艦船結(jié)構(gòu)對水下近距爆炸的響應(yīng)研究進展

唐 廷 朱 錫 韋灼彬 侯海量

1海軍工程大學(xué) 天津校區(qū)，天津 塘沽300450 2海軍工程大學(xué) 船舶與動力學(xué)院，湖北 武漢430033

艦船結(jié)構(gòu)對水下近距爆炸的響應(yīng)研究進展

唐 廷1，2朱 錫2韋灼彬1侯海量2

1海軍工程大學(xué) 天津校區(qū)，天津 塘沽300450 2海軍工程大學(xué) 船舶與動力學(xué)院，湖北 武漢430033

開展艦船結(jié)構(gòu)對水下近距爆炸的響應(yīng)研究對于改善艦船結(jié)構(gòu)的防護性能、增強戰(zhàn)時的生存能力具有十分重要的意義。通過綜合近年來艦船結(jié)構(gòu)對水下近距爆炸響應(yīng)的研究成果，闡明了水下近距爆炸載荷的理論、實驗和數(shù)值研究進展，并分類總結(jié)了水下近距爆炸時的流體結(jié)構(gòu)相互作用與平板、圓柱殼、梁和艦船結(jié)構(gòu)響應(yīng)的研究現(xiàn)狀。最后給出了當(dāng)前急需加強研究的4個方面的問題：復(fù)雜邊界條件下的水下爆炸載荷特性、結(jié)構(gòu)沖擊破壞的仿真、結(jié)構(gòu)模型試驗相似規(guī)律以及新型材料和結(jié)構(gòu)對水下近距爆炸載荷的響應(yīng)。

爆炸力學(xué)；水下爆炸；結(jié)構(gòu)響應(yīng)；研究綜述

1 引言

開展艦船結(jié)構(gòu)對水下近距爆炸的響應(yīng)研究對于改善艦艇結(jié)構(gòu)的防護性能，增強戰(zhàn)時的生存能力具有十分重要的意義。關(guān)于一般水下爆炸時的物理和化學(xué)現(xiàn)象，Cole［1］、Zamyshlyayev［2－3］等學(xué)者均開展過很詳細的研究。而對于艦艇結(jié)構(gòu)附近的水下近距爆炸現(xiàn)象，Brett等［4］則作了較為簡單的描述。當(dāng)水中武器接近結(jié)構(gòu)時，戰(zhàn)斗部中的高爆炸藥會被引爆，然后在水中形成1個沖擊波和1個由爆炸產(chǎn)物氣體組成的脈動氣泡。隨著氣泡的脈動，不斷向周圍釋放出強度逐漸減小的壓力波。而在爆炸附近的任何結(jié)構(gòu)將會受到?jīng)_擊波和氣泡脈動壓力波的沖擊作用，結(jié)構(gòu)也會根據(jù)這些波的強度及其自身的強度作出響應(yīng)。如果炸藥在結(jié)構(gòu)很近的位置爆炸，氣泡的動力特性會發(fā)生改變，結(jié)構(gòu)也會受到附加的沖擊載荷。由于結(jié)構(gòu)阻止了水的流動，氣泡會失去穩(wěn)定，然后向結(jié)構(gòu)的方向潰滅。氣泡向結(jié)構(gòu)的方向運動并潰滅的現(xiàn)象可看作1種結(jié)構(gòu)對它的吸引，這種現(xiàn)象被稱之為高速射流。如果結(jié)構(gòu)與炸藥之間的距離與氣泡的最大半徑近似，則在氣泡向結(jié)構(gòu)潰滅的過程中會形成一個高速的水射流作用在結(jié)構(gòu)上，并可能對結(jié)構(gòu)造成嚴重的局部破壞。這類關(guān)于水下近距爆炸載荷與結(jié)構(gòu)響應(yīng)的問題非常復(fù)雜，到目前仍然沒有很好地得到解決，是當(dāng)前水下爆炸研究中的熱點。

2 水下近距爆炸載荷

炸藥附近水域中的結(jié)構(gòu)會對爆炸產(chǎn)生的沖擊波和氣泡脈動有擾動作用，產(chǎn)生空化和氣泡潰滅引起的射流等物理現(xiàn)象。與自由水域中的爆炸相比，載荷特性更復(fù)雜。把結(jié)構(gòu)假設(shè)成剛體可以降低研究難度，有利于分析周圍結(jié)構(gòu)對水下近距爆炸載荷的影響。近年來，國內(nèi)外學(xué)者運用理論、實驗和數(shù)值仿真等手段獲得了不少研究成果。

2.1 理論研究

當(dāng)前已有的水下爆炸理論研究成果主要集中在自由場或存在空氣邊界等情況，結(jié)構(gòu)為邊界條件的理論研究成果較少。1951年Herring［5］提出過剛性邊界和常壓邊界條件下的氣泡第一脈動周期的經(jīng)驗公式，但忽略了水的可壓縮性，并假設(shè)氣泡始終保持為球形，因此其經(jīng)驗公式存在一定的誤差，在使用時應(yīng)注意其適用范圍；方斌等［6－7］在Vernon模型的基礎(chǔ)上進行了改進，考慮了水平剛性面和垂直剛性面邊界條件下的氣泡脈動運動，建立了相應(yīng)的求解方程，擴展了求解范圍，為接觸爆炸的研究提供了理論基礎(chǔ)；而杜志鵬等［8］建立了水下剛性壁上的裝藥爆炸產(chǎn)生氣泡的動力學(xué)模型，從Bernoulli方程和能量守恒2個角度推導(dǎo)出描述半球形氣泡徑向運動的流體動力學(xué)方程，對方程數(shù)值求解得到了第一脈動周期內(nèi)氣泡半徑和徑向運動速度隨時間變化的曲線。部分前蘇聯(lián)學(xué)者在不完全分離變量法的基礎(chǔ)上推導(dǎo)了在與彈性半空間接觸的液體層中非平穩(wěn)擾動的傳播問題的解析解［9］，這些成果對于淺層水中的爆炸載荷研究具有深遠的意義。

