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適讀人群 ：《水下爆炸結構毀傷的數值計算》可供高校、研究所的研究人員和對水下爆炸感興趣的讀者參考使用。
《水下爆炸結構毀傷的數值計算》可供高校、研究所的研究人員和對水下爆炸感興趣的讀者參考使用。

內容簡介

水下爆炸對艦船結構構成瞭最嚴重的威脅。水下爆炸結構毀傷的數值計算技術是過去半個世紀水下爆炸領域取得的最顯著的進展，大大節省瞭試驗經費，縮短瞭研究周期。水下爆炸計算涉及流體、結構、炸藥等多個學科，是計算力學中最睏難的一個領域。既能保證工程精度又能完成全船衝擊分析的計算技術首推LS�睤YNA軟件所提供的雙漸近近似方法和ABAQUS軟件所提供的水下爆炸數值方法（AUA）。前者對華禁運，後者是目前國內少有的全船分析有效工具。《水下爆炸結構毀傷的數值計算》盡量使用簡單語言對水下爆炸的物理現象和結構毀傷模式作一簡單介紹；對ABAQUS水下爆炸分析方法及其實施作較為詳細的說明；同時，提供試驗驗證例子，使讀者對計算方法的精度和能力有一個全麵的瞭解和掌握。

目錄

目錄

引言

第1章水下爆炸物理現象和結構毀傷效應1

1.1水下爆炸物理現象1

1.1.1炸藥2

1.1.2爆轟過程2

1.1.3衝擊波3

1.1.4氣泡運動4

1.1.5空化效應7

1.2水下爆炸造成的結構毀傷8

1.2.1局部毀傷8

1.2.2總體摺斷8

1.2.3後爆炸毀傷10

1.3水下爆炸軟件的簡介11

1.3.1LS�睤YNA軟件在水下爆炸中應用11

1.3.2DYTRAN在水下爆炸中的應用12

1.3.3ABAQUS在水下爆炸中的應用12

1.3.4AUTODYN在水下爆炸中的應用12

1.4小結14

參考文獻14

第2章水下爆炸載荷與材料彈塑性本構模型16

2.1水下衝擊波16

2.1.1壓力峰值Pm及其計算參數18

2.1.2時間常數θ及其計算參數19

2.1.3衝量I及其計算參數20

2.1.4能流密度E及其計算參數21

2.1.5相似性驗證22

2.2氣泡運動23

2.2.1氣泡的脈動23

2.2.2氣泡的上浮24

2.2.3氣泡的壓力25

2.3水下爆炸載荷半經驗公式26

2.3.1試驗壓力時程麯綫26

2.3.2靜止氣泡壓力時程麯綫解析錶達26

2.3.3上浮氣泡運動求解29

2.4材料彈塑性本構關係31

2.4.1彈性模型31

2.4.2塑性模型32

2.5小結34

參考文獻35

第3章聲�步峁櫃詈俠礪�36

3.1聲�步峁櫃詈俠礪�36

3.1.1基本控製方程36

3.1.2邊界條件37

3.1.3離散的流體�步峁櫃詈戲匠�39

3.1.4水下爆炸載荷輸入40

3.2顯式動力分析40

3.2.1顯式時間積分40

3.2.2顯式方法的條件穩定性41

3.3水下爆炸造成結構毀傷的理論研究42

3.3.1水下爆炸衝擊作用下圓闆的黏塑性響應43

3.3.2水下氣泡脈動下自由梁的動塑性響應47

3.3.3空化現象52

3.4小結56

參考文獻56

附錄：計算片空化的理論公式和Matlab程序56

第4章水下衝擊波結構毀傷計算60

4.1水下衝擊波結構毀傷建模60

4.1.1水下衝擊波載荷的定義60

4.1.2流體�步峁櫃詈隙ㄒ�62

4.1.3材料模型和破壞定義62

4.1.4水域幾何建模與網格剖分64

4.2水下衝擊波簡單結構毀傷的驗證66

4.2.1圓闆模型66

4.2.2氣背方闆模型69

4.2.3圓桶模型73

4.3船模在水下衝擊波作用下的毀傷驗證77

4.3.1船模模型描述77

4.3.2網格收斂性驗證80

4.3.3計算結果比較85

4.4實船衝擊波響應驗證90

4.4.1有限元模型及測點位置90

4.4.2結果分析92

4.5水麵艦艇在近場水下爆炸下的毀傷模式研究95

4.5.1計算模型描述95

4.5.2毀傷演化過程95

4.5.3毀傷模式98

4.6小結100

