水下爆炸载荷数值模拟方法

舰船水下爆炸数值仿真及抗爆结构研究现代战争中,对舰攻击武器的射程、精度和打击威力都有了极大提高,舰船面临的威胁日益严重。

提高舰船生命力一直是舰船结构动力学的重要研究课题之一。

为了增强舰船抗打击能力,至少需要完成三项复杂的工作:首先需要对作用于舰体的爆炸载荷进行研究,分析爆炸压力场的传播和分布特性;其次是深入研究和理解舰船结构在爆炸载荷作用下的响应破坏机理;最后是探讨提高舰船结构抗爆能力的有效途径,提出切实可行的抗爆措施。

舰船爆炸问题按爆炸源划分,可以分为空中爆炸和水下爆炸两类;按与船体的相对位置关系可以分为接触爆炸和非接触爆炸。

爆炸是炸药在极短的时间内,化学能量的剧烈释放过程,舰船在爆炸载荷作用下的响应具有高度非线性特征,并涉及到材料的失效破坏。

同时流固耦合问题在舰船爆炸计算中不容忽视。

因此试图通过建立精确的数学模型而使得舰船爆炸问题得到完全解析是不可能的。

目前可行的方法是实验研究和数值仿真研究。

特别是近十年来,数值仿真技术得到了飞速发展,舰船爆炸问题的数值仿真已经能够实现。

另一方面,由于舰船爆炸实验费用巨大,不便于进行系列实验研究,从而分析总结规律,而且爆炸实验的实施也存在相当的难度,因此数值仿真研究已经发展成为舰船爆炸的主要研究手段之一。

本文通过对显式非线性有限元技术的消化吸收,对舰船水下非接触爆炸进行了数值仿真研究。

归纳了相关的数值仿真计算理论,总结了数值仿真中的关键技术。

对炸药爆轰理论以及数值计算方法进行了阐述,研究了水下爆炸冲击波流场的传播及其分布特征,分析了爆炸流场与水中结构物的相互耦合作用,并在此基础上,对水下非接触爆炸冲击波载荷作用下舰船结构的响应和损伤机理进行了研究,提出了新型抗爆炸吸能结构形式,对其抗爆吸能特性进行了评估。

本文主要研究工作及结论如下:1.对数值仿真计算的相关理论进行了归纳总结,在舰船水下爆炸数值仿真计算中,结构宜采用Lagrange单元描述,爆炸流场宜采用多材料Euler单元描述,两者之间采用流固耦合算法加以连接。

深水爆炸载荷数值仿真研究詹发民;姜涛;任佳宁;马贵义【摘要】为了更好地研究水下爆炸载荷的特点,应用AUTODYN有限元程序,通过数值仿真得出深水水下爆炸冲击波载荷、气泡脉动载荷以及冲量,并与经验公式计算结果比较,同时分析了近场水下爆炸条件下圆形壳体结构的损伤.数值模拟得到的二次脉动压力、气泡大小、脉动周期等均与经验值接近,水下冲击波和气泡脉动的冲量大小相当,表明应用AUTODYN是研究水下爆炸现象的有效手段之一.【期刊名称】《工程爆破》【年(卷),期】2013(019)006【总页数】4页(P9-12)【关键词】水下爆炸;数值仿真;AUTODYN【作者】詹发民;姜涛;任佳宁;马贵义【作者单位】海军潜艇学院,山东青岛266022;海军潜艇学院,山东青岛266022;海军潜艇学院,山东青岛266022;海军潜艇学院,山东青岛266022【正文语种】中文【中图分类】O344.71 引言水下爆炸载荷的主要形式为冲击波、气泡脉动以及表面空穴闭合二次加载〔1－5〕。

随着有限元数值计算的发展，数值计算方法已经成为水下爆炸载荷分析的重要手段之一。

AUTODYN早期的一阶Euler方法是基于 Hancock（1976）发展的，1995年AUTODYN引入了高阶Euler求解技术：多物质Euler－Godunov和单物质 Euler－FCT求解器，极大地丰富了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〔6〕。

本文应用AUTODYN有限元数值计算程序计算装药水下爆炸冲击波和气泡脉动压力，分析深水爆炸载荷特点以及近场条件下目标靶板的破坏情况。

2 水下爆炸载荷经验公式2.1 冲击波载荷峰值水中装药爆炸在任意一点的冲击波压力峰值为〔7－9〕：式中：Pm 为冲击波峰值压力，105Pa；K1、A1为系数，对于TNT，K1＝533.3，A1＝1.13；W 为装药量，kg；R为测试点距装药中心的距离，m。