總體來說，理論研究的成果仍局限于單一邊界條件的范疇，綜合考慮水面、水底和水下結(jié)構(gòu)等多個邊界條件的水下爆炸問題未能得到很好地解決。

2.2 實驗研究

水下近距爆炸產(chǎn)生的載荷包括初始沖擊波、氣泡脈動壓力、二次加載以及氣泡潰滅引起的射流載荷。利用高速攝影設(shè)備和壓力傳感器等設(shè)備進行高強度結(jié)構(gòu)附近的小強度沖擊實驗，可以對這些載荷進行精確的研究。Chahine等［10］實驗研究了水下爆炸氣泡潰滅引起的高速射流載荷，并用有限元方法進行了對比分析。Brett等［4］利用高速攝影技術(shù)，觀察并測量了鋼圓柱結(jié)構(gòu)附近水下爆炸的加速度和壓力，通過改變裝藥與結(jié)構(gòu)的距離，研究了沖擊波、氣泡脈動、水的射流以及氣泡潰滅的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)沖擊波載荷具有重要的意義，氣泡脈動產(chǎn)生的壓力波的影響較小，它產(chǎn)生的速度峰值約為沖擊波的一半；而氣泡潰滅引起的射流載荷則比較大，它產(chǎn)生的速度峰值約為沖擊波的2倍。洪江波等［11］利用高速攝影儀觀測了自由場及結(jié)構(gòu)近場下氣泡脈動的整個過程，獲得了氣泡脈動周期和最大半徑，與經(jīng)驗公式對比較為吻合。牟金磊等［12］試驗研究了水下爆炸氣泡射流的產(chǎn)生條件以及載荷形式。

水下爆炸載荷實驗研究的現(xiàn)狀表明，氣泡潰滅引起的射流載荷是當(dāng)前研究的重點。雖然取得不少定性的成果，但是準確定量的描述射流載荷的大小將是未來努力的方向。

2.3 數(shù)值研究

隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，各種數(shù)值模擬軟件在水下爆炸領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。應(yīng)用較廣的有 LS－DYNA、3DynaFS、MSC／DYTRAN、AUTODYN、ABAQUS等大型有限元（FEM）軟件。近年來，運用SPH（光滑粒子水動力學(xué)）、邊界積分等方法也取得了不少研究成果。

Matsumoto［13］采用 MSC ／DYTRAN 研究了剛性邊界曲率對附近水下爆炸氣泡的影響，模擬得到初始沖擊波壓力、氣泡脈動壓力、氣泡半徑與周期，并將模擬結(jié)果與自由場中的水下爆炸結(jié)果進行比較；Swegle等［14］利用SPH等方法分析了水下爆炸時流體與結(jié)構(gòu)相互作用、沖擊波與結(jié)構(gòu)相互作用等一系列問題，運用SPH和歐拉方法詳細研究了氣泡在結(jié)構(gòu)附近的潰滅過程和射流載荷；Chahine等［15］根據(jù)3DynaFS開發(fā)了1種三維邊界元法模擬了圓柱體附近的氣泡運動，氣泡的形狀和發(fā)展都與實驗結(jié)果非常吻合；Wang 等［16－17］運用彈性網(wǎng)格技術(shù)（EMT）與邊界積分方法（BIM）模擬了自由表面附近水下爆炸三維氣泡的發(fā)展過程；Brujan等［18］基于Kelvin脈沖的概念，運用邊界積分方法數(shù)值分析了剛性邊界附近氣泡脈動、遷移以及潰滅的動力學(xué)規(guī)律；Klaseboer等［19］則使用邊界元和邊界積分方法模擬了水下結(jié)構(gòu)附近爆炸的氣泡運動過程；Kadioglu等［20］利用自適應(yīng)求解技術(shù)模擬了結(jié)構(gòu)附近水下爆炸的氣泡膨脹與潰滅過程；張阿漫和姚熊亮等［21－22］也利用邊界元法模擬了近邊界水下爆炸氣泡的動力學(xué)特征，建立了氣泡、壁面以及自由面三者之間復(fù)雜耦合動力學(xué)模型以及水下爆炸氣泡與自由面耦合數(shù)值模型，并開發(fā)相應(yīng)計算程序進行了計算與分析。

從水下爆炸載荷數(shù)值研究的現(xiàn)狀來看，新方法和新技術(shù)的研究是當(dāng)前的熱點，雖然取得了不少成果，但仍需加強計算的準確性和穩(wěn)定性，以得到大型商業(yè)計算軟件的認可，從而在工程實際中得到廣泛的運用。

3 水下近距爆炸時的結(jié)構(gòu)響應(yīng)

基于艦艇防護的需要，在水下爆炸載荷研究的基礎(chǔ)上，艦船設(shè)計、研究人員對水下近距爆炸時的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進行了大量的研究。

3.1 流體結(jié)構(gòu)相互作用

流體與結(jié)構(gòu)的相互作用是研究結(jié)構(gòu)對水下近距爆炸載荷響應(yīng)的基礎(chǔ)。流體結(jié)構(gòu)相互作用研究的成果為水下爆炸結(jié)構(gòu)響應(yīng)的數(shù)值仿真技術(shù)發(fā)展提供了直接的支持。

在美國海軍研究生院的多篇由Young指導(dǎo)的AD 報告［23－25］中，均列出了基于 Taylor［26］平板理論的流體結(jié)構(gòu)相互作用的理論計算方法；Geers［27］提出了以一階雙重漸進近似法（DAA1）來分析水下爆炸的流固相互作用問題，它在高頻段和低頻段分別用平面波假設(shè)和虛質(zhì)量假設(shè)進行逼近，精度很高，但中頻段采用線性過渡。隨后又提出了改進的二階 DAA 方法［28］和三階 DAA 方法［29］，計算精度得到很大提高；劉建湖［30］則成功將DAA方法應(yīng)用于分析船舶結(jié)構(gòu)對水下爆炸的動響應(yīng)研究；Hamdan［31］探討了使用 Lagrangian 流體有限元單元模擬近場流固耦合的方法，可以用來分析二維軸對稱和三維的流體結(jié)構(gòu)相互作用；Kobashi等［32］使用光滑粒子流體力學(xué)（SPH）模擬水下爆炸以及流體與結(jié)構(gòu)的相互作用問題，與實驗結(jié)果對比后分析了SPH方法的優(yōu)劣特性。

