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水下爆炸数值模拟研究
为提高水下爆炸数值模拟的精度,本文探讨了边界条件、网格密度对近场条件下的水下爆炸计算结果产生的影响,分析了在有限的计算条件下进行水下爆炸三维计算的可行性,为本文的水下爆炸数值计算提供依据。
本文应用LS-DYNA有限元程序中的拉格朗日算法对假设的一维柱对称计算模型进行计算,模拟了水下爆炸的冲击波及气泡脉动过程,定性的研究了冲击波传播及气泡脉动的规律以及装药深度对水下爆炸冲击波、气泡脉动所产生的影响。
应用AUTODYN动力学软件中的欧拉算法对二维轴对称计算模型进行计算,模拟了小药量炸药的水下爆炸冲击波传播过程,得到了距离爆炸中心不同距离处的压力时程曲线、冲击波峰值压力、冲击波压力冲量以及冲击波能,并与经验值进行比较,结果符合较好。
通过二维计算,研究了两种起爆方式、两种装药形状、不同材料的炸药外壳及不同厚度的壳体对水下爆炸冲击波各参数所产生的影响。
ANSYS AUTODYN在水下爆炸模拟中的应用作者：安世亚太研究舰船水下爆炸的破坏效应对于提高舰船的生命力和战斗力具有非常重要的工程应用价值。
药包在水中爆炸后首先产生冲击波，冲击波的压力波峰以指数的形式衰减；同时，炸药变成高压的气体爆炸生成物，气泡在周围水介质的作用下，膨胀和压缩，产生滞后流和一次或多次脉动压力；冲击波到达自由面后，在一定的水域内产生很多空泡层，当上层的表面水层在大气压力和重力的作用下下落时，由于比其下层的空泡层的加速度大，便与空泡层相碰，并继续下落，当表层水与下部的未空化的水发生碰撞时，便产生了水锤效应。
试验表明：气泡水下爆炸冲击波、气泡脉动压力和射流、以及空泡水锤效应是水下非接触爆炸舰船破坏的三种主要载荷。
ANSYS AUTODYN软件是今年1月份ANSYS收购的一个显式有限元分析程序，用来解决固体、流体、气体及相互作用的高度非线性动力学问题，它提供很多高级功能，具有浓厚的军工背景，尤其在水下爆炸、空间防护、战斗部设计等领域有其不可替代性。
该软件在国际军工行业占据80％以上的市场。
本文仅仅讨论ANSYS AUTODYN软件在舰船抗爆性能方面的特色功能。
ANSYS AUTODYN水下爆炸仿真技术特色1、高精度的Euler-Godunov、Euler-FCT求解器ANSYS AUTODYN早期的一阶Euler方法是基于Hancock(1976)发展的，1995年，ANSYS AUTODYN引入了高阶Euler求解技术：多物质Euler-Godunov（Van Leer 1977）和单物质Euler-FCT（Zalesak 1979）求解器，极大地丰富了ANSYS AUTODYN 的流体求解功能。
普通的一阶Euler方法主要用于解决流固耦合、气固耦合问题；而高阶多物质Euler-Godunov求解器主要用于模拟爆轰波的形成、传播以及对结构的冲击响应等，还可以模拟气泡的膨胀、压缩和射流的形成以及空泡水锤效应、浅水效应等；高阶单物质Euler-FCT求解器主要用来进行计算爆轰波的传播，在计算效率上，由于不考虑物质的输送所以要比Euler-Godunov快。
ls-dyna爆炸冲击算例-回复Lsdyna爆炸冲击算例指的是使用Lsdyna软件进行爆炸冲击仿真分析的例子。
在这个算例中，我们将通过一步一步的回答，带您了解如何利用Lsdyna软件进行爆炸冲击仿真分析，解决一些实际工程问题。
首先，让我们了解一下Lsdyna软件。
Lsdyna是一种非线性动力学分析软件，被广泛应用于汽车碰撞、航空航天工程、爆炸冲击、材料成型和结构变形等领域。
该软件具有高度的数值稳定性和灵活性，可以模拟各种工程场景下的动态响应。
接下来，我们将通过一个实际案例来展示Lsdyna在爆炸冲击仿真分析中的应用。
案例背景：假设我们的目标是设计一个承载建筑物结构的钢制支撑柱，需要进行冲击响应分析。
在这个案例中，我们将使用Lsdyna软件来模拟一个爆炸情景，并评估结构的稳定性和安全性。
步骤一：准备模型首先，我们需要准备建筑物结构的几何模型。
这个模型可以使用CAD软件来创建，然后将其导入到Lsdyna中。
除了结构本身，我们还需要考虑周围的土壤和其他周边环境特征，以便更真实地模拟爆炸冲击情景。
步骤二：定义物理材料参数接下来，我们需要为建筑物结构和爆炸物定义物理材料参数。
例如，我们需要提供钢材的弹性模量、密度、屈服强度等信息。
对于爆炸物，我们需要提供炸药的爆炸能量、爆炸速度等参数。
这些参数的准确性对于仿真结果的精确性至关重要。
步骤三：定义边界条件在进行爆炸冲击分析之前，我们需要为模型定义适当的边界条件。
