（工程力学专业论文）水下爆炸数值模拟研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 为提高水下爆炸数值模拟的精度，本文探讨了边界条件、网格密度对近场条件下的水 下爆炸计算结果产生的影响，分析了在有限的计算条件下进行水下爆炸三维计算的可行 性，为本文的水下爆炸数值计算提供依据。 本文应用l s d y n a 有限元程序中的拉格朗日算法对假设的一维柱对称计算模型进行 计算，模拟了水下爆炸的冲击波及气泡脉动过程，定性的研究了冲击波传播及气泡脉动的 规律以及装药深度对水下爆炸冲击波、气泡脉动所产生的影响。 应用a u t o d y n 动力学软件中的欧拉算法对二维轴对称计算模型进行计算，模拟了小 药量炸药的水下爆炸冲击波传播过程，得到了距离爆炸中心不同距离处的压力时程曲线、 冲击波峰值压力、冲击波压力冲量以及冲击波能，并与经验值进行比较，结果符合较好。 通过二维计算，研究了两种起爆方式、两种装药形状、不同材料的炸药外壳及不同厚度的 壳体对水下爆炸冲击波各参数所产生的影响。 关键词：水下爆炸，冲击波，气泡脉动，装药深度，壳体，数值模拟 第i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t p a c t i no r d e rt o i m p r o v et h en u m e r i c a ls i m u l a t i o np r e c i s i o no fu n d e r w a t e re x p l o s i o ni n n e a r - f i e l d ，s o m ep a r a m e t e r sw h i c hh a v ee f f e c to nt h es i m u l a t i o n , s u c ha sb o u n d a r yc o n d i t i o n , e l e m e n td e n s i t yw e r ea n a l y z e d ，n l ef e a s i b i l i t yo ft h r e e - d i m e m i o nn u m e r i c a ls i m u l a t i o no f u n d e r w a t e re x p l o s i o nw i t hl i m i t e dc o m p u t i n gc o n d i t i o nw a sa n a l y z e 也f o rc a r r y i n go u tt h en e x t s i m u l a t i o n se f f e c t i v ei nt h et h e s i s b yu s i n gl s d y n af e ms o f t w a r e t h ec o m p u t a t i o n a lm o d e lo fo n e d i m e n s i o n a l u n d e r w a t e rc y l i n d r i c a le x p l o s i o nw a sp r o p o s e da n dt h eu n d e r w a t e rs h o c kw a v ea n db u b b l e p u l s a t i o nn u m e r i c a ls i m u l a t i o n sw e r ed o n e r e f e r r i n gt oc h a r g ed e e p n e s s ，t h ei n f l u e n c eo fs h o c k w a v ea n db u b b l ep u l s a t i o nw e r es t u d i e d b yu s i n ga u t o d y nd y n a m i c sp r o g r a m ，t h et w o - d i m e n s i o nn u m e r i c a ls i m u l a t i o no f u n d e r w a t e