3.2 平板結(jié)構(gòu)的響應(yīng)

為研究接觸爆炸對結(jié)構(gòu)的局部沖擊，大多數(shù)研究人員將結(jié)構(gòu)簡化成方板或圓板，分析結(jié)構(gòu)的彈塑性動力響應(yīng)。

Jiang等［33］提出了一種有限元與邊界積分相結(jié)合的方法用以研究圓板對水下爆炸載荷的非線性瞬態(tài)響應(yīng)。結(jié)果表明，該方法可以合理地計算近距和遠場水下爆炸時的流固耦合問題；Ramajeyathilagam 等［34－35］則進行了固支方板對水下爆炸的非線性動力響應(yīng)的試驗和數(shù)值仿真研究，試驗與仿真結(jié)果吻合得很好；Rajendran等在此方面進行了大量的工作，其開展了固支圓板的接觸爆炸試驗研究［36］，研究了平板在水下爆炸載荷作用下的線彈性沖擊響應(yīng)［37］，系統(tǒng)地總結(jié)了平板試件受水下爆炸作用下的彈性與屈服行為、塑性變形能、變形時程、變形預(yù)測、平板隆起及破裂、應(yīng)變率［38］；Hung等［39］則進行了水下爆炸條件下空背平板的彈性沖擊響應(yīng)的試驗和數(shù)值仿真研究，比較了平板的加速度、速度和應(yīng)力時程，二者得到了很好的吻合；諶勇等［40］在Taylor平板理論的基礎(chǔ)上用剛塑性法分析了簡支剛塑性圓板受水下爆炸載荷時的塑性動力響應(yīng)，并與ABAQUS程序的計算結(jié)果進行了比較，表明不考慮空泡時所得到的結(jié)果較精確，并考察了流固耦合作用及空泡對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響；陳先念等［41］采用數(shù)值方法研究了正方形板在水下爆炸沖擊波載荷作用下的動態(tài)響應(yīng)，分析了板的變形模式，研究了板厚和爆炸沖擊因子對板的最大變形撓度的影響，推導(dǎo)出簡單適用的經(jīng)驗公式。王善等［42］將脈動球面壓力波分解為不同時段內(nèi)的環(huán)形載荷，利用李滋方程推導(dǎo)出圓板表面上壓力以及圓板圓心處的最大撓度計算公式。

在簡單平板的基礎(chǔ)上，許多學(xué)者開展了大量的加筋平板和夾心平板對水下爆炸的響應(yīng)研究工作。Jiang等［43］提出了1種估算水中帶肋平板在水下爆炸載荷作用下非線性動力響應(yīng)的簡化方法，給出了耦合體系的數(shù)學(xué)計算公式和部分計算實例；Librescu 等［44－45］運用數(shù)值方法對比研究了各向異性夾心平板對水下爆炸和空氣中爆炸的動力響應(yīng)；Jen等［46］運用非線性有限元方法模擬了加筋平板在水下沖擊載荷作用下的變形，可指導(dǎo)加筋平板的抗水下爆炸設(shè)計；Gupta等［47］進行了加筋和不加筋方板在水下爆炸載荷作用下的變形與撕裂的數(shù)值模擬研究；朱錫等［48］進行了加筋平板在水下接觸爆炸作用下的破口試驗，給出了考慮加強筋影響的破口計算公式；張振華等［49］研究了加筋平板在水下爆炸沖擊波下動態(tài)響應(yīng)的相似律，為加筋平板在水下爆炸沖擊波作用下動態(tài)響應(yīng)的模型試驗提供了指導(dǎo)；牟金磊等［50］進行了水下爆炸載荷作用下加筋平板變形及開裂的試驗研究。

當(dāng)前平板結(jié)構(gòu)的響應(yīng)研究較為成熟，可以為復(fù)雜艦艇結(jié)構(gòu)的響應(yīng)研究提供指導(dǎo)。特別是對于新型抗爆抗沖擊材料的應(yīng)用和推廣來說，其平板結(jié)構(gòu)的響應(yīng)研究具有重要的意義。

3.3 圓柱殼結(jié)構(gòu)的響應(yīng)

為研究潛艇和管道等水中結(jié)構(gòu)對水下爆炸載荷的響應(yīng)，通常將結(jié)構(gòu)簡化為圓柱殼。Shin等［51］采用數(shù)值仿真方法研究了非完整圓柱殼結(jié)構(gòu)在水下爆炸作用下的破壞；Pédron 等［52］則從理論上研究了無限長加筋圓柱殼在水下爆炸壓力波沖擊作用下的動力屈曲問題；Hung等［53］制作了不加筋、內(nèi)部加筋和外部加筋的3個封閉圓柱殼，在水池中進行了多次不同距離的水下爆炸試驗，研究了圓柱殼結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，并與有限元計算的結(jié)果進行了比較；王剛等［54］基于圓柱殼與液流場相互作用的流固耦合運動條件和大撓度變形理論，研究無限長圓柱殼在水下爆炸沖擊載荷作用下的彈塑性動力響應(yīng)問題，得到水下圓柱殼在爆炸沖擊載荷下彈塑性動力響應(yīng)的規(guī)律；姚熊亮等［55］采用大型有限元計算軟件ANSYS／LS－DYNA對圓筒結(jié)構(gòu)水下爆炸進行了數(shù)值實驗研究，與試驗數(shù)據(jù)進行對比分析，驗證了數(shù)值計算的正確性；余曉菲等［56］運用Hamilton變分原理計算了無限域流場中兩端簡支圓柱殼受球形炸藥爆炸沖擊載荷作用的響應(yīng)，與有限元計算結(jié)果進行比較，驗證了算法的可靠性；李健等［57］采用實驗與數(shù)值模擬結(jié)合的方法，對圓柱殼結(jié)構(gòu)在水中受到柱形TNT炸藥產(chǎn)生的沖擊載荷作用下的動力響應(yīng)過程進行了研究。