根据实际情况，我们可以选择对支撑柱的顶部施加固定约束，并设定底部的土壤为固定边界。
这将确保支撑柱在仿真过程中的稳定性。
步骤四：设置爆炸条件在进行爆炸冲击仿真之前，我们需要定义爆炸约束。
根据实际情况，我们可以在某个区域内放置炸药或模拟爆炸的初始速度。
这个设置将决定模拟中爆炸物的释放和传播方式。
步骤五：运行仿真分析一切准备就绪后，我们可以开始运行Lsdyna软件进行仿真分析。
Lsdyna 将根据模型的几何和物理性质、边界条件以及爆炸设定来模拟整个爆炸过程。
基于LS-DYNA的液电效应冲击波数值模拟余庆;张辉;杨睿智【期刊名称】《爆炸与冲击》【年(卷),期】2022(42)2【摘要】液电效应机理复杂,鲜有成熟的商用数值模拟软件能够描述等离子体通道内部特性,为了将液电效应产生的冲击波运用于已有的数值模拟软件中,以满足工程需要,介绍了两种基于显式动力学软件LS-DYNA间接模拟液电效应产生冲击波的方法:水下爆炸等效(分为爆炸能量等效与冲击波能量等效)和理想气体等效,并进行了比较与改进,分析了不同沉积能量下采用不同等效方法得到的峰压计算结果的差异。
结果显示,在沉积能量相同的条件下,基于爆炸能量等效方法得到的冲击波峰值压力最高,基于冲击波能量等效方法得到的冲击波峰值压力次之,基于理想气体等效方法得到的冲击波峰值压力最低,理想气体等效模拟的峰压相较于前两种等效方法小1~2个数量级;爆炸能量等效与冲击波能量等效的冲击波波速相等,且高于理想气体等效的冲击波波速;沉积能量减小会使得3种等效方法模拟的峰压均有不同程度的减小,但大小顺序不发生变化;改进后的等效爆炸方法能够适应沉积能量的变化,与Touya经验公式拟合较好;基于LS-DYNA对液电效应冲击波峰值压力进行准确模拟,除了选取适合的等效方法,还应结合具体的放电条件,建立适当的数值模型,在满足计算要求的条件下实现冲击波峰值压力的快速计算。
【总页数】12页(P126-137)【作者】余庆;张辉;杨睿智【作者单位】中国石油大学(北京)石油工程学院【正文语种】中文【中图分类】O383;TM8【相关文献】1.基于ANSYS/LS-DYNA模拟水下爆炸冲击波的等效质量法2.用相似理论分析计算液电效应电特性和冲击波特性3.冲击波加载下PZT95/5铁电陶瓷电响应的数值模拟4.电润湿效应控制介质上液滴运动的数值模拟5.触地核爆炸冲击波效应的数值模拟研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
水下爆炸远场冲击波的数值模拟摘要：本文结合文献调研资料，分析了水下爆炸数值模拟的各个方向的研究现状。
阐明了水下爆炸数值模拟的研究背景以及研究发展的重要性，并且阐明了远场冲击波模拟的目的和应用前景。
结合论文资料和各个模拟软件的帮助手册，比较了各个数值模拟软件的特点。
展示了作者在水下爆炸的远场冲击波模拟方面做的实践，并且写出了笔者的心得体会。
关键词：水下爆炸；数值模拟；远场冲击波；AUTODYN；ABAQUS；1.水下爆炸数值模拟的研究背景水下爆炸是水中兵器设计技术、破坏效应和水下爆破工程的基础问题，对水下爆炸进行的相关研究对于提高水中兵器威力、提高舰船生命力和战斗力、提高工程效率等有重要的意义。
由于水下爆炸属于非常复杂的流体动力学问题，因此相关的研究一直以实验研究为主。
但是实际水下爆炸以及结构相应的实验研究的成本和复杂程度非常高，并且随着计算机技术和数值模拟技术的发展，水下爆炸的数值模拟渐渐受到了大家的重视，数值模拟受环境条件的影响较小, 可以较容易地改变模拟试验条件, 比较、分析不同条件下的模拟结果, 调整参数组合进行计算。
水下爆炸的模拟主要在近场的爆炸能量输出、气泡脉动的过程、远场冲击波及其对结构的的破坏三个方向。
这篇论文主要讨论远场冲击波的数值模拟。
2.当前国内外的工作ALE法全称arbitrary Lagrange-Euler方法，是一种避免网格过大变形的数值计算方法。
它兼具Lagrange方法和Euler方法的特长，因此在水下远场冲击波的数值计算中得到了大量的运用。
张奇.张若京[1]的研究阐明了ALE法可以用于土质中的爆炸模拟。
A.R.Pishevar等人[2]的研究利用数值方法仿真了二维多物质可压缩流，证明了水下爆炸可以用ALE算法进行计算。
并且模拟了在刚性墙一侧不远处的爆炸，也模拟了气泡的成型过程。
Young S.Shin等人[4]利用拉格朗日-欧拉耦合算法（论文中使用ALE算法）对水下爆炸问题进行了模拟，主要考虑了水域中冲击波传播时峰值压力的变化以及一个钢壳体球在冲击波作用下的动态响应。
