考虑空化效应的舰艇水下爆炸仿真研究.pdf

第2 9 卷第2 期 2 0 1 2 年6 月 爆破 B L A S T 州G V 0 1 ．2 9N o ．2 J I I l l ．2 0 1 2 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 4 8 7 X ．2 0 1 2 ．0 2 ．0 0 1 考虑空化效应的舰艇水下爆炸仿真研究木 陈高杰1 ，贾则1 ，程素秋1 ，王树乐1 , 2 ，宗智2 1 ．9 1 4 3 9 部队9 6 分队，大连1 1 6 0 4 1 ；2 ．大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室，大连1 1 6 0 2 4 摘要为了分析空化效应对舰艇水下爆炸冲击响应的影响。对一雏B l e i e h - - S a n d h r 模型进行了数值仿 真计算，验证了计算方法的正确性，分析了空化闭合二次加戢产生的速度截断现象，并应用于二维中截面舰 艇模型水下爆炸教值仿真。结果表明空化在冲击波到达结构表面后就套发生，空化闭合会产生显著的二次 冲击加我作用。这在舰艇水下爆炸仿真计算中必须加以考虑。 关键词水下爆炸；教值仿真；空化效应；。二次加栽 中图分类号U 6 6 1 ．4文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 2 0 2 0 0 0 1 0 3 I n v e s t i g a t i o n0 nS i r e u l a t i o no fU n d e r w a t e rE x p l o s i o n C a v i t a t i o nS u r f a c eS h i p C H E N ‰啦 ，J ／AZ e ’，C H E N GS u q i u l ，W A N GS h u - 如啦，Z 0 鹏Z h i 2 1 ．9 1 4 3 9U n i t ，P e o p l e sL i b e r a t i o nA r m yo fC h i n a ，D a l i a n1 1 6 0 4 1 ，C h i n a ； 2 ．T h eS t a t eK e y [ a b o r a t o r yo fS t r u c t u r eA n a l y s i sf o rI n d u s t r i a lE q u i p m e n t ， D a l i a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，D a l i a n11 6 0 2 4 ，C h i n a A b s t r a c t T oa n a l y z ec a v i t a t i o ne f f e c to fu n d e r w a t e re x p l o s i o n 。U N D E X t oa n a l y z ee f f e c to fu n d e r w a t e re x p l o - s i o no n 目Ⅱ{ 如s h i ps h o c kr e s p o n s e ．n u n m f i c a ls i m u l a t i o no fao n e - d i m e n s i o n a lB l e i e h - - S a n d l e rm o d e lW a gs t u d i e d ． T h ec o m p u t i n gm e t h o d Ⅷv e r i f i e dt ob ec o r l ℃c ta n da “∞c 伽d a 巧s h o c k ”d e r i v e df r o mc a v i t a t i o nc l o s u r ep r o d u c e d av e l o c i t yj u m p ．T h et e c h n o l o g y 雌u t i l i z e di nat W O - d i m e n s i o n a lm i d 一№l i ∞m o d e l0 fas u r f a c es h i p ．T h er e s u l t s h o w e dt h a tc a v i t a t i o ne f f e c ts U l r t Ⅸ1w h e nt h es h o c kw a v er e a c h e dt h es t r u c t t t r e 。