當(dāng)前的研究技術(shù)和手段可以對圓柱殼結(jié)構(gòu)的一般沖擊響應(yīng)和破壞進行較好的分析，但對于較遠距離（非遠場）上的水下爆炸引起的動屈曲的機理和判別依據(jù)等問題仍不能進行很好地解釋，這也是未來研究的一個熱點。

3.4 梁結(jié)構(gòu)的響應(yīng)

在分析艦船結(jié)構(gòu)對水下爆炸氣泡脈動載荷的整體響應(yīng)的問題時，通常將艦船結(jié)構(gòu)簡化成變截面梁以研究結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)。Cunningham等［58］和Kwon等［59］研究了在水下爆炸結(jié)構(gòu)響應(yīng)的有限元分析中將加筋圓柱殼結(jié)構(gòu)簡化成梁結(jié)構(gòu)的可行性，分析表明二者具有相似的響應(yīng)；Zong［60］運用塑性動力學(xué)理論研究了水面雙自由端梁受水下爆炸氣泡載荷作用下的塑性動力響應(yīng)，通過Runge－Kutta方法求解運動方程，得到塑性動力響應(yīng)解，結(jié)果表明，長梁可以承受更大的塑性變形，而短梁則可承受更大的剛體運動；董海等［61］用雙重漸進近似法描述了結(jié)構(gòu)的動態(tài)變形與瞬態(tài)流場的耦合作用，從彎矩的角度考察了水下爆炸第1次氣泡脈動載荷對結(jié)構(gòu)鞭狀響應(yīng)的貢獻，總結(jié)了圓柱殼上的彎矩隨潛深、爆距、爆炸方向角變化的規(guī)律；李海濤等［62］采用理論分析、試驗研究和數(shù)值仿真的方法對船體箱形梁在水下近距爆炸載荷作用下的響應(yīng)進行了詳細的研究。

采用箱形梁理論分析艦艇結(jié)構(gòu)的整體響應(yīng)取得了很好的效果，但對于水下近距爆炸載荷，在運用過程中應(yīng)注意與艦艇結(jié)構(gòu)的局部響應(yīng)相結(jié)合，更好地反映結(jié)構(gòu)的變形和破壞特點。

3.5 艦船結(jié)構(gòu)的響應(yīng)

艦船結(jié)構(gòu)對水下爆炸的響應(yīng)是水下爆炸研究的主要目標。艦船結(jié)構(gòu)由板、殼、梁等組成，結(jié)構(gòu)形式較為復(fù)雜，其對水下近距爆炸沖擊的響應(yīng)研究也就非常困難，部分海外學(xué)者采用數(shù)值仿真方法對整船的沖擊響應(yīng)進行了研究。Santiago［63］基于MSC／NASTRAN67.5 等 通 用 程 序 模 擬 研 究 了 阿利·伯克級驅(qū)逐艦（DDG 51）對水下爆炸的沖擊響應(yīng)，通過研究空化對一維和二維模型的影響以確定其對三維模型的影響的重要性，其研究成果有益于艦船抗水下爆炸的研究并節(jié)省實船試驗費用；Wood［64］運用有限元程序模擬分析了水下爆炸時自由面附近空化現(xiàn)象對箱形結(jié)構(gòu) （艦船結(jié)構(gòu)的簡化）的影響；Sprague 等［65］利用改良的有限元程序模擬類似艦船結(jié)構(gòu)模型對水下爆炸沖擊的響應(yīng)，證明了該程序的有效性；Liang等［66］編譯開發(fā)了1種有限元分析程序用來測試水面艦艇對水下爆炸的沖擊響應(yīng)，利用有限元方法與DAA2相結(jié)合的方法研究了2 000 t的巡邏艇對水下爆炸（沖擊因子KSF＝0.8）的瞬態(tài)動力響應(yīng)，詳細給出了龍骨處的沖擊載荷，不同位置的加速度、速度和位移時程，以及艦艇的塑性區(qū)域發(fā)展。

近年來內(nèi)地學(xué)者也對艦船結(jié)構(gòu)的水下近距爆炸沖擊響應(yīng)進行了大量的研究，研究方法以局部模型實驗和數(shù)值仿真為主，研究的對象可分為潛艇結(jié)構(gòu)、水面艦船舷側(cè)結(jié)構(gòu)和船底結(jié)構(gòu)等。

1）潛艇結(jié)構(gòu)：張振華等［67］采用雙層殼體建模方案對潛艇結(jié)構(gòu)進行整艇有限元建模，運用MSC／DYTRAN程序?qū)φЫY(jié)構(gòu)進行水下抗爆仿真；黃國兵等［68］基于 ANSYS／LS－DYNA 對潛艇典型艙段受到水下近場爆炸沖擊作用下的非線性動態(tài)響應(yīng)進行了研究，對比分析了單殼體潛艇和雙殼體潛艇的計算結(jié)果；姚熊亮等［69］利用ABAQUS軟件對某潛艇結(jié)構(gòu)進行數(shù)值計算，研究其在水下爆炸作用下的沖擊響應(yīng)規(guī)律。

2）水面艦船舷側(cè)結(jié)構(gòu)：朱錫等［70］對水面艦艇防雷艙結(jié)構(gòu)模型進行水下抗爆能力系列試驗，探討了有無水中防御結(jié)構(gòu)的利弊及防護效果，系統(tǒng)研究了艦艇舷側(cè)防御結(jié)構(gòu)在水下爆炸載荷作用下的破壞機理，并對防雷艙進行水下抗爆設(shè)計；陳衛(wèi)東等［71］對多層殼結(jié)構(gòu)在3種不同裝藥量情況下進行了水下接觸爆炸試驗，對試驗?zāi)Ｐ退a(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形、破口尺寸、破口形狀及試驗?zāi)Ｐ偷湫筒课坏膭討B(tài)響應(yīng)情況進行了觀測與分析，驗證了試驗之前的理論分析和數(shù)值仿真結(jié)果；王善等人則利用LS－DYNA有限元程序進行仿真計算，分析水下接觸作用下艦船防護結(jié)構(gòu)中液艙的影響、多層板殼的破壞概率與可靠性。