应用LS-DYNA3D进行爆炸分析xxxxxx0 概述爆炸过程的模拟一共有三种方式：1. 炸药单元使用8节点实体单元（Lagrange）模拟，炸药单元与被爆炸单元之间共用节点。
该方法计算速度最快。
同时，即使接触单元已经发生破裂，仍然可以继续计算。
这是因为：dyna中，单元失效（eliminating brick element）是通过将失效单元的刚度（弹性模量）设置成“0”实现的。
单元节点还继续存在（这一点可以从单元失效后单元应变＝0，而节点位移仍然存在得到证明），因此还可以继续计算。
该方法的劣势在于，当爆炸单元变形较大时，将会引起被爆炸单元的大变形，同时由于采用了共用节点，限制了爆炸单元的滑移变形，引起附加的虚假滑移刚度。
这可能会对计算结果产生一定影响。
2. 炸药单元使用8节点实体单元（Lagrange）模拟，炸药单元与被爆炸单元之间使用接触。
可以采用的接触类型有：●*CONTACT_SLIDING_ONLY●*CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE●*CONTACT_SURFACE_TO_SURFACE其中，SLIDING要求定义SEGMENT接触，而另外两者可以采用SEGMENT 也可以采用Part或者Part Set。
通过定义接触模拟爆炸的主要问题在于，计算有时会因为接触的计算而不收敛，通常表现为网格单元的突然膨胀，计算过程突然中止而不提示任何错误与警告信息等等。
产生这种情况的原因有很多，如错误或不恰当的输入、网格的疏密、单位制匹配、各种参数的选取等（有时默认值不一定是最好的）。
网格畸变过大等原因也会对接触的计算产生影响。
从计算过程的维持来看，显然共用节点方法更加鲁棒，即使网格畸变很大仍然可以继续进行计算，当然此时的计算精度就很难保证了。
3. ALE技术，即爆炸单元采用Euler或ALE单元，被爆炸物采用Lagrange单元，两种网格之间通过定义耦合实现爆炸过程模拟。
水下爆炸冲击波数值仿真精度研究敖启源 1, 卢 熹 1*, 姜智雅 2, 康珀阁 1(1. 沈阳理工大学 装备工程学院, 辽宁 沈阳, 110159; 2. 山西江阳化工有限公司, 山西 太原, 030041)摘 要: 在水下爆炸数值仿真研究中, 网格尺寸和一次项人工粘性系数对冲击波峰值压力计算结果有较大影响。
在预定计算精度条件下, 快速确定网格尺寸及人工粘性对数值计算意义重大。
为此, 文中基于LS-DYNA有限元软件, 建立78 g三硝基甲苯(TNT)二维水下爆炸数值计算模型, 重点分析网格尺寸和一次项粘性系数对水下爆炸冲击波峰值压力和整体计算误差的影响规律。
结果表明, 随着网格密度因子的增大, 计算峰值压力对网格的敏感性降低, 且网格密度较大时, 过小的一次项系数会导致计算峰值压力与经验公式值的相对误差增大。
在此基础上获得20%范围内误差与网格尺寸、粘性系数之间的关系, 并构建出可用于快速确定网格尺寸和一次项人工粘性系数的误差预估模型, 通过0.2 ~5 000 kg范围内的TNT柱形装药(长径比为1)和球形装药的水下爆炸计算, 验证了预估模型的普适性, 可为二维中近场范围内的水下爆炸冲击波数值仿真计算研究提供参考。
关键词: 水下爆炸; 数值仿真; 网格尺寸; 人工粘性系数; 误差预估模型中图分类号: TJ630.2; U674 文献标识码: A 文章编号: 2096-3920(2024)01-0158-08DOI: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0098Numerical Simulation Accuracy Study of UnderwaterExplosion Shock WavesAO Qiyuan1, LU Xi1*, JIANG Zhiya2, KANG Poge1(1. School of Equipment Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang 110159, China; 2. Shanxi Jiangyang Chemical Company, Taiyuan 030051, China)Abstract: In the numerical simulation study of the underwater explosion, the grid size and the artificial viscosity coefficient of the primary term have a large impact on the