水下爆炸波對空心圓桶側(cè)壁沖擊的數(shù)值模擬研究

劉小飛 龍偲 湘潭大學(xué) 湖南湘潭 411105 杜才卓 中北大學(xué) 山西太原 030051

軍艦作為海上的移動作戰(zhàn)平臺，從它問世之日起，就面臨著敵方各種武器攻擊爆炸所帶來的沖擊威脅。而且在現(xiàn)代的海戰(zhàn)中，隨著水中兵器、導(dǎo)彈以及激光彈的快速發(fā)展，炸藥當(dāng)量及沖擊持續(xù)時間的顯著增加，精確的制導(dǎo)技術(shù)使武器命中率有了很大的提高，艦船的受沖擊環(huán)境變得進(jìn)一步惡劣，如何提高船體的抗沖擊能力，將會直接決定艦船在戰(zhàn)斗中的戰(zhàn)斗力以及生命力，必須加以重視。 水下爆炸是對軍艦等水中航行器造成毀壞的重要手段之一，但是水下爆炸對艦船毀壞效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)操作復(fù)雜，理論分析也難于進(jìn)行，所以運(yùn)用仿真軟件研究水下爆炸對艦船的損傷效應(yīng)具有很重要的實(shí)際意義。

本文主要是以軍艦受水下爆炸為軍工背景，建立了形炸藥及空心圓桶側(cè)壁的三維有限元模型，運(yùn)用AUTODYN進(jìn)行了數(shù)值仿真，建立炸藥和水的一維鍥形模型，在爆炸即將到達(dá)桶壁時停止計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果保存，之后將其映射到三維模型中去，設(shè)置高斯點(diǎn)，進(jìn)行流固耦合，再進(jìn)行計(jì)算，分析空心圓桶的動態(tài)響應(yīng)，得到爆炸沖擊波作用下模型的云圖，各參變量的曲線圖，對曲線圖以及云圖進(jìn)行分析。

1 水下爆炸基本理論以及沖擊波研究基本理論

1.1 水下爆炸基本理論

爆炸是物質(zhì)狀態(tài)急劇的物理或化學(xué)轉(zhuǎn)變過程，并伴隨著運(yùn)動和能量的釋放。爆炸問題可以分為內(nèi)部問題、外部問題、混合問題及邊界問題。

水下爆炸是一個相當(dāng)復(fù)雜的能量轉(zhuǎn)換的物理過程，其載荷可分為沖擊波載荷和氣泡載荷兩大部分。一般，沖擊波載荷具有高頻特性，能對軍艦的結(jié)構(gòu)造成非常嚴(yán)重的局部的毀傷，而氣泡運(yùn)動引起的滯后流和脈動壓力，呈現(xiàn)低頻特性，對軍艦造成總體毀傷，危及軍艦的總縱強(qiáng)度，且氣泡坍塌形成的高速射流還將引起其結(jié)構(gòu)的局部破壞。水下爆炸對軍艦的毀傷作用主要包括對船體的直接沖擊損傷、對技術(shù)設(shè)備的沖擊振動損傷和對人員的沖擊振動殺傷三個方面。

1.2 爆炸波的形成

1.3 水下爆炸對艦船沖擊的動態(tài)響應(yīng)

水下爆炸對艦船各部分的沖擊所造成的損傷是不同的，水下炸彈對水面艦船的沖擊是自下而上進(jìn)行傳播的，隨著高度的上升，沖擊波逐漸衰減，越往上艦船結(jié)構(gòu)受到的沖擊越小，如果艦船上設(shè)備的固有頻率太低，有可能造成共振，以至于造成更大的影響。

2 水下爆炸波對空心圓桶側(cè)壁沖擊模型建立

在水中有一空心圓桶，直徑400mm，高800mm，桶壁厚30mm,材料為AL5083H116(塑形失效應(yīng)變0.5，侵蝕幾何應(yīng)變2.0)，桶內(nèi)為空氣，距離桶壁側(cè)面中心100mm處有一直徑為50mm的球形炸藥，起爆點(diǎn)在球心處。