3）船底結(jié)構(gòu)：張振華等［72］試驗研究了艦船底部液艙雙層板結(jié)構(gòu)在水下爆炸作用下的動態(tài)響應(yīng)問題，對艦船底部液艙模型在空載、半載和滿載狀態(tài)下進行了水下爆炸試驗，試驗測量了底部液艙外板和內(nèi)板的壁壓、加速度和動態(tài)應(yīng)變等參數(shù)；李磊等［73］采用AUTODYN－3D仿真分析了水下爆炸對雙層船底結(jié)構(gòu)的毀傷效應(yīng)，給出了不同的船底結(jié)構(gòu)在水下爆炸作用下的響應(yīng)特點。

4 相關(guān)研究建議

雖然艦船結(jié)構(gòu)對水下近距爆炸的響應(yīng)研究已取得不少成果，但由于該問題的復(fù)雜性，仍然存在許多不足，有必要開展深入研究。

1）復(fù)雜邊界條件下的水下爆炸載荷特性：真實環(huán)境中的水下近距爆炸載荷與自由水域中的爆炸載荷存在很大的差異，必須綜合考慮自由水面、水底和附近結(jié)構(gòu)物等邊界對水下爆炸載荷的影響。目前對單一邊界條件下的水下爆炸載荷研究已有部分進展，但同時考慮多個邊界影響的水下爆炸載荷特性研究仍較為困難，加強復(fù)雜邊界條件下的水下爆炸載荷研究很有必要。

2）結(jié)構(gòu)沖擊破壞的仿真研究：由于結(jié)構(gòu)破壞模擬過程中的單元失效、流固耦合界面調(diào)整以及歐拉材料的流動等問題的處理非常復(fù)雜，當(dāng)前結(jié)構(gòu)對水下近距爆炸響應(yīng)的仿真研究主要集中于結(jié)構(gòu)的彈塑性響應(yīng)，較少考慮結(jié)構(gòu)破壞后的響應(yīng)過程。雖然部分有限元程序已整合相關(guān)算法，但在材料模型和單元失效處理（單元刪除后的能量損失）上仍存在不足，模擬的準確性與精度很難保證。因此完善和改進相關(guān)瞬態(tài)動力分析程序是未來必須加強的工作。

3）結(jié)構(gòu)模型試驗相似規(guī)律研究：綜合利用高速攝影設(shè)備和高精度傳感器，水下近距爆炸結(jié)構(gòu)響應(yīng)的試驗研究取得了不少成果。由于經(jīng)費的制約，大部分的試驗為縮比模型試驗，因此模型與真實結(jié)構(gòu)的縮比關(guān)系處理非常關(guān)鍵，只有采用正確的縮比方法才能準確模擬真實結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。當(dāng)前的縮比方法主要為幾何縮比，而縮比過程中材料參數(shù)與結(jié)構(gòu)邊界約束等問題關(guān)注較少，開展相關(guān)的研究對提高試驗的準確性有很重要的意義。

4）新材料和新結(jié)構(gòu)對水下近距爆炸載荷的響應(yīng)：為優(yōu)化艦船結(jié)構(gòu)設(shè)計和提高艦船抗爆抗沖擊能力，各種新材料和新結(jié)構(gòu)形式在艦船上得到廣泛應(yīng)用。開展新材料和新結(jié)構(gòu)對水下近距爆炸載荷的響應(yīng)研究具有非常緊迫的現(xiàn)實意義，其也將成未來水下爆炸研究的熱點和重點之一。

［1］COLE R H.Underwater explosion［M］.Princeton：Princeton University Press，1948.

［2］ZAMYSHLYAYEV B V，YAKOVLEV Y S.Dynamic Loads AccompanyinganUnderwaterExplosion［R］.Sudostroyeniye，Leningrad， 1967.

［3］ZAMYSHLYAYEV B V.Dynamic loads in underwater explosion［R］.AD－757183，1972：86-120.

［4］BRETT J M，YIANNAKOPOLOUS G.A study of explosive effects in close proximity to a submerged cylinder［J］.International Journal of Impact Engineering，2008，35（4）：206－225.

［5］HERRING C.Theory of the pulsations of the gas bubble produced by an underwater explosions［R］//Underwater Explosion Research：A Compendium of British and American Reports，Vol.Ⅱ－The Gas Globe.USA：Office of Naval Research，Department of the Navy，1951.

［6］方斌，朱錫，陳細弟，等.水平剛性面下方水下爆炸氣泡垂向運動的理論研究［J］.爆炸與沖擊，2006，26（4）：345－350.

FANG B，ZHU X，CHEN X D，et al.Pulsation dynamics of an underwater explosion bubble vertical migrating to a horizontal rigid plane［J］.Explosion and Shock Waves，2006，26（4）：345－350.

［7］方斌，朱錫，張振華.垂直剛性面邊界條件下水下爆炸氣泡運動的理論研究［J］.海軍工程大學(xué)學(xué)報，2007，19（2）：81－85.

FANG B，ZHU X，ZHANG Z H.Theoretical study of the pulsation dynamics of an underwater explosion bubble with a vertical rigid plane［J］.Journal of Naval University of Engineering，2007，19（2）：81－85.

［8］杜志鵬，汪玉，辛春亮.水下剛性壁裝藥爆炸氣泡簡化模型和數(shù)值仿真［J］.計算機仿真，2009，26（4）：10－13，17.

DU Z P， WANG Y， XIN C L.Simplified bubble dynamic model and numerical simulation of charge underwater explosion on a fixed rigid floor［J］.Computer Simulation，2009，26（4）：10－13，17.

［9］E.I.舍米亞金.彈塑性理論的動力學(xué)問題［M］.戚承志，譯.北京：科學(xué)出版社，2009.