a n dc a v i t a t i o nc | ∞u r eg e n e r a t v dd i s t i n c t “s e c o n d a r ys h o c k ”l o a d ，T h e r e f o r e ，c a v i t a t i o n sm u s tb et a k e ni n t oa c c o l m ti nt h es h i ps h o c ks i m u l a t i o n ． 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 ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；c a v i t a t i o ne f f e c t ；号e c ∞d a r ys h o c k 由于水下爆炸载荷的复杂性，不仅要考虑冲击 波、气泡脉动、自由面反射波、海底反射波以及结构 自身的反射波、绕射波等的影响，还要考虑各种载荷 作用下的结构响应的差别。因此，舰艇结构遭受远 场水下爆炸的冲击响应十分复杂，其数值仿真也必 须考虑多种因素的影响。研究表明，空化效应会产 生二次加载，对舰艇水下爆炸冲击响应有重要影响。 收穑日期2 0 1 1 一1 1 1 8 作者简介陈高杰 1 9 8 1 一 ，男，湖北谷城人．助理工程师、硕士，主 要从事水下爆炸试验仿真与测量， E m a i l j o n i g e I m m 1 6 3c m n 。 基金项目海军装备部预研项目 A 3 8 2 0 0 6 1 2 0 2 Y o u n gS h i n 等基于U s A N A 涨N - - - - C F A 程 序的联合分析对水下爆炸作用下水面舰艇的流因耦 合和空化效应影响进行了研究⋯；李海涛等对水下 爆炸冲击波作用下的局部空化和区域空化形成特性 进行了理论和实验研究口刮；顾文彬等利用璐一D Y - N A 有限元程序对空化区域的密度和速度等特征进 行了数值模拟分析H 1 。 利用A B A Q U S 软件研究了流固耦合和空化效 应对舰艇结构响应的影响。首先利用一维B l e i c h S a n d i e r 模型来验证方法的正确性，然后对舰艇二维 中横截面模型的水下爆炸冲击响应进行了计算。 万方数据 2爆破 2 0 1 2 年6 月 1 局部空化与区域空化 根据冲击波传播时接触目标的不同，水下爆炸 空化区的形成可分为2 种局部空化和区域空化。 当冲击波到达水中结构时，在结构表面发生反射，入 射波和反射波叠加作用会在结构的表面形成负压 区。当负压力达到水的空化压力极限时，就会在该 区域出现空化现象，称为局部空化；而当冲击波到达 水面后，产生反射稀疏波，稀疏波与入射波叠加后形 成负压区，当负压值超过水的抗拉力上限时，也会在 水域形成空化现象，称为区域空化。空化区的形成 对舰艇结构响应有重要的影响。图1 为水下爆炸产 生的区域空化现象。 图l 水下爆炸产生的区域空化区 F i g ．1 B u l kc a v i t a t i o np r o d u c e db yu n d e r w a t e re x p l o s i o n 2 一维B l e i c h S a n d l e r 模型 取一维B l e i c h - - S a n d l e r 模型来验证A B A Q U S 软件U N D E X 模块㈨，此模型由一块平板和下方不 超出空化区边界的水域组成，板与水之间形成局部 f ，8 a 不考虑空化时的压力时程曲线 空化。有限元模型如图2 所示，用1 个4 节点S 4 R 壳单元模拟平板，1 0 0 个A C 3 D S R 声学单元模拟水 域。壳单元和声学单元的截面为0 ．0 3 8mx 0 ．0 3 8m 的正方形，板的厚度为0 ．0 2 5m ，吃水0 ．1 4 5m ，水域 总深度为3 ．8 1n l 。炸药位于板正下方4 ．8 1m 处。板 的材料为钢，弹性模量取2 1 0G P a ，泊松比取0 ．3 ，密 度取7 8 0 0k g ／m 3 ，而水的密度取9 8 9k s ／m 3 ，水中声速 取1 4 5 1m ／s ，体积模量取2 ．0 8 2G P a ，重力加速度取 9 ．8 1r n ／s 2 ，大气压力取0 ．1 0 1M P a 。加载点取在水域的 下边界上，冲击波为呈指数衰减的平面波，峰值压力为 7 ．1 1 0 5P a ，时间衰减常数为9 ．9 5 8 1 0 一s 。时间步 长采用自动时间步长，计算得到板分别在不考虑和考 虑空化时的压力时程曲线如图3 所示。 图2 一维B l e i c h - - S a n d h r 有限元模型 F i g ．2 O n e - d i m e m i o n a lB l e i c h - - S a n d l e rF E Am o d e l t ／s b 考虑空化时的压力时程曲线 图3 水域内压力时程曲线 F i g ．