re x p l o s i o nw a sp r o p o s e da n dt h es h o c kw a v eo fu n d e r w a t e re x p l o s i o nw a sd o n e 1 1 呛 c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fs h o c kw a v es u c ha sp r e s s u r et i m eh i s t o r i e s ，p e 出p r e s s u r ea n ds h o c k w a v ei m p u l s ea n ds h o c kw a v ee n e r g yw e r ed e p e n d a b l eb yc o m p a r i n gs i m u l a t i o nr e s u l t sw i t h e m p i r i c a lr e s u l t s r e f e r r i n gt ot w op r i m i n gm e t h o d s ，t w oc h a r g i n gs t r u c t u r e ，d i f f e r e n tm a t e r i a l s o fs h e l la n dd i f f e r e n ts h e l lt h i c k n e s s , t h ei n f l u e n c eo ft h ec h a r a c t e r i s t i c sp a r a m e t e r so fs h o c k w a v ew e r ei n v e s t i g a t e d k e yw o r d s ：u n d e r w a t e re x p l o s i o n ；s h o c kw a v e ；b u b b l ep u l s a t i o n ；c h a r g e d e e p n e s s ；s h e l l ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 第i i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图2 1 图3 1 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图4 1 7 图4 1 8 图4 1 9 图4 2 0 图4 2 1 图4 2 2 图4 2 3 图4 2 4 图4 2 5 图4 2 6 图4 2 7 图4 2 8 图4 2 9 图4 3 0 图4 3 1 图4 3 2 图目录 水下爆炸压力全波形。7 壳网格。1 5 计算模型1 7 三种不同的边界条件下距爆心不同距离处的水下爆炸压力曲线1 9 四种网格距爆心5 0 c m 和l o o c m 处的计算压力波形2 0 有限元模型假设2 2 装药深度为6 6 m 情况下的冲击波压力波形2 3 装药深度为6 6 m 情况下的气泡膨胀的半径和时间的关系2 4 柱状装药深6 6 m 与3 k g 球状n 盯经验冲击波参数的比较2 5 不同装药深度下距爆心3 m 处的压力时程曲线2 6 不同装药深度下距爆心不同位置处的压力时程曲线2 6 不同装药深度处气泡膨胀半径与时间的关系。2 7 装药深度为4 6 2 4 m 处气泡边界面的压力和水中压力随时间的变化关系2 7 不同装药深度下对应爆心距处的冲击波强度。2 8 不同装药深度下对应爆心距处的冲击波指数衰减时间常数。2 8 不同装药深度下对应爆心距处的冲击波压力冲量。2 9 不同装药深度下对应爆心距处的冲击波能流密度。2 9 气泡脉动参数与初始静压的关系曲线。3 0 计算模型。3 3 0 5 、1 o m s 处的压力图3 4 距爆心0 4 0 m 处的冲击波压力曲线及与经验值的比较3 5 冲击波峰值压力、压力冲量、冲击波能计算值与经验值的比较图。