3 爆炸波作用下空心圓桶側(cè)壁的動態(tài)響應(yīng)分析

有效應(yīng)力時間曲線圖：

1到5高斯點(diǎn)距離炸藥最近，1觀測點(diǎn)有效應(yīng)力隨時間增加的最快，峰值也最高，這幾個點(diǎn)的應(yīng)力都是爆炸開始后應(yīng)力迅速到達(dá)峰值，然后做有規(guī)律的振蕩6到10高斯點(diǎn)有效應(yīng)力曲線波動類似，都隨爆炸進(jìn)行然后有效應(yīng)力迅速達(dá)到峰值，然后振蕩下降。

圖3 .12 Gauge#11，#12有效應(yīng)力

圖3 .13 Gauge#13有效應(yīng)力

圖3 .14 Gauge#15有效應(yīng)力

可以看到在xy平面上的觀測點(diǎn)有效應(yīng)力隨時間的增加速度最快，沿z軸距離xy平面越遠(yuǎn)應(yīng)力隨時間增加的速度越慢。

3.2 速度時程曲線圖

觀察三組高斯點(diǎn)在X ，Y，Z方向上的速度曲線圖可以發(fā)現(xiàn)：

（1）在X方向上的速度時程圖上，距離xy平面越近的點(diǎn)其速度變化的越大，距離xy平面越遠(yuǎn)速度變化的越慢，Gauge#1的速度峰值最大。

（2）一觀測點(diǎn)在x方向上的速度有這樣的特點(diǎn)：爆炸開始后迅速達(dá)到自己的峰值110m/s左右，然后隨著爆炸的進(jìn)行，震蕩下降，最后降到20m/s，其他觀測點(diǎn)都是爆炸后速度沿著x軸正向逐漸增加到峰值，之后都是振蕩下跌。

（3）各觀測點(diǎn)在Y,Z方向上的速度時程圖上，各觀測點(diǎn)的速度方向并不一致，但基本都是有規(guī)律的振蕩，圖形非常復(fù)雜且不具有觀測價值，所以本文只觀測x方向上的速度時間圖。

3.3 能量時程圖

圖4.23 Gauge#1#2#3#4能量

圖4 .24 Gauge#5能量

圖3 .21 Gauge#6到#10能量

圖3 .22 Gauge#611到#13能量

第1個，第2個高斯點(diǎn)能量較高，在0.5ms內(nèi)迅速達(dá)到了5000左右，其他點(diǎn)的能量峰值與之相比差別很大，第5高斯點(diǎn)的峰值就降到了90左右可以確定隨著離炸藥距離的逐漸變大，爆炸能量迅速衰減，沿z軸方向來看，5個高斯點(diǎn)距離xy平面越遠(yuǎn)，其能量峰值越小，能量隨時間變化的越慢，以往實(shí)驗(yàn)研究表明距離起爆點(diǎn)距離達(dá)到炸藥半徑的10倍時，能量迅速衰減到起爆中心的1/100，仿真結(jié)果和這個理論符合的很好。而且根據(jù)能量到達(dá)峰值的時間可以看出：在0.5ms時爆炸波剛剛到達(dá)桶壁。

4 總結(jié)

整個過程中涉及到了有限元的理論知識，流固耦合模型理論以及AUTODYN的基本操作，主要是在一維里先進(jìn)行計(jì)算，然后再將一維的計(jì)算結(jié)果映射到三維模型中，在三維模型中設(shè)置高斯點(diǎn)，建立流固耦合，設(shè)置邊界條件，繼而進(jìn)行計(jì)算。通過仿真得到結(jié)論：

（1）隨著爆炸距離的增加，爆炸波的沿x軸的速度先是迅速增加到100m/s，接著迅速減小之后上下小幅度波動趨于穩(wěn)定，爆炸波隨著時間傳播，傳播到的地方受到的沖擊最大。

（2）距離炸藥中心越近的地方其應(yīng)力的峰值越高，所承受的應(yīng)變越大。

（3）爆炸產(chǎn)生的能量有一個逐漸攀升積累的過程，但不是有規(guī)律的攀升，這說明能量的釋放不是一瞬間完成的，可以將爆炸理解成幾個階段的能量釋放。