水下爆炸特征分析 6.4.1水下爆炸试验特征分析 6.4.1.1水下爆炸试验背景 水下爆炸试验工程是指以确保完成水下爆炸试验任务为根本目的，为发展水下爆炸试验技术、具备水下爆炸试验能力而进行的科学技术研究活动。水下爆炸试验工程不能等同于实船爆炸试验任务。实船爆炸试验是水下爆炸试验工程的中心内容，也是检验水下爆炸工程的唯一标准，而水下爆炸工程既包含了实船爆炸试验，也包含了与实船爆炸试验相关的其他许多科学技术活动。水下爆炸试验工程是研究为达到不同试验目的的最佳试验方式，研究冲击响应测量的理论、技术和方法，研究兵器和舰艇在水下爆炸作用下的仿真与评估理论、技术和方法，研究涉及多单位、多学科且周期长、耗资大的试验工程理论、方法和技术。 6.4.1.2水下爆炸试验工程系统 水下爆炸试验工程是一项系统工程，它包含了许多子系统，这些子系统间既相互联系又相互制约。为了从总体上把握系统间互相联系、互相制约的要素及变化，首先应该研究该系统的结构和相互关系，充分利用和挖掘系统潜力，才能更好地完成水下爆炸试验。
6.4.1.2.1统结构及其相互关系 水下爆炸试验工程系统是一个集中控制的多层次结构，如下图所示。每个子系统又由若于更低层次的子系统组成，以此类推。一个子系统的功能是由其所属的下级子系统的功能共同实现的。这里所说“共同实现"的关系，可能是互相独立的“并联" 关系，也可能是互相依赖的“串联"关系。例如舰船冲击响应测量包括加速度测量、应变测量、速度测量等子系统，各子系统是“并联"关系，而组成每一参数测量子系统的传感器、信号调理模块和数据处理模块则为串联关系。 图4-1 海上爆炸试验工程系统功能结构 6.4.1.2.2系统功能结构关系 水下爆炸试验工程系统功能结构见图4-1。它是一个集科学、技术、工程为一体的系统。所谓系统功能结构是从技术层次上分析研究进行爆炸试验所必需的结构。从功能上说每个子系统至少完成一个确定的技术目标。由于每次爆炸试验的目的、规模、要求、试验方式各不相同，各级子系统与其所属下级子系统所需的
万方数据
?３８?哈尔滨工程大学学报第２７卷 限元动力分析软件（例如ＡＢＡＱＵＳ、ＬＳ—ＤＹＮＡ、ＭｓＣ／ＤＹＴ础Ｎ等），这使得有限元仿真成为计算舰船冲击响应的切实可行的办法．ＬＳ—ＤＹＮＡ和ＤＹＴ砘气Ｎ在分析舰船水下爆炸过程中均采用√蛆点算法，而ＡＢＡＱＵＳ采用声固耦合方法．ｍ正算法用状态方程描述流体和炸药，通过欧拉单元计算冲击波的传播过程；而声固耦合算法采用一种声学介质来描述流体，冲击波在声学单元中传播．国内用ＡＩ点算法研究水下爆炸的文献比较多［１ｑＪ，文中采用声固耦合方法模拟舰船水下爆炸． １水下爆炸特点 首先简单的介绍一下水下爆炸气泡的形成，水下爆炸一般呈现２个阶段，冲击波阶段和气泡脉动阶段［４］．在冲击波阶段，冲击波波头具有突跃的特点，幅值迅速达到最大，突越后紧接着近似于按指数规律衰减，衰减持续时间不超过数毫秒；当冲击波过后，水下爆炸进入气泡脉动阶段，爆炸的气体生成物（气泡）由于惯性的作用，以逐渐衰减的速度继续膨胀，气泡内压力不断减少直到小于环境压力．当气泡半径达到最大时，此时气泡内部压力最小，气泡开始收缩．由于此时环境比气泡内部压力大得多，气泡半径迅速缩至最小，随后气泡又开始膨胀，向外流场辐射二次压力波．在气泡半径第二次达到最大时，气泡又开始收缩．同样的膨胀收缩重复好几次．在气泡脉动期间，由于浮力的作用下气泡不断往上升，当气泡到达自由表面时气泡破灭，形成水冢．在冲击波阶段，水下爆炸容易造成舰船结构局部板的严重破损；在气泡脉动阶段，水下爆炸容易使船体产生振荡，从而造成严重的总体结构破损．并且，气泡脉动的周期、最大半径与药包的爆心和装药量有一定的关系． ２爆炸载荷作用下舰船的总体响应文中以某Ｉ型水面舰船为例分析舰船在爆炸载荷（包括冲击波载荷和气泡脉动载荷）作用下舰船的响应．