3 6 中心点起爆和上端点起爆的示意图3 7 球形炸药上端点起爆和中心起爆在y 轴上的冲击波峰值压力的比较3 7 端点起爆和中心点起爆在y 轴上的冲击波压力冲量的比较3 8 端点起爆和中心点起爆在y 轴上的冲击波能流密度的比较3 8 计算模型3 9 球形装药与等边圆柱形装药在x 、y 轴上的峰值压力的比较3 9 不同炸药距爆心l m 位置的压力时程曲线4 l 不同炸药对应爆心距处的冲击波压力峰值。4 1 不同炸药对应爆心距处的冲击波压力冲量4 2 不同炸药对应爆心距处的冲击波能4 2 计算模型4 3 0 2 、0 4 、0 6 、0 8 m s 处的压力图4 5 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图4 3 3不同爆心距位置的压力时程曲线4 6 图4 3 4 有不同壳体材料的炸药对应爆心距处的冲击波压力峰值4 7 图4 3 5 有不同壳体材料的炸药对应爆心距处的冲击波压力冲量4 7 图4 3 6 不同壳体材料的炸药对应爆心距处的冲击波能流密度4 7 图4 3 7 不同爆心距位置的压力时程曲线。4 9 图4 3 8 有不同厚度壳体的炸药对应爆心距处的水下爆炸冲击波峰值压力4 9 图4 3 9 有不同厚度壳体的炸药对应爆心距处的水下爆炸冲击波压力冲量5 0 图4 4 0 有不同厚度壳体的炸药对应爆心距处的水下爆炸冲击波能流密度5 0 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 表目录 表2 1 水中爆炸能量分配表6 表2 2 几种炸药的经验系数毛a ，厶朋，和y 9 表4 1 不同水深( 初始静压) 下的气泡脉动参数2 9 表4 2 炸药爆轰产物状态方程参数4 0 表4 3g r u n e i s e n 状态方程的参数4 3 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：盔王龌煌熬焦搓赵珏窀 学位论文拓者签名：1 骂d 里叁日期：加7 年，月，扩日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印，缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目：盔王埋煌数焦搓拯盈究 学位论文作者签名： 兰3 蝼日期：知7 年， 月，扩日 作者指导教师薪：l 墨苤叠 日期：刀刃年，7 月，万日 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 本课题研究的目的和意义 对水下爆炸效应及其环境中物体结构响应问题的研究历来都是各国军方关注的重要 的研究项目。早在上世纪四十年代，国外就在这一领域进行了系统的研究，在理论分析和 试验研究中取得了重大的进展，并在水下结构设计中得以应用。在军事上，对水下爆炸现 象及其载荷作用的深入研究可以保证舰船的安全和正常使用、提高舰船的生命力；在民用 工业上，对水下爆炸的研究可以用于挖凿河道、破暗礁开航道以及爆炸成形等。因此，研 究水下爆炸对军事和民用工业都具有十分现实的意义。 水下爆炸的研究方法普遍采用理论研究( 解析法) ，试验和数值法。水下爆炸过程非 常复杂，只有少数问题存在解析解。水下爆炸试验研究周期长、耗费多、成功率低，且大 多属于破坏性实验，测试所获得的数据有限。近年来，随着计算机性能的迅速提高和数值 计算科学的深入发展，水下爆炸冲击响应的数值模拟越来越受到重视，大型水下爆炸冲击 试验大多仅用于验证和检验数值计算的可行性与精度。为此，各国纷纷投入大量经费进行 水下爆炸冲击响应数值模拟的研究以减少武器系统试验和水下目标结构设计的费用，并逐 步取代水下爆炸试验。随着计算技术的逐步成熟以及计算能力的不断增强，世界上相继开 发了一些大型商业有限元程序用于水下爆炸的数值模拟，如n a s t r a n 、a d i n a 、d y n a 、a s k a 、 d y t r a n 等。通过数值模拟，不仅可以大量的减少试验工作量，而且还可以模拟分析试验无 法达到的环境条件。因此借助先进的水下爆炸分析软件不仅可以精确的模拟水下冲击环境 以及水下结构和目标的冲击响应，获得很多水下冲击试验无法测得的数据，而且可以大大 节省水下目标结构、武器系统的研制费用，缩短研制周期，还可以把研究工作做得更深入、 更系统、更完善。 