研究艦船水下爆炸的破壞效應(yīng)對(duì)于提高艦船的生命力和戰(zhàn)斗力具有非常重要的工程應(yīng)用價(jià)值。
藥包在水中爆炸后首先產(chǎn)生沖擊波，沖擊波的壓力波峰以指數(shù)的形式衰減；同時(shí)，炸藥變成高壓的氣體爆炸生成物，氣泡在周圍水介質(zhì)的作用下，膨脹和壓縮，產(chǎn)生滯后流和一次或多次脈動(dòng)壓力；沖擊波到達(dá)自由面后，在一定的水域內(nèi)產(chǎn)生很多空泡層，當(dāng)上層的表面水層在大氣壓力和重力的作用下下落時(shí)，由于比其下層的空泡層的加速度大，便與空泡層相碰，并繼續(xù)下落，當(dāng)表層水與下部的未空化的水發(fā)生碰撞時(shí)，便產(chǎn)生了水錘效應(yīng)。
試驗(yàn)表明：氣泡水下爆炸沖擊波、氣泡脈動(dòng)壓力和射流、以及空泡水錘效應(yīng)是水下非接觸爆炸艦船破壞的三種主要載荷。
ANSYS AUTODYN軟件是ANSYS收購(gòu)的一個(gè)顯式有限元分析程序，用來(lái)解決固體、流體、氣體及相互作用的高度非線性動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，它提供很多高級(jí)功能，具有濃厚的軍工背景，尤其在水下爆炸、空間防護(hù)、戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)等領(lǐng)域有其不可替代性。該軟件在國(guó)際軍工行業(yè)占據(jù)80％以上的市場(chǎng)。本文僅僅討論ANSYS AUTODYN軟件在艦船抗爆性能方面的特色功能。
高精度的求解器
ANSYS AUTODYN早期的一階Euler方法是基于Hancock(1976)發(fā)展的，1995年，ANSYS AUTODYN引入了高階Euler求解技術(shù)：多物質(zhì)Euler-Godunov（Van Leer 1977）和單物質(zhì)Euler-FCT（Zalesak 1979）求解器，極大地豐富了ANSYS AUTODYN的流體求解功能。普通的一階Euler方法主要用于解決流固耦合、氣固耦合問(wèn)題；而高階多物質(zhì)Euler-Godunov求解器主要用于模擬爆轟波的形成、傳播以及對(duì)結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)等，還可以模擬氣泡的膨脹、壓縮和射流的形成以及空泡水錘效應(yīng)、淺水效應(yīng)等；高階單物質(zhì)Euler-FCT求解器主要用來(lái)進(jìn)行計(jì)算爆轟波的傳播，在計(jì)算效率上，由于不考慮物質(zhì)的輸送所以要比Euler-Godunov快。
由于ANSYS AUTODYN采用比普通一階Euler更精確的高階Euler求解技術(shù)，所以在水下爆炸模擬中能更接近試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果如圖1、2所示：
圖1 用Euler-Godunov求解器模擬水下爆炸沖擊波傳播及圓筒結(jié)構(gòu)響應(yīng)
圖2 試驗(yàn)值與數(shù)值計(jì)算結(jié)果比較
計(jì)算結(jié)果映射（Remap）技術(shù)
傳統(tǒng)的某些顯式有限元軟件雖然能夠模擬爆炸沖擊波與結(jié)構(gòu)的相互作用，然而計(jì)算資源大量消耗在流體單元中，因此只能進(jìn)行近場(chǎng)爆炸局部結(jié)構(gòu)的破壞，對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)爆炸以及整船的爆炸動(dòng)響應(yīng)計(jì)算非常困難，難以在工程中應(yīng)用。
ANSYS AUTODYN提供的Remap技術(shù)，可以把三維計(jì)算問(wèn)題的某初始時(shí)間段在一維中模擬，然后把一維結(jié)果映射到三維數(shù)模中再繼續(xù)求解。
ANSYS AUTODYN的 Remap技術(shù)在水下爆炸中應(yīng)用的具體思路是：由于炸藥爆炸后形成的沖擊波在自由場(chǎng)中的傳播是球?qū)ΨQ的（當(dāng)沖擊波到達(dá)自由表面、底部或遇到結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)形成反射區(qū)，此時(shí)，沖擊波的波陣面不再球面對(duì)稱），因此，炸藥的起爆以及沖擊波在自由場(chǎng)中的傳播可以在一維場(chǎng)中計(jì)算，當(dāng)沖擊波將到達(dá)結(jié)構(gòu)或界面時(shí)，再把一維的計(jì)算結(jié)果映射到三維模型中繼續(xù)計(jì)算，因此，避免計(jì)算資料過(guò)多地消耗在流體單元上，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)爆炸及整船動(dòng)態(tài)響應(yīng)計(jì)算。