3 №S U l eh i s t o r yc u r v ei nf l u i dd o m a i n 在不考虑空化时可以看到水域中产生了明显的 负压，而考虑空化作用时出现明显的空化区闭合二 次加载作用，且空化区域并没有超出水域的下边界， 水域中间位置处与下边界处空化区的持续时间相 近，约为0 ．0 0 9s ，平板处空化闭合产生的二次加载 约发生在0 ．0 1 4s ，压力上升到冲击波峰值压力的 2 0 ％。此外，还可以看到空化闭合的二次加载作用 发生在初始压力波到达水域节点之后，且闭合压力 随着深度的增加而增加。 图4 是板的速度计算结果与B l e i c h - - S a n d l e r 计 d a I ￡ ％￡山 万方数据 第2 9 卷第2 期陈高杰，贾则，程素秋，等考虑空化效应的舰艇水下爆炸仿真研究 3 算结果的对比，这里将速度归一化到声速的1 ／1 0 0 0 ， 可以看到结果符合良好。在空化区闭合二次加载作 O 5 O ．4 ，、 ●o ‘3 吕 暮o ’2 薹0 ．1 避 0 0 ．1 O ．0 0 0 o ．0 0 5o ．0 1 00 ．0 1 50 ．0 2 0 f ，s a A B A Q U S 计算结果 3 二维中横截面舰艇模型 用下，板速在反方向上发生速度截断，产生了2 0 ％ 的速度跳跃。 图4 平板速度时程曲线 F i g ．4 V e l o c i t yh i s t o r yc u r v eo ft h ep l a t e 采用某型舰的中横截面模型来研究空化效应对 水下爆炸作用下结构响应的影响。如图5 所示，船 体为线弹性钢材料模型，吃水4 ．2m ，采用S 4 R 壳单 元；水域半径取船半宽的6 倍，内层为A C 3 D 4 四面 体声学单元和外层为A C 3 D 8 R 六面体声学单元。 自由水面和流固耦合面分别定义为0 压力边界和 T I E 约束∞J ，空化压力取o 即在压力小于0 时形成 空化 。炸药为2 2 6k gT N T ，放置在船体正下方 1 3 7m 处，计算采用总波公式法，计算时间为0 ．1S 。 t ／, b B l e i c h - - S a n d l e r 计算结果 向船体方向传播至0 ．0 2 8s 时波峰到达龙骨中心位 置处节点2 9 ，紧接着发生局部空化，节点7 7 6 3 5 空 化发生在0 ．0 3 2s 并持续0 ．0 1 8S 后发生空化闭合形 成二次冲击加载，而空化并没有超出节点8 8 5 所在位 置。节点4 7 7 8 4 和边界节点11 4 5 则受到二次加载的 影响，压力分别在0 ．0 6 4s 和0 ．0 7 5S 时发生突变，后 续的峰值则是由于水面的区域空化效应产生的。 边界 节 固耦合作用面 炸药 ／ 图5 舰艇中横截面有限元模型 F i g ．5 F E Am o d e lo ft h em i d s e c t i o no fas u r f a c es h i p 图6 为节点分布图，节点1 1 4 5 、节点4 7 7 8 4 、节 点8 8 5 、节点7 7 6 2 5 节点2 9 为水域边界点到龙骨中 心位置处由远及近排列节点。图7 为5 个节点压力 时程曲线，冲击波首先到达水域边界处节点11 4 5 ， 图6 节点分布图 F i g ．6 N o d ed i s t r i b u t i n gp l o t 图8 为龙骨中心位置处节点2 9 的速度和压力 时程曲线。为了更清楚地显示二次冲击压力将压力 曲线用截止频率为1 5 0 0H z 的B u t t e r W o r t h 低通滤 波器进行了滤波，可以看出此节点在冲击波到达时 产生速度阶跃，随后发生衰减，在约0 ．0 4 9s 时由于 空化闭合的二次冲击加载作用 压力曲线中的第2 个峰值 发生约最大振幅1 5 ．8 ％的速度阶跃。 下转第2 5 页 万方数据 第2 9 卷第2 期张西良，崔正荣深凹露天矿富水岩层水介质预裂爆破机理研究 2 5 上接第3 页 是 芒 暑 n - D0 - 0 2 l x l ．E 6 ] D ．3 5 O ．3 0 O ．2 5 0 ．2 0 0 ．1 5 O ，l O 0 ．0 5 1 ．0 彳、 0 暑 釜 甚 尘 0 - - 0 ．5 0 0 ．0 4o 0 60 ．0 8o ’1 0 t ／s 图7 压力时程曲线 r 1 5 0H 撒通滤波后的压 l 一龙旨中心位置处节点2 9 5 ’ J I j’‰ 肌 燃州黻 一 ．u1 o ．0 2o ．0 4 0 ．0 6o ．0 80 ．1 0 f ，● 图8 龙骨中心位置处节点2 9 速度和压力时程曲线 F j g ．