1 2 水下爆炸研究领域发展的历史和现状 自从第一次世界大战以来，水下爆炸一直受到世界各国的广泛重视。第二次世界大战 以后，人们就开始对水下爆炸进行了比较系统的研究，特别是美国海军对水下爆炸现象进 行了广泛的研究，当时主要是从军事角度着重分析水下爆炸现象及水下爆炸对舰船的破坏 效应。世界各国的研究者大都以球形装药在水下爆炸产生的冲击波为主要研究对象，对其 形成、传播、衰减的规律以及对水中目标的毁伤效应进行了研究。 水下爆炸的研究方法普遍采用理论研究( 解析法) ，试验和数值法。p 库尔在1 9 4 8 年编 写了 水下爆炸一书，他在书中总结了当时有关水下爆炸的试验及理论研究的主要成果， 介绍了水下爆炸的现象、物理及化学变化特性、水下爆炸载荷传播及分布特点、水下爆炸 的试验研究方法及水下爆炸载荷测试技术，并从理论上探讨了水下爆炸机理【l l 。虽然该书 是水下爆炸这一领域的早期综合性著作，但仍是目前研究水下爆炸最权威的著作，书中所 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 引用的资料以及他的定性定量分析仍然有很重要的参考价值。对于水下爆炸的试验研究， 尽管试验技术发展很快，但这种研究方法主要是通过对试验测试数据分析之后得到的一些 半经验半理论的公式，难以完整的揭示水下爆炸现象的本质。2 0 世纪6 0 年代以后，水下 爆炸的数值计算工作发展很快，美国原子能委员会洛斯阿拉莫斯实验室，进行了大量的爆 炸力学数值计算工作，采用二维不定常流体和流体弹塑性模型编制了许多实用程序，开创 了爆炸力学数值计算工作的先河 2 1 。近年来，随着计算理论和计算方法的逐步完善，通过 数值计算的方法研究水下爆炸问题已经成为了现实，并得到了与实际情况相符的数值模拟 结果。就水中爆炸研究而言，目前国内外都趋向于理论分析、试验研究和数值计算三种方 法有机结合的综合性探索嘲。 1 2 1水下爆炸理论分析的发展现状 多年来，人们积极开展水下爆炸的理论研究，有关理论研究方面的工作，主要涉及水 中冲击波、气泡膨胀特性、气泡脉动周期以及水中结构响应等。目前水下爆炸引起的船体 和水下结构弹性变形的分析方法已经比较成熟，水下爆炸流场与船体的弹塑性耦合分析也 已经进入工程应用阶段【4 】。能量法、水弹性等方法均广泛应用于水下爆炸问题的理论研究 之中。水下爆炸比空中爆炸具有更加复杂的作用机理，且动力分析十分困难，因此理论方 面有太多亟待完善的地方。 1 2 2 水下爆炸试验研究的发展现状 由于水下爆炸的复杂性，对其进行详细的理论研究并建立一个精确的数学模型求得解 析解是十分困难的，因此对水下爆炸进行一些试验研究是必不可少的研究手段。2 0 世纪 8 0 年代以来，国内外都积极开展了水下爆炸的试验研究。目前水下爆炸的试验测试方法主 要有高速摄影技术、水下爆炸载荷测试技术以及水下爆炸结构响应测试技术。 有关水下爆炸的试验的研究工作涉及到多方面的内容，如： h g s n a y 通过判读利用水下爆炸高速摄影技术所获得的气泡产生及脉动过程的一些 图片，对半无限水介质中水下爆炸的流体力学问题进行了深入的研究【5 j ；郑思友利用高速 数字摄影系统实拍水雾的分幅图像，对爆炸水袋中的条形装药和集中装药的抛物效果进行 了研究网：张立等在浅水水体外将c c d 高速摄像机实拍和图像处理技术引入了气泡脉动参 数的测试研究，得到了0 3 9d d n p 装药的气泡半径随时间变化轨迹和脉动周期，研究得出， 随着装药入水深度增加，气泡脉动周期、最大半径都呈减小趋势，而气泡能变化不显著【7 j 。 利用水下爆炸的载荷测试技术，j p s l i t k o 研究了深水无限介质在水下爆炸的载荷分布 特性【8 】：m m i c h a e l 分析了装药半径和装药密度对压力变化的影响【9 j ；赵琳等阐释了一种用 水下爆炸方法测试炸药能量的技术，给出了炸药主要爆炸参数的确定和爆炸测量数据的处 理方法及测量误差的理论估计【l o l ；王中黔等对集中药包在水下裸露爆炸情况进行了测试， 获得了冲击波压力与水深的关系，还回归出1 0 m 水深条件下单药包裸露爆破水下冲击波压 力计算公式【l l 】。 