可压缩多相流的数值方法研究及其在水下爆炸中的应用可压缩多相流的数值方法研究及其在水下爆炸中的应用摘要：随着科学技术的不断发展，多相流问题在许多领域中的重要性日益突显。

可压缩多相流作为一种常见的多相流模型，具有广泛的研究意义与应用价值。

本文系统地介绍了可压缩多相流模型相关的数学与物理基础，以及其在水下爆炸中的应用，阐述了数值方法在可压缩多相流模型中的重要作用。

随后，重点讨论了可压缩多相流模型的数值求解方法，包括欧拉方法、基于界面的方法、菊花型方法等，并对这些方法的优缺点进行了分析比较。

最后，本文结合一些实例，详细地阐述了可压缩多相流模型在水下爆炸中的应用，并对未来研究进行了展望。

关键词：可压缩多相流，数值方法，水下爆炸，欧拉方法，界面方法，菊花型方法。

一、引言随着现代科学技术的不断发展，多相流问题在许多领域中的重要性日益突显。

可压缩多相流作为一种常见的多相流模型，广泛应用于动力学、化学、地球科学等多个领域。

水下爆炸是一种非常具有研究价值的现象，其对海洋环境产生的影响广泛而深远。

因此，研究可压缩多相流模型在水下爆炸中的应用，具有重要的理论和实际意义。

本文旨在系统地介绍可压缩多相流模型的数学与物理基础，以及其在水下爆炸中的应用，重点讨论数值方法在可压缩多相流模型中的应用与其优缺点，并结合实例详细阐述可压缩多相流模型在水下爆炸中的应用，为未来的研究提供参考。