计算的坐标系统为：原点为中纵剖面、中横剖面和基线的交点，ｚ轴正向指向船首方向，Ｙ轴正向指向左舷方向，ｚ轴正向为铅直向上，其有限元模型如图１所示． 鉴于仿真计算的实船模型节点个数达到了数十万个，要想将气泡作用的响应现象计算出来，至少在时间步上设置为１Ｓ，这样的计算量是极其巨大的，在目前的硬件条件下难以实现．于是将船体简化为一个箱形梁，内部设３层甲板，３个纵壁，３个横壁，通过调节各板厚，根据结构动力学相似原理，使得该箱形梁一阶垂向总振动频率与实船保持一致，均为１．１ＦＩｚ．所建立的箱型梁有限元模型如图２所示． 图１Ｉ型舰实船有限元模型 Ｆｉｇ．１Ｍｅｓｈｉｎｇｓｋｅｔｃｈｍａｐｏｆｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌｏｆ１ｗａｒｓｈｉｐ 图２箱型梁有限兀模型 Ｆｉｇ．２Ｍｅｓｈｉｎｇｓｋｅｔｃｈｍａｐｏｆｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｓｉｍｐｌｅｍｏｄｅｌｏｆ１ｗａｒｓｈｉｐ ２．１水下爆炸威力与气泡脉动频率之间的关系众所周知，当激励力频率与结构的固有频率接近时，就会引起结构共振，此时结构的破坏最为严重．通过公式Ｔ：２．１１罢芸ｂ３（ｗ为药包的装药量，ｋｇ；Ｚ。为药包与自由液面的垂直距离）可以估算出炸药爆炸后形成的气泡脉动周期．为了研究不同药包在不同水深爆炸时形成气泡脉动载荷对船体总纵强度的影响，假设一系列工况，药包均设置在船体的中下方，以考核该舰中横剖面的应力变化．定义： 口＝了Ｊ０，（１１ Ｊ１ 卢＝丁．Ｄ１，（２） ∑ｓｉ ｓｍ２｝?（３）式中：＾为气泡脉动压力的频率，＾舰船一阶垂向 固有频率，ｓ，为仅冲击波载荷作用下舰船中横剖面 万方数据
水下爆炸冲击波的传播特性试验研究 水下爆炸对构筑物的破坏主要表现为冲击波和气泡脉动效应。一般而言,气泡脉动通常起附加破坏作用,而冲击波起决定性作用。水下爆炸冲击波的传播规律及其动力效应是水利水电工程、航运工程和爆破工程等领域关注的一个重要问题,直接关系到水下设施的安全和容器状构筑物爆破拆除参数的合理选取,因而具有重要的工程价值和理论意义。本文以水下爆炸冲击波效应为研究契机,在有限的钢板水箱水域内开展了水冲击波试验研究。 首先,通过现场试爆及其现象分析,得出了药包布置原则；其次,利用高速摄影技术再现了水下爆炸冲击波波阵面的动态传播过程,并得出波阵面传播速度及其传播规律；根据水冲击波波阵面传播速度,得出不同距离处的峰值压力,并对水冲击波峰值压力、传播距离及药量关系进行分析,从而得出了小药量水下爆炸冲击波压力计算经验公式。最后,选取水压爆破拆除工程实例,对试验结果进行验证,说明了药包布置原则的合理性、实用性。主要得出以下结论：(1)利用高速摄影技术来观测水下爆炸冲击波的传播过程及测试其峰值压力是切实可行的；(2)试验条件一定,水下爆炸冲击波波阵面传播速度从零急剧上升到某一值,随后以波动形式迅速衰减,最终趋向于某一稳定值；(3)相同试验条件下,药量越大,水冲击波波阵面传播速度上升及衰减越快,且二次波峰值压力越大：(4)根据冲击波波阵面水动力学量之间的关系,得出水下爆炸冲击波波阵面传播速度所对应的峰值压力,并对其峰值压力、传播距离及药量进行分析,从而得出了小药量水下爆炸冲击波峰值压力计算经验公式,即当比例半径r/r0>5.649 时,Pm=105.472(Q1/3/R)1.65；(5)在水压爆破工程中,对于开口式容器状构筑物,为提高炸药能量利用率,降低其能量损耗,则要求药包的入水深度h至少要大于容器内壁到爆心的距离R,即h>R；(6)药包布置位置要尽可能使冲击波波阵面同一时刻达到容器状构筑物侧壁,使容器状构筑物受力均匀为原则；(7)为减少自由水面卸载所造成的能量损失,条件适合时可在开口式容器状构筑物中注满水并对顶部做封闭措施。