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 水下爆炸对水下结构所产生的冲击响应也是人们十分关心的一个问题，进行了大量的 试验研究。k r a m a j e y a t h i l a g a m 对o 5 5x 0 4 5xo 0 0 4 m 矩形高强度低合金钢进行了水下爆 炸载荷作用下的响应试验，得到了矩形板在不同炸药量及不同作用距离下水下爆炸的非线 性瞬态动力响应，试验结果同数值研究结果十分吻合1 1 2 1 ；i l h o u l s t o n 等对不同强度的方形 薄板进行了水下爆炸冲击响应的试验研究，获得相应的位移分布值u 习；潘正伟研究了水下 爆炸冲击波对鱼雷的毁伤效果，开展了模拟验证试验，探讨了鱼雷头部结构的毁伤准则1 1 4 j ； 朱锡等对水面舰艇防雷舱结构模型进行了对水下爆炸冲击载荷的抗爆能力试验，探讨了有 无水中防御结构的利弊及防护i l 引。 1 2 3 水下爆炸数值模拟的发展现状 水下爆炸大体可以分为三个阶段：装药的爆轰、冲击波的产生和传播、气泡的形成和 脉动。国内外均对无限水介质和半无限水介质水下爆炸的各个阶段进行了数值计算。 ( 1 ) 装药爆轰过程数值模拟 装药的爆轰过程中具有一个强间断面，在数值计算时常采用加入人工粘性项等技术， 使强间断光滑后再进行计算。这种以状态的连续变化代替状态的间断变化，对装药爆轰过 程进行的数值计算影响并不显著，从而给编写相应的计算程序带来了方便。具有处理强冲 击波作用过程的程序，通常包含了对装药的爆轰过程进行了数值计算的功能1 2 j 。 ( 2 ) 冲击波产生和传播过程中数值模拟 s k c h a r t 通过改进有限元网络模型，在计算无限水下爆炸的冲击效应时，提高了计算 精度，缩短了计算时蝌1 6 】；对于半无限水介质的水下爆炸存在自由水面对冲击波的反射影 响，w h i t h a m 方法使计算自由水面对水下爆炸冲击波反射影响变得比较简捷 1 7 1 ；符松等采 用位标函数计算法及n n d 计算格式对近水面水下爆炸进行数值模拟获得了成功【l 剐；赵汉 中计算了开阔空间中布置在炸药周围的水对爆炸冲击波的消波作用【1 9 l ；孙百连、顾文斌等 进行了浅层水中沉底的两个装药爆炸的数值模拟，研究了水底水面对沉底的两个装药同时 爆炸产生的冲击波传播与相互作用的影响【2 0 】。 ( 3 ) 气泡的形成和脉动过程中的数值模拟 气泡的形成和脉动过程，实际上表征了水下爆炸的准静态作用变化过程。j b k e l l e r 等在对水可压缩性能进行修正的基础上，通过计算气泡衰减情况，认为在气泡的脉动过程 中气泡半径的变化是一个非线性交化过程口l 】；梁龙河、曹菊珍等应用数值模拟方法对水下 爆炸产生的气泡脉动规律、脉动周期、水中冲击波压力的变化特性进行了研究，给出了不 同装药水下爆炸产生的气泡半径脉动和脉动周期变化规律，以及气泡与水交界面处的压力 曲线等结果阎；姚熊亮等将船体梁视为两端自由的t i m o s h e n k o 梁，在借用二维切片法和 水弹性方法的基础上，计算船梁在水下爆炸二次脉动压力下的响应特性，同时还建立了在 考虑水面效应和气泡运动时舰船受到二次脉压力的计算模型，最后，以实船计算为例，进 一步分析t - - 次脉动压力下舰船振荡响应的特性 2 3 1 。 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 3 水下爆炸数值模拟研究存在的问题 通过对文献的调研与分析，可将水下爆炸数值模拟研究存在的问题归纳如下： ( 1 ) 由于计算条件的限制，现有的关于水下爆炸过程的数值模拟主要是以冲击波计算 为主，对于气泡脉动的数值计算研究的较少。 ( 2 ) 炸药的装药深度是水下爆炸冲击波及气泡脉动特征参数的不可忽略的影响因素。 仅有的一些冲击波及气泡脉动的数值研究多是针对小药量在深水中爆炸的研究， 对浅水爆炸气泡脉动的计算很少涉及。如：m a d e r 对2 4 9 9 的t e t r y l 裸药球分别在 水下4 6 6 k m 和4 6 2 k m 处爆炸的情况进行计算1 2 4 1 ；梁龙河，曹菊珍等应用自主开 发的一维不定常弹塑性流体力学计算程序( s i n e 程序) 对炸药在5 k m 、1 0 k m 、2 0 k i n 水下爆炸的气泡脉动规律进行了数值研究 2 2 j 。 ( 3 ) 对水下爆炸冲击波的计算多是采用三维的数值模拟，因此计算水域的范围有限， 只能对近场范围的冲击波参数进行研究，而炸药在水下爆炸作用于舰船的载荷应 为远场水下爆炸冲击载荷，所以扩大炸药水下爆炸可以计算的水域范围对水下爆 炸的结构响应问题有着十分现实的意义。 1 4 本文研究的主要内容 - 本文主要从以下几个方面开展研究工作： ( 1 ) 探讨了边界条件、网格密度对近场条件下的水下爆炸计算结果产生的影响，分析 了在有限的计算条件下进行水下爆炸三维计算的可行性。 ( 2 ) 应用l s d y n a 软件针对一个假设的一维柱对称计算模型进行计算，有效的模拟 了水下爆炸冲击波产生、传播及气泡脉动过程，研究了炸药的装药深度对水下爆 炸冲击波及气泡脉动各参数所产生的影响。 ( 3 ) 应用a u t o d y n - 2 d 软件针对二维轴对称计算模型进行计算，研究了球形装药的 中心点起爆和炸药边界上的端点起爆所产生的水下爆炸冲击波各参数的差别。 ( 4 ) 应用a u t o d y n 2 d 软件针对二维轴对称计算模型进行计算，研究了相同质量的 球形装药和柱状装药在水下爆炸的峰值压力的差别。 ( 5 ) 应用a u t o d y n 2 d 软件针对二维轴对称计算模型进行计算，研究了不同炸药水 下爆炸冲击波过程，初步探讨了固态和液态炸药在水下爆炸所产生冲击波的差别。 ( 6 ) 应用a u t o d y n 2 d 软件针对二维轴对称计算模型进行计算，有效的模拟了水下 爆炸冲击波的产生和传播，研究了不同壳体材料对带壳球形炸药水下爆炸冲击波 所产生的影响。 应用a u t o d y n 2 d 软件针对二维轴对称计算模型进行计算，研究了带钢壳的球 形炸药不同壳体厚度对水下爆炸冲击波所产生的影响。 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章水下爆炸的基本理论 2 1 水下爆炸的物理现象 炸药在水下爆炸时，瞬间变成高温高压的爆轰产物，压缩周围的水产生水中冲击波迅 速向周围传播。与此同时，爆轰产物迅速向外膨胀，推动周围的水向外运动，并形成气泡。 当气泡内的压力等于静水压后，由于惯性作用气泡继续向外膨胀直至最大体积，而后由于 外界压力的作用使气泡收缩，同样由于惯性的作用，在气泡内压力达到静水压时仍继续收 缩，直到最小体积时又开始膨胀，同时产生一个压力波，如此反复膨胀、收缩，形成气泡 脉动，在脉动过程中，气泡逐渐上升，最后脱离水面。 2 1 1 水下爆炸的特点 当炸药在水中爆炸时，爆炸产物以极高的速度向周围扩散，强烈地压缩相邻的水，使 其压力、密度、温度突跃式的升高，形成初始冲击波。冲击波波头具有突跃的特点，幅值 迅速达到最大，突跃后紧接着近似按指数规律衰减，衰减持续时间不超过数毫秒。随着冲 击波的离开，爆炸产物在水中以气泡的形式存在并不断膨胀与压缩，并同时产生附加的脉 动压力。一般情况下，水中冲击波压力峰值大，持续时间短，仅为数十微秒到几个毫秒； 而脉动压力峰值虽小( 仅为前者的1 0 - - , 2 0 ) ，但持续时间远大于前者，可达数百毫秒。在 冲击波阶段，水下爆炸容易造成舰船结构局部板的严重破损；在气泡脉动阶段，水下爆炸 容易使船体产生振荡，从而造成严重的总体结构破损。 炸药水下爆炸和空气中爆炸的区别源于水介质的特殊性质。与空气相比，水可压缩性 小、密度大、声速大。在一般压力下，水几乎是不可压缩的，例如，当压力为1 0 0 0 大气 压时，其密度变化仅为a o o - 0 0 5 。但是当装药在水介质中爆炸时，瞬间形成高温、高压 的爆炸产物，所产生的压力远远大于周围水介质的静压力，在这种爆炸产物的高压作用下， 水成为可压缩的，因而形成水中冲击波。水的密度比空气大很多，因此水的波阻大，爆炸 产物在水中膨胀要比空气中慢得多。由于水具有这些特殊性质，装药爆炸后形成的冲击波 传播及其压力衰减规律以及气泡脉动等都具有其自身的特点。 2 1 2 冲击波的产生和传播 当炸药在水中爆炸时，首先从爆心向炸药传入爆轰波。当爆轰波传到装药表面与水的 交界处时，具有高温、高压的爆炸产物以极高的速度向周围扩散。高压爆炸产物的高速向 外膨胀在水中形成了水中初始冲击波。