上的速度時間圖。

3.3 能量時程圖

圖4.23 Gauge#1#2#3#4能量

圖4 .24 Gauge#5能量

圖3 .21 Gauge#6到#10能量

圖3 .22 Gauge#611到#13能量

第1個，第2個高斯點能量較高，在0.5ms內迅速達到了5000左右，其他點的能量峰值與之相比差別很大，第5高斯點的峰值就降到了90左右可以確定隨著離炸藥距離的逐漸變大，爆炸能量迅速衰減，沿z軸方向來看，5個高斯點距離xy平面越遠，其能量峰值越小，能量隨時間變化的越慢，以往實驗研究表明距離起爆點距離達到炸藥半徑的10倍時，能量迅速衰減到起爆中心的1/100，仿真結果和這個理論符合的很好。而且根據能量到達峰值的時間可以看出：在0.5ms時爆炸波剛剛到達桶壁。

4 總結

整個過程中涉及到了有限元的理論知識，流固耦合模型理論以及AUTODYN的基本操作，主要是在一維里先進行計算，然后再將一維的計算結果映射到三維模型中，在三維模型中設置高斯點，建立流固耦合，設置邊界條件，繼而進行計算。通過仿真得到結論：

（1）隨著爆炸距離的增加，爆炸波的沿x軸的速度先是迅速增加到100m/s，接著迅速減小之后上下小幅度波動趨于穩定，爆炸波隨著時間傳播，傳播到的地方受到的沖擊最大。

（2）距離炸藥中心越近的地方其應力的峰值越高，所承受的應變越大。

（3）爆炸產生的能量有一個逐漸攀升積累的過程，但不是有規律的攀升，這說明能量的釋放不是一瞬間完成的，可以將爆炸理解成幾個階段的能量釋放。