calculation results of the peak pressure of the shock wave. Under the condition of predetermined calculation accuracy, it is of great significance to quickly determine the grid size and artificial viscosity for numerical calculation. For this reason, based on LS-DYNA finite element software, a two-dimensional underwater explosion numerical calculation model of 78 g trinitrotoluene (TNT) was established to analyze the influence of the grid size and the viscosity coefficient of the primary term on the peak pressure of the underwater explosion shock wave and the overall calculation error. The results show that with the increase in the grid density factor, the sensitivity of calculated peak pressure to the grid decreases. When the grid density is larger, a small primary term coefficient will cause the relative error between the calculated peak pressure and the empirical formula value to increase. On this basis, the relationship among the error, grid size, and viscosity coefficient within 20% is obtained, and an error prediction model that can be used to quickly determine the grid size and the artificial viscosity coefficient of the primary term is constructed. Through the underwater explosion calculation of cylindrical TNT charge (aspect ratio of 1) and spherical TNTcharge in the range of 0.2–5 000 kg, the universality of the prediction model is verified, which can provide a reference for the numerical simulation of underwater explosion shock wave in the two-dimensional near-field range.收稿日期: 2023-08-18; 修回日期: 2023-09-10.作者简介: 敖启源(1999-), 男, 在读硕士, 主要研究方向为水下爆炸.* 通信作者简介: 卢 熹(1983-), 男, 博士, 副教授, 主要从事水下高效毁伤技术研究.第 32 卷第 1 期水下无人系统学报Vol.32 N o.1 2024 年 2 月JOURNAL OF UNMANNED UNDERSEA SYSTEMS Feb. 2024[引用格式] 敖启源, 卢熹, 姜智雅, 等. 水下爆炸冲击波数值仿真精度研究[J]. 水下无人系统学报, 2024, 32(1): 158-165.Keywords: underwater explosion; numerical simulation; grid size; artificial viscosity coefficient; error prediction model0 引言水下武器作为舰船生命力的主要威胁之一, 其爆炸冲击波及气泡载荷会对舰船造成严重的局部和总体破坏[1]。