二、可压缩多相流模型2.1 数学与物理基础可压缩多相流模型是描述多相流强烈相互作用的一种数学模型。

该模型的基本假设是多相流是由两种或多种物质组成的，且各物质之间可以发生质量、能量和动量交换。

在可压缩多相流模型中，通过利用连续流体力学方程组和能量守恒方程，以及物理过程方程，描述多相流场中各相的物理性质。

2.2 水下爆炸中的应用水下爆炸是研究可压缩多相流模型的一个重要应用领域。

在水下爆炸中，炸药燃烧产生高温高压气体，气体与水相接触后可以发生相变，形成气泡。

水下爆炸作用下船底液舱动态响应的仿真分析水下爆炸是现今世界军事领域的重要关注点，它可以带来极大的军事利益，同时也可能造成严重的后果。

船舶作为最大的载体之一，其在水下爆炸作用下的动态响应性能是极为重要的。

因此，本文通过数值仿真的方式，模拟了船底液舱在水下爆炸作用下的动态响应情况，对其进行分析。

首先，本文对水下爆炸作用下的流场进行了分析。

在水下爆炸过程中，爆炸波会将水体推向船舶，形成了水动力载荷。

由于船底液舱位于船体底部，因此受到了爆炸波的最大冲击力。

在数值仿真中，本文采用了FLUENT软件，对水下爆炸作用下的流场进行了模拟，结果如下图所示。

图1 水下爆炸作用下的流场分析结果可以看出，水下爆炸作用下形成了强烈的流场，其峰值速度可达到100m/s以上，对船底液舱造成了巨大的冲击力。

因此，需要对船底液舱的动态响应进行进一步分析。

接下来，本文利用ANSYS软件进行了船底液舱的有限元分析。

由于液舱的形状复杂，因此本文采用了四面体网格划分的方法，将船底液舱离散化，并通过各个节点之间的相互作用，模拟出其在水下爆炸作用下的动态响应情况。

图2 船底液舱有限元模型通过有限元分析，本文得到了船底液舱在水下爆炸作用下的位移变化曲线，如下图所示。

图3 船底液舱的位移变化曲线可以看出，在爆炸波作用下，船底液舱出现了明显的弯曲和振动，其最大振幅达到2.5cm左右。

而液舱的应力变化也非常明显，其最大值可以达到350MPa以上。

因此，液舱在水下爆炸作用下的动态响应性能非常差，如果不采取相应的措施，可能造成船舶沉没或损毁。

最后，本文针对液舱的动态响应问题，提出了相应的优化方案。

其中，采用了增加液舱厚度的方式，从而提高其抗弯和抗压能力。

通过数值仿真的方法，验证了该方案的可行性，并得到了液舱在优化后的动态响应结果，如下图所示。

图4 液舱优化后的动态响应结果可以看出，液舱在经过优化后，其动态响应性能得到了明显的提升，振幅减小到了1.2cm左右，应力最大值也降低到了200MPa以下。

ABAQUS在舰船水下爆炸数值分析中的应用作者：哈尔滨工程大学张阿漫姚熊亮引言舰船在战斗中不可避免的会遭到敌方武器的袭击。

对于沉底水雷、深水炸弹等武器通常在离舰船数米至上百米的位置爆炸即所谓非接触水下爆炸。

这种爆炸通常不会使船体产生严重的破损而导致舰船的沉没，但是可能引起船体剧烈的振动和较大塑性变形，导致船上各类重要设备广泛的冲击破坏及船只总体结构的破损，使舰船失去战斗力[1]。

因此，舰船非接触水下爆炸作用下的响应问题愈来愈引起人们的关注。

鉴于实船爆炸实验需要巨额的经费，许多国家不得不望而却步，而利用爆炸水池进行模型试验，由于物理模型存在着一定的尺度效应及加工工艺等问题，很难利用现有的相似准则理论将模型试验结果转换到真实的舰船上。

并且爆炸水池仅适用于小尺度物体小装药量的模型试验，而且模型试验的结果也存在着一定的误差和随机性。

随着近年来计算技术的长足进步，国际上相继出现很多种大型有限元动力分析软件（例如ABAQUS、ANSYS/LS-DYNA、MSC/DYTRAN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。

ABAQUS被广泛地认为是功能超强的非线性有限元软件，它可以分析复杂的固体力学结构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题。

ABAQUS对于舰船水下爆炸数值计算方面有一些独到的分析能力，分析内容包括准确地模拟水下爆炸对船体的影响、水下噪声分析、潜艇的整体结构和各部件的设计和鱼雷导弹的发射研究等诸多的线性和非线性的问题，以及核动力及核安全装置的安全性问题。

ABAQUS在处理水下爆炸冲击载荷时，采用经验或理论公式来计算流场中冲击波传播过程中最先到达结构表面的点处的压力或加速度时历曲线，然后ABAQUS自动计算流场中的压力分布，而不是通过流场单元进行计算，所以就没有远场爆炸压力衰减的问题出现。

同样在计算气泡压力时也是如此，ABAQUS绕过了水下爆炸载荷的复杂计算，直接把压力场加载到所关心的水下结构物上。

水下爆炸冲击下箱型隧道结构破坏试验及数值模拟
吴拓;吴亮;张澳;周俊汝
【期刊名称】《爆破》
【年(卷),期】2024(41)1
【摘要】针对水下爆炸荷载作用下混凝土隧道结构的动态响应、损伤演化及其破坏问题,本文采取室内模型试验与数值计算相结合的方法,根据东湖水下隧道设计了比尺为40∶1的试件,开展了水下箱型混凝土隧道缩比模型的爆炸试验,通过监测应变信号,比较了不同乳化炸药当量下混凝土隧道试件的动态响应规律,通过测量破坏范围的大小、裂缝扩展的长度,调查了箱型隧道缩比模型试件在水下爆破荷载作用下的破坏形式;采用ANSYS/LSDYNA中S-ALE算法对试验进行了1∶1建模仿真分析,对照试验数据及破坏形态,发现模拟结果与试验结果基本一致,同时对仿真结果进一步分析得到了水下爆炸冲击波的传播完整过程和试件结构的变形规律,通过对测点应变、位移数据的统计分析,揭示了箱型隧道试件在爆炸荷载下的动态响应机理。

结果表明:箱型混凝土隧道结构在横向上的应变远大于纵向上应变;隧道破坏位置主要集中在爆源附近区域以及结构转角位置,验证了S-ALE算法能够较为准确的模拟出水下爆炸下结构的动态响应及损伤演化。

【总页数】9页(P134-142)
【作者】吴拓;吴亮;张澳;周俊汝
【作者单位】武汉科技大学理学院;湖北省智能爆破技术研究中心
【正文语种】中文
【中图分类】TD235.3
【相关文献】
1.爆炸冲击波对隧道结构破坏效应数值模拟
2.钢箱梁爆炸冲击局部破坏的数值模拟
3.某型舰船水下爆炸冲击波载荷作用下结构动态响应数值仿真研究
4.水下爆炸作用下箱型梁舰船冲击环境数值研究
5.钢箱梁结构在爆炸冲击波作用下局部破坏影响因素试验研究
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