［10］CHAHINE G L， KALUMUCK K M.The influence of structural deformation on water jet impact loading ［J］.Journal of Fluids and Structures，1998，12（1）：103－121.

［11］洪江波，李海濤，朱錫，等.水下爆炸的高速攝影測試技術(shù)研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報，2008，30（5）：82－86.

HONG J B，LI H T，ZHU X，et al.High －speed photographic investigation of bubble induced by underwater explosion［J］.Journal of Wuhan University of Technology，2008，30（5）：82－86.

［12］牟金磊，朱錫，黃曉明，等.水下爆炸氣泡射流現(xiàn)象的試驗研究［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2010，31（2）：154－158.

MU J L，ZHU X，HUANG X M，et al.Experimental study of jets formed by bubbles from underwater explosions［J］.Journal of Harbin Engineering University，2010，31 （2）：154－158.

［13］MATSUMOTO K.Boundary curvature effects on gas bubble oscillations in underwater explosion［R］.ADA308087，Monterey， CA：Naval Postgraduate School，1996.

［14］SWEGLE J W，KIPP M E.SPH and eulerian underwater bubble collapse simulations［R］.SAND98－1040 UC－705，1998.

［15］CHAHINE G L，KALUNUCK K M，Hsiao C T.Simulation of surface piercing body coupled response to underwater bubble dynamics utilizing 3DynaFS， a three－dimensional BEM code［J］.Computational Mechanics，2003，32（4/6）：319－326.

［16］WANG C，KHOO B C，YEO K S.Elastic mesh technique for 3D BIM simulation with an application to underwater explosion bubble dynamics［J］.Computers and Fluids，2003，32（9）：1195－1212.

［17］WANG C， KHOO B C.An indirect boundary element method for three－dimensional explosion bubbles［J］.Journal of Computational Physics，2004，194（2）：451－480.

［18］BRUJAN E A，PEARSON A，BLAKE J R.Pulsating，buoyant bubbles close to a rigid boundary and near the null final Kelvin impulse state［J］.International Journal of Multiphase Flow，2005，31（3）：302－317.

［19］KLASEBOER E，KHOO B C，HUNG K C.Dynamics of an oscillating bubble near a floating structure［J］.Journal of Fluids and Structures，2005，21（4）：395－412.

［20］KADIOGLU S Y， SUSSMAN M.Adaptive solution techniques for simulating underwater explosions and implosions［J］.Journal of Computational Physics，2008，227（3）：2083－2104.

［21］張阿漫，姚熊亮.復(fù)雜邊界附近氣泡的動態(tài)特性研究［J］.力學(xué)季刊，2008，29（1）：24－32.

ZHANG A M，YAO X L.Dynamics of bubbles near complex boundary［J］.Chinese Quarterly of Mechanics，2008，29（1）：24－32.

［22］張阿漫，姚熊亮.近自由面水下爆炸氣泡的運動規(guī)律研究［J］.物理學(xué)報，2008，57（1）：339－353.

ZHANG A M，YAO X L.The law of the underwater explosion bubble motion near free surface［J］.Acta Physics Sinica，2008，57（1）：339－353.

［23］WOOD S L.Cavitation effects on a ship－like box structure subjected to an underwater explosion［R］.ADA-354937，CA，Monterey：Naval Postgraduate School，1998.

［24］BEITER K A.The effect of stiffener smearing in a shiplike box structure subjected to an underwater explosion［R］.ADA353271， Monterey， CA： Naval Postgraduate School，1998.

［25］MALONE P E.Surface ship shock modeling and simulation： extend investigation［R］.ADA386401， Monterey，CA：Naval Postgraduate School，2000.

［26］TAYLOR G T.The pressure and impulse of submarine explosion waves on plates［R］.FC235， Ministry of Home Security Report， 1941.

［27］GEERS T L.Residual potential and approximate methods for three dimensional fluid－structure interaction problem［J］.Journal of the Acoustical Society of America，1971，49（5B）： 1505－1511.

［28］GEERS T L.Doubly asymptotic approximations for transient acoustic wave［J］.Journal of the Acoustical Society of America，1978，64（5）：1505－1508.

［29］GEERS T L.Third－order doubly asymptotic approximations for computational acoustics［J］.Journal of Computational Acoustics，2000，8（1）：101－120.

［30］劉建湖.艦船非接觸水下爆炸動力學(xué)的理論和應(yīng)用［D］.無錫：中國船舶科學(xué)研究中心，2002.

LIU J H.Theory and its application of ship dynamic responses to non－contact underwater explosions［D］.Wuxi：China Ship Scientific Research Center，2002.

［31］HAMDAN F H.Near－field fluid-structure interaction using Lagrangian fluid finite elements［J］.Computers and Structures，1999，71（2）：123－141.

［32］KOBASHI W，MATSUO A，MURATA K，et al.Explosion simulation including a coupled fluid－structure interaction problem using smoothed particle hydrodynamics［C］//Proceeding of 44th AIAA Aerospace Science Meeting and Exhibit.Reno，Nevada，2006：190.

［33］JIANG J， OLSON M D.Non－linear transient analysis of submerged circular plates subjected to underwater explosions［J］.Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering，1996，134（1/2）：163－179.

［34］RAMAJEYATHILAGAM K，VENDHAN C P，RAO V B.Non－linear transient dynamic response of rectangular plates under shock loading［J］.International Journal of Impact Engineering，2000，24（1）：999－1015.

［35］RAMAJEYATHILAGAM K， VENDHAN C P.Deformation and rupture of thin rectangular plates subjected to underwater shock［J］.International Journal of Impact Engineering，2004，30（6）：699-719.

［36］RAJENDRAN R，NARASIMHAN K.Damage prediction of clamped circular plates subjected to contact underwater explosion［J］.International Journal of Impact Engineering，2001，25（4）：373-386.

［37］RAJENDRAN R，NARASIMHAN K.Linear elastic shock response of plane plates subjected to underwater explosion［J］.International Journal of Impact Engineering，2001，25（5）：493-506.

