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水下爆炸冲击波的数值模拟研究!
张振华，朱!锡，白雪飞
（海军工程大学船舶与海洋工程系，湖北武汉#*))**）
!!摘要：应用商业有限元程序805’3BCD2(数值模拟了球形药包在无限水域中爆炸产生的冲击波。通过
和经验公式计算结果的比较，证明采用合理的计算参数和有限元模型能够较好地模拟水下爆炸冲击波的传
播过程。通过调整水的状态方程参数，达到了提升冲击波峰值应力的效果，从而有效地降低了单元数量和计
算时间。
!!关键词：爆炸力学；水下爆炸；数值模拟；冲击波；805’3BCD2(
!!中图分类号：/*@"’=；EFA#’A)*!!!国标学科代码：=*)?*?")!!!文献标志码：2
!"引"言
!!对水下爆炸冲击波的研究一直是舰船抗爆防护的重点，然而由于其复杂性，该领域一直主要以实验研究为主［=G#］。近年来随着计算机技术和计算理论的快速发展，使得人们可以通过数值模拟的方法对水下爆炸的各种现象进行预报。世界上相继开发了一些大型商业有限元程序（如(20CD2(、231(2、3B(2*3、2062、3BCD2(等），其中不少程序，尤其是805’3BCD2(取得了较为广泛的应用。该软件具有流体>结构相互作用的不同的描述方式，流体可以用+H&I:J9K单元描述，固体则采用.9L:9KLI单元模拟。美国、日本和意大利都曾考核了计算软件模拟水下爆炸的可行性，认为805’3BCD2(是一种合适的计算分析软件［?］。可见805’3BCD2(代表了当今世界上比较先进的爆炸力学计算程序，同时可以利用商业有限元程序强大的前后处理功能，有可能真实地再现水下爆炸冲击波产生和传播的过程。!!水中爆炸冲击波的数值模拟是进一步研究结构在水下爆炸载荷作用下动态响应的基础。在本文中，探讨了采用805’3BCD2(进行水中爆炸冲击波数值模拟的相关问题，计算结果表明，采用合适的计算参数和有限元模型，能够较好地模拟水中爆炸冲击波的各状态参量。同时研究了网格密度和药包大小对计算结果的影响。最后通过调整计算参数提升冲击波峰值压力，大大减少了水单元数量和计算所需时间，同时分析了这种方法的利弊。
#"水下爆炸冲击波的数值模拟
#$!"欧拉求解器简介
!!805’3BCD2(中包含拉格朗日求解器和欧拉求解器，其中欧拉求解器主要用于流体流动问题的分析以及固体材料发生很大变形的情况。当采用欧拉方法时，节点固定在空间中，由相关节点连接而成的单元仅仅是空间的划分，分析对象的材料在网格中流动，材料的质量、动量和能量从一个单元流向另一个单元。因而对于水中爆炸现象，采用欧拉方法求解要合适一些。805’3BCD2(中的欧拉求解器在空间上的离散采用控制容积法，在时间域上的离散采用显式积分法。采用显式积分法的优点是不需要作矩阵分解，稳定性与积分的时间步长无关。但是对于显式积分法，要保持计算的稳定，积分步长必须小于网格的最小固有周期，即时间步长必须小于应力波跨越网格中最小元素的时间。3BCD2(程
!收稿日期："))*>)?>"F；修回日期："))*>==>"@
!!!作者简介：张振华（=MAF—!），男，博士研究生，讲师。
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