水下爆破 一、专有名词基本概念 （1）爆炸：广义地讲，爆炸是指一物质系统在发生迅速的物理和化学变化时，系统本身的能量借助于气体的急剧膨胀而转化为对周围介质做机械功，同时伴随有剧烈的放热、发光和声响等效应。广义的爆炸过程包括爆轰和爆燃。爆炸是一种常见的现象，分析各种爆炸现象，大致可以将其归纳为三大类。 ①物理爆炸：仅仅是物质形态发生变化，而化学成份和性质没有改变的爆 炸现象，称为物理爆炸。最常见有自行车轮胎爆炸、锅炉爆炸等现象。 ②化学爆炸：由物质化学结构发生急剧变化而引起的爆炸现象，称为化学 爆炸。炸药的爆炸就是属于化学爆炸现象。在工程爆破中，广泛应用的 是化学爆炸，而且主要是利用其破坏作用。 ③核子爆炸：由于核裂变，或核聚变反应放出巨大的能量，使裂变或聚变 产物形成高温高压的蒸汽而迅速膨胀作功，造成巨大的破坏作用。这种 由核裂变或核聚变释放出巨大的能量所引起的爆炸现象，称为核爆炸。 （2）爆轰：物质的势能或内能在极短的时间内转变成冲击波能、热辐射能、光能和声能，并在爆炸中心形成高温、高压、高能量密度气体产物区，且气体产物迅速膨胀，能对周围介质和物体产生剧烈的破坏作用的现象。 （3）爆破：利用炸药爆炸时所产生的冲击波及气体膨胀力来破坏物体，以破坏的形式达到新的建设目的一种方式。 （4）炸药：一种能把它所集中的能量在外部激发能作用下能瞬间释放出来的物质。炸药的能量，主要是由其中所含的碳、氢等可燃物与助燃物质氧相化合而产生的。为了产生集中能，炸药的状态必须是液体或固体。 （5）火药：也称低级炸药，只发生燃烧，而不发生爆轰（可以简单称为爆炸）。 （6）猛炸药：也称高级炸药，这类炸药具有相当大的稳定性。也就是说，它们比较钝感，需要有较大的能量才能引起爆炸。常用的有梯恩梯、黑索金、太安及其它军用混合炸药。乳化炸药属于民用猛炸药。 （7）冲击波：是指在介质中以比音速还要快的速度传播的波。冲击波在气体、液体、固体中都存在。冲击波通常是纵波（疏密波）。炸药爆炸时产生冲击波。
水下爆炸冲击问题的物质点法研究 开展水下爆炸以及结构在水下爆炸载荷作用下的动力响应研究在军事国防 和民用建设领域均具有重要意义。水下爆炸及其结构的冲击响应研究是十分复杂的问题，它涉及爆轰物理学、冲击动力学、流固耦合、弹塑性动力学等诸多学科，对其进行理论分析和实验研究是一个巨大的挑战。近年来，随着计算机技术的不断提高以及各种数值方法的迅速发展，数值模拟已经成为水下爆炸问题研究领域中的重要研究手段。流场或结构的极大变形、运动物质交界面、多相介质耦合作用以及自由表面等特性存在于水下爆炸整个过程中，这使得采用传统基于网格的数值方法对水下爆炸问题进行研究成为一项非常困难的工作。 物质点法（Material Point Method, MPM）是一种新型的无网格粒子算法，它结合了基于物质描述的拉格朗日方法和基于空间描述的欧拉方法二者的优点，在处理大变形时不存在基于网格的数值方法出现的网格畸变问题，而且物质点法能方便的跟踪材料的变形历史以及实现对物质界面的精确描述，这些优点使物质点法在冲击动力学诸多领域中得到了广泛应用。本文在前人研究的基础上，进一步发展了物质点算法，并将物质点法扩展到水下爆炸冲击研究领域中。推导了物质点法控制方程的空间以及时间离散格式，给出了物质点法显式积分算法，编写了基于物质点法基本理论的计算程序。建立了高能炸药爆轰计算模型，采用物质点法数值模拟了高能炸药爆轰过程，计算得到的爆轰波主要表征参数与解析解和实验数据吻合较好，为下一步水下爆炸冲击问题研究奠定了基础。 针对水下爆炸冲击波在自由场中传播具有球面对称性质这一特点，本文提出了球对称形式的物质点法，为了验证所提方法的准确性，对球形炸药水下爆炸问题进行了数值计算，计算结果与实验数据以及经验公式计算结果吻合较好。