［38］RAJENDRAN R， NARASIMHAN K.Deformation and facture behavior of plate specimens subjected to underwater explosion-a review［J］.International Journal of Impact Engineering，2006，32（12）：1945-1963.

［39］HUNG C F，HSU P Y，HWANG-FUU J J.Elastic shock response of an air-backed plate to underwater explosion［J］.International Journal of Impact Engineering，2005，31（2）：151-168.

［40］諶勇，唐平，汪玉，等.剛塑性圓板受水下爆炸荷載時的動力響應(yīng)［J］.爆炸與沖擊，2005，25（1）：90-96.

CHEN Y，TANG，WANG Y，et al.Dynamic response analysis of rigid-plastic circular plate under underwater blast loading［J］.Explosion and Shock Waves，2005，25（1）：90-96.

［41］陳永念，譚家華.固支方形板在水下爆炸沖擊波荷載作用下動態(tài)響應(yīng)數(shù)值仿真研究［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2008，30（1）：131-135.

CHEN Y N，TAN J H.Dynamical response of square plates under shock loading［J］.Ship Science and Technology，2008，30（1）：131-135.

［42］王善，王振宇，唐兆田，等.氣泡脈動壓力作用下圓板的響應(yīng)分析［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2008，29（6）：544-549.

WANG S，WANG Z Y，TANG Z T，et al.Research on the response of circular plates to bubble pulsation pressure［J］.Journal of Harbin Engineering University，2008，29（6）：544-549.

［43］JIANG J， OLSON M D.Rigid-plastic analysis of underwater blast loaded stiffened plates［J］.International Journal of Mechanical Sciences，1995，37（8）：843-859.

［44］LIBRESCU L，OH S Y，HOHE J.Dynamic response of anisotropic sandwich flat panels to underwater and in-air explosions［J］.International Journal of Solids and Structures，2006，43（13）：3794-3816.

［45］LIBRESCU L，OH S Y，HOHE J.Linear and non-linear dynamic response of sandwich panels to blast loading［J］.Composites： Part B，2004，35（6/8）：673-683.

［46］JEN C Y，TAI Y S.Deformation behavior of a stiffened panel subjected to underwater shock loading using the non-linear finite element method［J］.Materials and Design，2010，31（1）：325-335.

［47］GUPTA N K，KUMAR P，HEGDE S.On deformation and tearing of stiffened and un-stiffened square plates subjected to underwater explosion-a numerical study［J］.International Journal of Mechanical Sciences，2010，52（5）：733-744.

［48］朱錫，白雪飛，黃若波，等.船體板架在水下接觸爆炸作用下的破口試驗［J］.中國造船，2003，44（1）：46-52.

ZHU X， BAI X F， HUANG R B， et al.Crevasse experiment research of plate membrance in vessels subjected to underwater contact explosion［J］.Ship Building of China，2003，44（1）：46-52.

［49］張振華，陳平毅，漆萬鵬，等.艦船局部板架結(jié)構(gòu)在水下爆炸沖擊波下動態(tài)響應(yīng)的相似律研究［J］.振動與沖擊，2008，27（6）：81-86.

ZHANG Z H，CHEN P Y， QI W P， et al.Scaling law of dynamic response of stiffened plates for a ship subjected to underwater shock［J］.Journal of vibration and shock，2008，27（6）：81-86.

［50］牟金磊，朱錫，張振華，等.水下爆炸載荷作用下加筋板變形及開裂試驗研究［J］.振動與沖擊，2008，27（1）：57-60.

MU J L，ZHU X，ZHANG Z H，et al.Experimental study on deformation and rupture of stiffened plates subjected to underwater shock［J］.Journal of Vibration and Shock，2008，27（1）：57-60.

［51］SHIN Y S，HOOKER D T.Damage response of submerged imperfect cylindrical structures to underwater explosion［J］.Computers and Structures，1996，60（5）：683-693.

［52］PéDRON C， COMBESCURE A.Dynamic buckling of stiffened cylindrical shells of revolution under a transient lateral pressure shock wave［J］.Thin-Walled Structures，1995，23（1/4）：85-105.

［53］HUNG C F，LIN B J，HWANG-FUU J J，et al.Dynamical response of cylindrical shell structures subjected to underwater explosion［J］.Ocean Engineering，2009，36（8）：564-577.

［54］王剛，陳鐵云.圓柱殼在水下徑向爆炸荷載下的彈塑性動力響應(yīng)［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報，1997，31（11）：106-111.

WANG G，CHEN T Y.Elastoplastic dynamic response of a cylindrical shell to underwater radial explosion loading［J］.Journal of Shanghai Jiao Tong University，1997，31（11）：106-111.

［55］姚熊亮，王玉紅，史冬巖，等.圓筒結(jié)構(gòu)水下爆炸數(shù)值實驗研究［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2002，23（1）：5-8，36.

YAO X L，WANG Y H，SHI D Y，et al.Numerical experiment on underwater explosion of cylinder［J］.Journal of Harbin Engineering University，2002，23（1）：5-8，36.

［56］余曉菲，劉土光，余宏坤.圓柱殼在水下爆炸載荷下的流-固耦合響應(yīng)分析［J］.振動與沖擊，2007，26（7）：125-128.

YU X F，LIU T G，YU H K.Dynamic response of a cylindrical shell subject to underwater explosive loading ［J］.Journal of Vibration and Shock，2007，26（7）：125-128.

［57］李健，榮吉利.水下爆炸圓柱殼塑性動態(tài)響應(yīng)實驗及數(shù)值計算［J］.北京理工大學(xué)學(xué)報，2008，28（8）：659－662.

LI J， RONG J L.Experimental and numerical investigations of dynamic response for cylindrical shell subjected to underwater explosion［J］.Transaction of Beijing Institute of Technology，2008，28（8）：659－662.

［58］CUNNINGHAM R E，KWON Y W.Simplified finite element modeling of stirrened cylinders subjected to underwater explosion［R］.ADA305920， Monterey， CA： Naval Postgraduate School，1996.