与此同时，爆轰波在界面反射处形成稀疏波，向爆 炸产物中心运动，降低其中的压力。冲击波的波长随传播过程逐渐增大，而波头压力和传 播速度却下降得很快，且波形不断拉宽。在离爆炸中心较近时，压力下降的非常快，在离 爆炸中心较远时，压力下降逐渐缓慢【2 5 】。这些现象都是因为水的粘滞性和导热性使得冲击 波能耗散，同时也是由于波头的能量密度随冲击波向外传播逐渐下降之故。随着高压爆轰 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 产物的膨胀，冲击波能被逐渐传递给水。冲击波的压力按近似于指数的规律衰减，衰减的 持续时间不超过毫秒量级。冲击波的速度也迅速下降，当达到一定程度后，冲击波就逐渐 衰减为声波了阴。 有水底存在时，如同装药在地面爆炸一样，波的反射将使水中冲击波的压力增加。对 于绝对刚性的水底，相当于两倍药量在无限水域中的爆炸作用【2 7 】。而水底不可能是绝对刚 性的水底，它总要吸收一部分冲击波的能量。实验表明，对砂质土的水底，冲击波的压力 增加约1 0 ，冲量增加约2 3 2 8 1 。 2 1 3 气泡的形成和脉动 随着冲击波的离开，此后爆炸产物在水中以气泡的形式存在并不断的膨胀与收缩，在 条件有利的情况下，这种脉动可达十来次，并同时产生附加的脉动压力。气泡内的初始高 压在冲击波传播过后大大降低，但依然远超过周围平衡流体的静压力，气体产物将继续急 剧膨胀。随着气泡体积的增大，气泡内的压力逐渐降低，直到某一时刻达到与外界压力相 平衡。但由于扩散水流的惯性，气体产物将继续膨胀，使气泡内的压力下降到比大气压与 流体静压的平衡值还要低。这时由于负压差的作用使水的扩散运动停止，气泡边界开始回 缩，气泡体积开始减小，使得气泡内的压力又逐渐增大。直到某一刻，气泡内的压力又达 到与外界的压力相等，这时由于收敛水流的惯性，气体产物还要继续收缩。直到气体收敛 到无法被压缩时，此时气泡体积达到最小值，这样就结束了一次气泡脉动的循环。此时， 气泡内的压力仍然比外界大，于是又开始了新的膨胀与收缩的循环。水的惯性和弹性以及 气体的弹性共同构成了这一系统产生脉动循环的必要条件。 与空中爆炸相比，气泡脉动是水下爆炸特有的性质。在无限水域中，气泡第一次脉动 的最大压力不超过冲击波峰值压力的1 0 - - - 2 0 ，而压力作用的持续时间却远远超过冲击 波压力作用的持续时间，其作用冲量与冲击波相近，故不能忽视他的破坏作用。而以后几 次气泡脉动的影响可以不考虑。 2 2 水下爆炸的能量输出结构 经过近一个世纪，人们对水下爆炸通过试验、理论分析和数值模拟三大研究手段的研 究，使我们对水下爆炸现象有了较深刻和全面的认识。二次世界大战后，美、英海军把许 多解除密级的原始研究报告编成三集水下爆炸研究文集，该文集由美海军舰船研究局 于1 9 5 0 年发行例。该文集中给出的水下爆炸能量分配如表2 1 所示。 表2 1 水中爆炸能量分配表 用途 爆炸能量的消耗( )留给下次气泡脉动的能量( ) 冲击波的形成 5 94 1 第一次气泡脉动 2 71 4 第二次气泡脉动 6 47 6 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 炸药水下爆炸时放出的能量，一部分随冲击波传出，称为冲击波能；一部分存在 于产物气泡中，称为气泡能( 岛) ；冲击波在传播时压缩周围的水，一部分能量以热的形式 散逸到水中，称为热损失能( 劭。炸药放出的总能量为这三部分能量之和，即： = 巨+ 毛+ 耳( 2 1 ) 其中，冲击波传播过程中所损失的能量日无法直接测量。一般认为热损失能与冲击波的强 度有关，炸药的爆速、爆压越高；冲击波的强度越大，热损失能也越大。 因此炸药总能量的计算公式可近似为： = k ，似巨+ 毛)( 2 2 ) 其中：鹭为装药球形系数，肭冲击波能损耗因子，仅与炸药的爆轰压有关，其经验 计算公式如下： a = 1 + 1 3 3 2 8 1 0 2 尼- 6 5 7 7 5 1 0 - 5 皇乙+ 1 2 5 9 4 1 0 - 7 丑0 对球形装药母= 1 ，非球形装药母= 1 0 2 1 1 0 ，因此在球形装药条件下，热损失能为： e = 一1 ) 巨 ( 2 3 ) 2 2 1 水下爆炸冲击波峰值压力和指数衰减时间常数 水下爆炸压力全波形如图2 1 所示： 丁 f f 沸 1 t1 图2 1水下爆炸压力全波形 t 当装药深度不很大( 水中初始静压p h i m p a ) 时，水中爆炸冲击波压力随时间变化有 如下关系： f一坩t 0 p ( r ) = 乞 o 3 6 8 一0护 ， 唧s 。