在此基础上提出了基于物质点法的重映射算法，采用此方法可有效提高三维水下爆炸问题的求解效率。建立了二维水下爆炸计算模型，数值模拟了二维水下爆炸问题，数值计算结果与光滑粒子流体动力学方法（Smoothed ParticleHydronamics, SPH）计算结果以及经验公式计算结果进行了比较，结果吻合较好，物质点法与SPH 算法计算精度相当，但在物质交界面的处理上物质点法具有明显的优势。对近自由面水下爆炸一系列物理现象进行了数值模拟。 给出了物质点法多介质耦合求解过程，研究了自由表面对冲击波的切断现象，
第3期第6卷第3期2011 年6月中国舰船研究 Chinese Journal of Ship Research Vol .6No.3 Jun.2011 doi ：10.3969/j.issn.1673-3185.2011.03.001 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 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 摘 要：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。关键词：水下爆炸；舰船结构；冲击波；气泡中图分类号：U661.44 文献标志码：A 文章编号：1673－3185（2011）03－01－07 Advances in the Research of Characteristics of Warship Structural Damage Due to Underwater Explosion Zhang A－man 1Wang Shi－ping 1Wang Yu 2 1School of Shipbuilding Engineering ，Harbin Engineering University ，Harbin 150001，China 2Naval Academy of Armament ，Beijing 100073，China Abstract ：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 characteris-tics 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 appli-cation and scientific research ，ranging from experimental studies ，theoretical analyses to numerical meth-ods 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．Key words ：underwater explosion ；ship structure ；shock wave ；bubble 收稿日期：2010-11-16 基金项目：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） 作者简介：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@https://www.doczj.com/doc/cd18774076.html, 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@https://www.doczj.com/doc/cd18774076.html,