［59］KWON Y W，CUNNINGHAM R E.Comparison of USADYNA finite element models for a stiffened shell subject to underwater shock［J］.Computers and Structures，1998，66（1）：127－144.

［60］ZONG Z.A hydroplastic analysis of a free－free beam floating on water subjected to an underwater bubble［J］.Journal of Fluids and Structures，2005，20（3）： 359－372.

［61］董海，劉建湖，吳有生.水下爆炸氣泡脈動作用下細長加筋圓柱殼的鞭狀響應(yīng)分析［J］.船舶力學(xué)，2007，11（2）：250－258.

DONG H，LIU J H，WU Y S.Whipping response analysis of slender stiffened cylindrical shell subjected to underwater explosion with bubble pulse［J］.Journal of Ship Mechanics，2007，11（2）：250－258.

［62］李海濤，朱錫，王路，等.球面沖擊波作用下船體梁整體運動的簡化理論模型［J］.爆炸與沖擊，2010，30（1）：85－90.

LI H T，ZHU X，WANG L，et al.A simplified theory model for bulk movement of ship－like beams subjected to spherical shockwaves［J］.Explosion and Shock Wave，2010，30（1）： 85－90.

［63］SANTIAGO L D.Fluid－interaction and cavitation effects on a surface ship model due to an underwater explosion［R］.ADA320830， Monterey， CA： Naval Postgraduate School，1996.

［64］WOOD S L.Cavitation effects on a ship－like box structure subjected to an underwater explosion［R］.ADA-354937，Monterey，CA：Naval Postgraduate School，1998.

［65］SPRAGUE M A，GEERS T L.A spectral－element／finiteelement analysis of a ship－like structure subjected to an underwater explosion［J］.Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering，2006，195（17/18）：2149－2167.

［66］LIANG C C， TAI Y S.Shock responses of a surface ship subjected to noncontact underwater explosions［J］.Ocean Engineering，2006，33（5/6）：748－772.

［67］張振華，王乘，朱錫，等.潛艇艇體結(jié)構(gòu)在水下爆炸沖擊載荷作用下?lián)p傷研究［J］.振動與沖擊，2005，24（5）：81－85.

ZHANG Z H，WANG C，ZHU X，et al.Damage analysis of submarine structure subjected to underwater blast loading［J］.Journal of Vibration Shock，2005，24（5）：81－85.

［68］黃國兵，趙耀，胡剛義.潛艇典型艙段水下爆炸動態(tài)響應(yīng)分析［J］.振動與沖擊，2007，26（10）：118－125.

HANG G B，ZHAO Y，HU G Y.Dynamic response of a typical submarine compartment subjected to underwater explosion［J］.Journal of Vibration and Shock，2007，26（10）：118－125.

［69］姚熊亮，劉東岳，張阿漫，等.潛艇結(jié)構(gòu)水下爆炸動態(tài)響應(yīng)仿真研究［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2008，29（9）：902－906.

YAO X L，LIU D Y，ZHANG A M，et al.Simulating the dynamic response of submarine structures subjected to underwater explosions［J］.Journal of Harbin Engineering University，2008，29（9）：902－906.

［70］朱錫，張振華，劉潤泉，等.水面艦艇舷側(cè)防雷艙結(jié)構(gòu)模型抗爆試驗研究［J］.爆炸與沖擊，2004，24（2）：133－139.

ZHU X，ZHANG Z H，LIU R Q，et al.Experimental study on the explosion resistance of cabin near shipboard of surface warship subjected to underwater contact explosion［J］.Explosion and Shock Waves，2004，24（2）：133－139.

［71］陳衛(wèi)東，于詩源，王飛，等.多層板殼結(jié)構(gòu)在水下接觸爆炸載荷作用下的試驗研究［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2009，30（1）：19－22.

CHEN W D，YU S Y，WANG F，et al.Experimental study of multilayer shell structures in underwater contact explosions［J］.Journal of Harbin Engineering University，2009，30（1）：19－22.

［72］張振華，王乘，黃玉盈，等.艦船底部液艙結(jié)構(gòu)在水下爆炸作用下的動態(tài)響應(yīng)實驗研究［J］.爆炸與沖擊，2007，27（5）：431－437.

ZHANG Z H，WANG C，HUANG Y Y.Experiment research of the dynamic response of fluid cabin in the bottom of warship subjected to underwater explosion［J］.Explosion and Shock Waves，2007， 27（5）：431－437.

［73］李磊，馮順山，董永香，等.水下爆炸對船底結(jié)構(gòu)毀傷效應(yīng)的數(shù)值仿真［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2007，29（1）：91－94.

LI L，F(xiàn)ENG S S，DONG Y X，et al.Numerical simulation of damage effect to bottom construction subjected to underwater explosion［J］.Ship Science and Technology，2007，29（1）：91－94.

Review on Response of Warship Structures Subjected to a Close Underwater Explosion

Tang Ting1，2Zhu Xi2Wei Zhuo－bin1Hou Hai－liang2

1 Tianjin Campus， Naval University of Engineering， Tianjin 300450， China 2 College of Naval Architecture and Power， Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China

By reviewing the response of warship structures subjected to a close underwater explosion， the theoretic，experimental and numerical study developments on loading of close underwater explosion were illustrated， and the fluid－structure interaction and response of plates， cylindrical shells， beams and warship structures subjected to a close underwater explosion were summarized.Four aspects that should be studied urgently were presented as follows：characteristics of underwater explosion loading in complex boundary conditions， simulation of impact destroy of structures， comparability of models test， and response of new materials and structures to close underwater explosion.

explosive mechanics； underwater explosion； response of structure；review

U674.703，O383.1

A

1673－3185（2012）02－01－08

10.3969/j.issn.1673-3185.2012.02.001

2011-08-02

中國博士后基金項目（20100471794）

唐 廷（1980－），男，博士。研究方向：武器效應(yīng)與工程防護。E-mail：kublai＠126.com

朱 錫（1983－），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：船舶抗爆炸沖擊及裝甲防護技術(shù)。E-mail：zhuxi816＠163.com

唐 廷。

［責(zé)任編輯：喻 菁］