8V e l o c i t ya n dp r e s s u r eh i s t o r yc u r v eo f N o d e2 9 , i tt h ek e e c e n t e r 4 结语 利用A B A Q U S 软件可以对水面舰艇和周围水 介质进行建模和水下爆炸仿真，并考虑自由水面、流 固耦合和空化效应等因素的影响。空化效应对舰艇 水下爆炸冲击仿真有重要的影响，不可忽略；空化在 冲击波到达结构表面后就会发生，空化闭合产生显 著的二次冲击加载作用；而不考虑空化则在流固耦 合面上产生尖锐陡峭的负压。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ] Y O U N CS h i n ，L E O N A R DS a n l i s 伊．眺e 峋s h o c km o d - e l i n ga n ds i n m i a f i o n t w o - d i m e n d o m la n a l y s i s [ J ] ．S h o c k a n dV i b r a t i o n ，1 9 9 8 5 1 2 9 1 3 7 ． [ 2 ] 李海涛，朱锡，黄晓明，等．水下爆炸冲击波作用下 空化区域形成的特性研究[ J 】．高压物理学报，2 0 0 8 ， 2 2 2 1 8 1 1 8 6 ． [ 2 ] uH 日j T a o ，Z H UX i ，H U A N G i p I n i l l g ，e la l ，O nt h ec h a r - 鼬l e 而侣o fc a v i t a t i o nf o r m a t i o ns u b j e c t e dt ou n d e r w a t e r b l a s ts h o c kw a v e [ J ] ．C h i n №J o u r n a l0 f H 曲P r e s s m ∞ P h y s i c s ，加唪，2 2 C 2 1 8 1 - 1 8 6 ． i nO a n e s e [ 3 ] 李海涛，朱锡，牟金磊，等．水下近距爆炸作用下弹 性钢板处的空化特性研究[ J ] ．海军工程大学学报， 2 0 0 8 。2 0 1 2 1 - 2 4 ， [ 3 ] L IH a l - t a o ，Z H U 【i ，M UJ i n l e i ，e ta 1 ．C h a r a c t e r i s t l c so f c a v i t a t i o na r i s i n gb e l o we l a s t i cs t e e lp l a t es u b j e c t e dt o c l o s eu n d e r w a t e re x p l o s i o n [ J ] ．J o u r n a lo fN a v a lU n i v e r s i ． t yo fE n g i n e e r i n g ，2 0 0 8 ，2 0 I 2 I 珥． i nC h i n e s e [ 4 ] 顾文彬，苏青笠，刘建青，等水下平面爆炸冲击波作用下 空化区域形成及其特征[ J ] ．爆破，2 0 0 4 ，2 1 4 8 - 1 1 ． 4 】G UW e n - b l n ，S UQ a , g - H ，L I UJ i ”呵i n g ，e ta 1 ．F o r m a t i o n p l v c e Mo fc a v i t a U o nr e g i o ne l e c t e db yu n d e r w a t e rp l a n e b l a s ts h o c kw a v ea n di t sc h a r a c t e r i s t i c s [ J ] ．B l a s t i n g ， 2 0 0 4 ，2 1 4 8 一1 1 ． i BC h i n e s e [ 5 ] B L E I c HHH ，S A N D L E RIS ．I n 蒯仰b e t r w e e ns t r u c - t u r e sa n db i l i n c a rf l u i d s [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fS o l i d sa n dS t r u e m l Ⅸ，1 9 7 0 6 6 1 7 ，6 3 9 ． [ 6 ] 1 a s s a u l ts y 舳 i n a d i aG 呻．A B A Q U SA n a l y s i sU s e r 7 s 地蛐l a I6 ．9 一E F l [ z ] ．R I ，U S A 1 a s s a n l ts y B 塘m 瞄．2 [ 1 3 9 ． tal￡，∞￡“ 万方数据