圖3為Remap技術(shù)在水下爆炸中的應(yīng)用，首先建立球?qū)ΨQ一維楔形爆轟模型以計(jì)算沖擊波的傳播，然后再Remap到三維模型中繼續(xù)計(jì)算沖擊波的傳播以及與結(jié)構(gòu)的相互作用。
圖3 ANSYS AUTODYN的 Remap技術(shù)在水下爆炸中的應(yīng)用
部件（PART）激活、抑止技術(shù)
艦載設(shè)備抗沖擊安全性的強(qiáng)弱直接影響艦船的戰(zhàn)斗力和生命力。沖擊波和氣泡脈動(dòng)、空泡水錘效應(yīng)等對(duì)艦船結(jié)構(gòu)的影響是瞬間的，而設(shè)備在沖擊載荷下的響應(yīng)時(shí)間卻是很長(zhǎng)的，達(dá)到幾秒或十幾秒；另一方面，當(dāng)我們獲得船體的沖擊載荷后再研究設(shè)備的抗沖擊性能，水的存在對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響微乎其微。因此，我們有必要在某個(gè)時(shí)刻把流體這個(gè)部件抑止，不讓其參與計(jì)算，從而提高計(jì)算效率。ANSYS AUTODYN利用這種激活技術(shù)以減少整個(gè)有限元模型的計(jì)算時(shí)間。圖4為射流對(duì)靶板結(jié)構(gòu)的沖擊模擬，在射流形成前靶板被抑止，當(dāng)射流形成并將到達(dá)靶板時(shí)，靶板被激活。
圖4 ANSYS AUTODYN的部件激活、抑止技術(shù)
豐富的材料模式及材料庫(kù)
通常，材料在動(dòng)態(tài)載荷下的響應(yīng)非常復(fù)雜，比如：
* 非線性壓力響應(yīng)
* 應(yīng)變及應(yīng)變率硬化
* 熱軟化
* 各向異性材料屬性
* 拉伸失效
* 復(fù)合材料破壞
根據(jù)不同問(wèn)題，ANSYS AUTODYN 提供了狀態(tài)方程、強(qiáng)度模型、失效/破壞模型、侵蝕模型等多種材料模型 供用戶來(lái)模擬材料的動(dòng)態(tài)響應(yīng)行為。
此外，ANSYS AUTODYN內(nèi)嵌有近300種軍工行業(yè)常用的材料，如：空氣、鋁、鐵、硅、銅、黃金、各種合金屬、炸藥、沙子、水、玻璃、橡膠、尼龍、混凝土等，這些材料均有現(xiàn)成的參數(shù)，無(wú)需用戶再定義，為用戶提供了極大的方便。
用戶在進(jìn)行水下爆炸分析時(shí)，可以在ANSYS AUTODYN材料庫(kù)中選擇合適的炸藥、水、空氣以及結(jié)構(gòu)材料模型及參數(shù)。
并行求解技術(shù)
ANSYS AUTODYN提供兩種并行求解技術(shù)：SMP（共享內(nèi)存式并行）和MPP（分布式并行）。經(jīng)測(cè)試其并行加速比和擴(kuò)充性能良好，已在實(shí)際大規(guī)模工程仿真分析中獲得了廣泛的應(yīng)用。在解決遠(yuǎn)場(chǎng)水下爆炸等大規(guī)模問(wèn)題時(shí)，可充分利用ANSYS AUTODYN優(yōu)異的并行計(jì)算技術(shù)來(lái)提高分析效率。
ANSYS AUTODYN水下爆炸典型應(yīng)用
1、爆炸沖擊波的傳播及對(duì)艦船結(jié)構(gòu)的沖擊影響
圖5顯示的是水下爆炸對(duì)水面艦艇的沖擊仿真過(guò)程。爆轟沖擊波在水和空氣兩種介質(zhì)中傳播，并與船體發(fā)生耦合，船體側(cè)舷在沖擊波的作用下發(fā)生了明顯的變形，本次分析采用的是Euler-Godunov算法。
圖5 水下爆炸對(duì)艦艇的結(jié)構(gòu)沖擊
2、 氣泡脈動(dòng)的模擬
有研究表明，爆炸沖擊波過(guò)后，爆炸產(chǎn)物形成的氣泡含有47％的能量，在周圍水介質(zhì)的作用下膨脹和壓縮，產(chǎn)生滯后流和脈動(dòng)壓力，對(duì)艦船縱向總體產(chǎn)生屈曲破壞和大變形，并引起低頻安裝設(shè)備的破壞。ANSYS AUTODYN的高階Euler求解器能精確地模擬氣泡的膨脹、壓縮和潰滅以及氣泡收縮形成的射流。
圖6 氣泡脈動(dòng)時(shí)歷云圖
圖7 距爆心30cm測(cè)量點(diǎn)的壓力時(shí)歷曲線
ANSYS AUTODYN高精度的Euler求解器、豐富的材料模式、完全的Euler-Lagrange耦合算法、結(jié)果映射Remap技術(shù)、部件激活技術(shù)以及完善的并行求解技術(shù)等，極大地提高了水下爆炸數(shù)值模擬的精度和效率，從而贏得了眾多軍工用戶的好評(píng)。
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