編者按：
水下爆炸問題非常適合用數(shù)值仿真手段來進行研究，Abaqus提供了專門的水下爆炸計算方法。本文由我們團隊的許工整理，如果你也有水下爆炸模擬方面的問題和建模需求，歡迎聯(lián)系我們“水木人CAE”。
水下爆炸問題介紹
水下爆炸指的是在水中很小的區(qū)域有大量的能量（爆炸源）突然釋放的過程，從而對周圍的物體產(chǎn)生巨大的毀傷。水下爆炸大致可以分為四個主要過程：
炸藥的爆轟，
沖擊波的形成和傳播，
氣泡的脈動和上浮，
以及沖擊波在與自由水面和結構的相互作用下產(chǎn)生的空化，由此對結構造成的二次加載。
簡而言之，水下爆炸主要是通過直接接觸的爆轟，以及后續(xù)產(chǎn)生的三種主要非接觸的爆炸載荷沖擊波、氣泡和空化對周圍物體造成的毀傷。
水下爆炸往往會引起非常嚴重的后果，因此，對比試驗，數(shù)值仿真是非常安全高效的研究方法。
Abaqus中提供了兩種計算水下爆炸問題的方法：“散波”法和“總波”法。“總波”法爆炸點須位于水域模型的外部，且它可以考慮到空化效應的影響，所以總波法比較適合模擬中遠場爆炸。在近場爆炸中，由于爆炸時間短，氣泡脈動和空化產(chǎn)生的加載可以忽略，主要是考察沖擊波造成的結構毀傷效應，所以可以采用“散波”法進行模擬。
有限元模型建立
本文使用SolidWorks創(chuàng)建一艘簡易的交通艇3D模型，并且創(chuàng)建半徑近似船半寬6倍的水域模型，以此模型分別采用“散波”法和“總波”法模擬炸藥在不同爆距下，交通艇毀傷情況。前處理采用HyperWorks對模型進行網(wǎng)格劃分，后續(xù)再導入Abaqus進行設置和計算。船體的主要材料部分參數(shù)和炸藥的部分參數(shù)如下：
圖1. 交通艇3D模型圖
圖2. 網(wǎng)格模型圖
表1. 船、水域和炸藥參數(shù)信息
圖3. 爆炸點位置
在近場爆炸中，從5米到30米，每隔一段距離設置一個爆炸點，采用“散波”法模擬，得出不同爆距下的船體毀傷情況，以下列出3種典型的毀傷模式。
近場爆炸仿真結果
從數(shù)值仿真結果可以看到，在爆距5米的工況下，沖擊波的波前到達船底的時候，船底外板迅速拱起，發(fā)生極為明顯的塑性變形，此變形為塌底變形，是一種局部的大變形，由于變形非常劇烈，極易引起船體結構上的撕裂和破洞，如圖4所示。
圖4. 爆距5米下，塌底變形毀傷模式
在爆距為15米的情況下，隨著爆距的增大，船體外板變形減小，但依然有微微拱起和外板明顯的內(nèi)凹現(xiàn)象，如圖5可見，船體內(nèi)部橫艙壁和縱艙壁的輪廓都清晰可見印在船體外板上，形成類似船舶焊接過程中出現(xiàn)的“瘦馬現(xiàn)象”變形。
圖5. 爆距15米下，瘦馬變形毀傷模式
在爆距為30米的工況下，距離已經(jīng)較遠了，船體由于沖擊波的作用下，出現(xiàn)了內(nèi)凹現(xiàn)象的毀傷模式，產(chǎn)生了部分船體的塑性變形，如圖6所示。
圖6 爆距30米下，內(nèi)凹變形毀傷模式
考慮空化效應的仿真結果
隨著爆距的不斷增大，空化效應對結構毀傷的影響不再是不可忽略，對此，采用“總波”法模擬在爆距40米的工況下，模擬出船體毀傷情況。從圖7所示可見，船體結構產(chǎn)生了一定程度的塑性變形，此變形與內(nèi)凹變形非常相似。從圖8所示可見，在爆炸的瞬間，沖擊波瞬間達到船體，從而對船體產(chǎn)生毀傷。
圖7.爆距40米下，船體毀傷模式
圖8 沖擊波動畫（截面）
圖9 通過等值面顯示的沖擊波動畫
在仿真中定義空化壓力為零，即當絕對壓力為零時，此區(qū)域為空化區(qū)域，如圖10所示可見，在船體周圍會產(chǎn)生空化效應，然后隨著時間的增加，空化開始潰滅，空化潰滅時，會對結構產(chǎn)生二次加載，且此壓力可以達到和沖擊波相同量級。
圖10 爆距40米時，產(chǎn)生的空化效應
[參考文獻]
宗智, 趙延杰, 鄒麗. 水下爆炸結構毀傷的數(shù)值計算. 北京：科學出版社，2014.6
聯(lián)系客服