水下爆炸载荷及其作用下的结构响应数值研究水下爆炸研究自19世纪末以来已经有一百多年的历史了,但是我国在近十几年才开始逐渐重视舰船和舰载设备的抗冲击性能。由于水下爆炸的物理过程瞬变复杂,不同样式结构在不同爆距,不同药量,不同时间尺度载荷下的损伤模式又多样化,并涉及到多个领域的科学前沿问题,所以水下爆炸问题研究还有许多机理上不清楚的地方。水下爆炸载荷一般包括冲击波、气泡和空化效应。这些载荷不止在时间尺度上不一样,压力峰值也往往不在一个量级。 所以要想同时考虑这些载荷对结构的影响,并分析出不同载荷下结构响应的差异比较困难。数值研究已经成为探索水下爆炸现象机理的重要手段,国内外学者也基于各种商业软件对水下爆炸问题进行研究,但主要集中在冲击波载荷作用下结构物的动态响应研究,这是因为不管是Ls-Dyna的ALE法还是Autodyn的CEL 法对于冲击波载荷计算还算准确,但是要计算气泡脉动载荷对结构物的影响非常困难,一般只停留在二维气泡脉动模拟,不涉及到结构,而且气泡脉动对网格要求很高,计算效率很低,所以相比于其他商业软件,通过Abaqus内置Geers-Hunter 模型和声-结构耦合法可以解决上述商业软件的不足,较精确地模拟不同时间尺度载荷下结构的动态响应。本文首先阐述了Abaqus模拟水下爆炸的理论基础,在此基础上分别通过显式求解器和隐式求解器计算了水下爆炸冲击波和气泡载荷；其次针对理论分析可能出现的空化现象,用数值模拟的方式对其进行了验证,计算结果和实验值较一致,说明了片空化效应不可忽视；然后通过声-结构耦合法对几种背空板进行数值模拟,讨论了水域建模的注意事项,Geers-Hunter模型的适适范围,验证了结构周围的局部空化现象以及气泡载荷对结构的影响,气泡载荷有可能引起结构更大的变形；接着通过分析比较近几年逐渐热门的多孔金属夹层板的抗冲击性能,指出金属泡沫夹层板的抗冲击优势；最后计算了一艘船模在水下爆炸载荷作用下的动态响应,分析了不同载荷对结构的影响,为整船的抗冲击性能分析设计提供一定的参考。
水中爆炸的特点 在不同的介质中，质量相同的同种炸药所产生的爆炸威力是不同的。由于水和空气具有不同的密度（海水密度ρ=1024.6kg/，而空气的密度ρ=1.226kg/, 海水的密度约为空气的835倍）和不同的压缩性（空气是可压缩的，而海水的压缩性通常只有空气的1/30000到1/20000，一般认为是不可压缩的）。因此炸药在水中所产生的破坏作用比在空气中强烈得多。这是由于水的压缩性很小，它积蓄能量的能力很低，当炸药爆炸时，海水就成为压力波的良好传导体。当装药在无限水介质中爆炸时，在装药本身的体积内形成了高温、高压的爆炸气体产物，其压力远远超过了周围水介质的静压。因此，在爆炸所产生的高压气体作用下，在水介质中同样会产生水中冲击波，同时爆炸气体的气团向外膨胀并做功。冲击波在水中的传播与声的水下传播近似。 水中声速比空气中的声速大，在18℃海水中声速大约为1494m/s，空气中的声速为340m/s，由于水具有上述的特殊性质，所以装药爆炸后所形成的水中冲击波和爆炸产物的膨胀也就具有它自身的特点。 一、水中冲击波的特点 球面冲击波的波前推动水，波前的压力转化为水的压强波和水的扩散运动，这导致气体爆炸产物的膨胀。冲击波扩散时，其波前压力以指数衰减形式向周围传播，初速远大于水中的音速，此后传播速度很快减至音速，能量也急骤减少，出现冲击波衰减。在一定距离后，冲击波转变为声波。 冲击波包括正、负压力区（高压区和低压区）。高压区的长度称冲击波波长λ，它比低压区的长度小。冲击波波前压力是它的主要特征，随着距离爆炸中心增加，冲击波波前压力逐渐降低。 二、水中爆炸的基本现象与特点 总之，冲击波与声波相比较有以下特点： （1）冲击波的传播速度开始大于声波数倍，随着波的推进，其速度迅速下降，直至声速。 （2）冲击波的最大压力衰减极快。 （3）波形随着传播而扩展。