对于冲击波能，有h ( 1 ) h ( 3 ) h ( 2 ) h 6 t n t h n s 。三种含铝炸药，峰值压力 有h ( 1 ) h ( 2 ) h ( 3 ) ，而冲击波压力冲量和冲击波能有h ( 1 ) h ( 3 ) h ( 2 ) 。显然，三种含铝 炸药，h ( 1 ) 的炸药威力最大，h ( 3 ) 炸药虽然峰值压力要小于h ( 2 ) 炸药，但其波后压力的衰 减速度较缓慢，所以h ( 3 ) 炸药的冲击波压力冲量和冲击波能要大于h ( 2 ) 炸药。 贫 量 讼 薹 百 三 3 音 h 6 a 匿a 苍a 琶a 琶& 琶& a & 。& 。a 。a a a 要薹 二o o o o 0 0 0 。 ： o 2o 40 6o 8 l d is t a n c e ( m ) d i s t a n c e ( m ) 图4 2 9 不同炸药对应爆心距处的冲击波压图4 3 0 不同炸药对应爆心距处的冲击波能 力冲量 4 3 4 3 小结 ( 1 ) 三种h 炸药，h ( 1 ) 和h ( 2 ) 峰值压力相差不大，稍大于h ( 3 ) 炸药：对于冲击波压力 冲量，h ( 1 ) 和h ( 3 ) 峰值压力相差不大，稍大于h ( 2 ) 炸药；对于冲击波能，有 h ( 1 ) h ( 3 ) h ( 2 ) 。 ( 2 ) 含铝炸药产生水中冲击波的速度较快，波后压力衰减速度较慢：h n s 液体炸药因 为爆压低，产生的水中冲击波速度缓慢。 4 3 5 有不同壳体材料的球形炸药水下爆炸数值计算 大多数武器中的装药是与一定厚度的外壳直接接触，外壳作为边界约束条件之一，其 材料的密度或质量对冲击波传播有一定的影响作用。因此，研究炸药的外壳对炸药水下性 能的影响具有十分重要的意义。 4 3 5 1 计算模型 计算采用a u t o d y n 2 d 的二维轴对称计算模型，利用球形装药的对称性，仅模拟1 4 的平面水域，水域范围为1 5 m x1 5 m 。计算模型在x 、y 方向各划分7 5 0 个单元，每个单 元长2 m m ，模型除x 轴、y 轴外的边界采用b o u n d a r yt r a n s m i t 无反射边界条件。炸药为 第4 2 页 叭吣 似眈m o 0 0 0 0 0 o q ，譬一hkc 国防科学技术大学研究生院学位论文 球形t n t 装药，质量5 0 9 ，半径1 9 4 2 m m ，置于坐标原点。壳体厚度为6 m m ，材料分别 为钢、铝、橡胶。 图4 3 1 给出了计算带壳体炸药的计算模型。图片右上角的小图为计算模型左下角炸 药和壳体部分的放大图。中心的深蓝色部分为t n t 装药，炸药外围6 m m 的淡蓝色部分为 壳体，绿色部分为计算水域。计算结果取y 对称轴上距爆心0 2 5 m - - 一l m 之间间隔0 0 5 m 的 1 6 个点来记录压力随时间的变化曲线，时间间隔为0 5 9 s ，共记录1 5 m s 。 图4 3 l 计算模型 4 3 5 2 状态方程和材料模型 ( a ) 状态方程 计算中水和壳体材料采用g r u n e i s e n 状态方程，水和壳体材料的状态方程参数在表4 3 中给出。 表4 3g r u n e i s e n 状态方程的参数 p a r a m e t e r sw a t e rs t e e la l u m i n u mr u b b e r p o ( k g m 3 ) 1 o e + 37 8 9 6 e + 32 7 7 f 卜31 4 3 9 e + 3 o 0 2 82 1 72 0 01 3 9 c ( m s ) 1 4 8 3 e + 34 5 6 9 e + 35 3 2 8 e + 32 7 8 5 e + 3 s l 1 7 51 4 91 3 3 81 4 1 9 炸药采用标准j w l 状态方程， a