參考文獻101

第5章氣泡誘導的結構毀傷計算102

5.1氣泡毀傷建模102

5.2圓柱殼結構氣泡毀傷的驗證103

5.3簡單箱型船衝擊波�財�泡毀傷的驗證110

5.3.1試驗比較110

5.3.2毀傷機理進一步研究120

5.4具有剛體位移的鞭狀振動130

5.5衝擊波和氣泡聯閤作用下結構的三種運動137

5.5.1計算模型設計137

5.5.2計算工況及結果138

5.6整船自由振動146

5.7實船氣泡響應150

5.8小結151

參考文獻152

第6章水下爆炸空化效應153

6.1片空化效應計算和試驗比較153

6.1.1片空化閉閤潰滅試驗153

6.1.2空化二次加載試驗158

6.2空化效應對水麵艦船二次加載的單機計算163

6.2.1單機計算模型說明163

6.2.2空化效應對船舶結構響應的影響163

6.2.3二次加載的分析167

6.3空化效應對水麵艦船二次加載的並行計算170

6.4衝擊波、氣泡和空化聯閤作用下背空闆動態響應177

6.5小結181

參考文獻181

第7章水麵艦艇水下爆炸分析例182

7.1實船主尺度182

7.2建立全船的三維幾何模型183

7.3創建全船的有限元模型187

7.4模態分析195

7.5ABAQUS水下爆炸關鍵字設置197

7.6ABAQUS水下爆炸結果分析207

參考文獻217

索引218

精彩書摘

水下爆炸結構毀傷的數值計算
第1章水下爆炸物理現象和結構毀傷效應
本章從爆炸載荷的角度，簡單介紹水下爆炸的爆轟過程，以及後續産生的三種主要非接觸爆炸載荷

：衝擊波、氣泡和空化。然後對水下爆炸造成的結構毀傷進行簡單分類總結。
1.1水下爆炸物理現象
所謂水下爆炸指的是在水中很小區域有大量能量（爆源）突然釋放的過程。從力學過程角度來講，

水下爆炸大緻可以分為四個主要過程：炸藥的爆轟，衝擊波的形成和傳播，氣泡的脈動和上浮，以

及衝擊波在與自由水麵和結構的相互作用下産生的空化。空化可能對結構造成二次加載。圖1��1是

水下爆炸的幾個主要過程示意圖。



圖1.1水下爆炸過程示意圖



1.1.1炸藥
能夠在水中很小空間中提供集中能量的最簡單方法就是炸藥。炸藥是在一定的外界作用下（如受熱

、撞擊）能發生爆炸，同時釋放熱量並形成高熱氣體的化閤物或混閤物。炸藥可以是固態、液態，

也可以是氣體。如圖1��1（a）所示，在初始時刻炸藥（圖中陰影部分）置於水中。通常在能量突然

釋放的過程中（爆炸），還伴有光、熱、聲以及壓力的産生。炸藥中儲存的勢能可以是如下幾種：
（1） 化學能，如TNT、粉塵；
（2） 高壓壓縮氣體，如氣罐、噴霧罐；
（3） 核能，如裂變同位素鈾��235和鈈��239。
依照膨脹速度，炸藥分為“高能炸藥”和“低能炸藥”。如果膨脹速度大於聲速（稱為爆轟，見

1.1.2節），就是“高能炸藥”。反之，稱為 “低能炸藥”。本書隻研究高能炸藥。最常見的高能

炸藥有三硝基甲苯（TNT）、特屈兒（Tetryl）、黑索金（RDX）、熔黑梯鋁（RS211）和太恩（PETN

）等。除此之外，還有電流加熱導體或擊錘撞擊産生的熱量引燃某種特彆敏感物質的化學爆炸，如

液化天然氣的爆炸。
為瞭方便起見，常把其他炸藥的威力換算成同等威力TNT炸藥的重量，即當量係數。錶1��1給齣幾種

常見炸藥的當量係數，還給齣常見炸藥的爆熱、爆速等，它們都是炸藥的爆炸性能指標。


錶1.1幾種常見炸藥的物理參數


炸藥名稱密度/（g/cm3）爆速/（m/s）爆熱/（J/g）當量係數

TNT1��566685244801

RS2111��63873506197—

GUHL1��79854507800—

RDX1��816875060251��5

Tetryl1��737570—1��25

PETN1��723808364041��2


1.1.2爆轟過程
爆轟是通過化學反應把炸藥（固體、液體或者氣體）以非常高的速度變成高溫高壓氣體的過程。該

化學反應將炸藥在空間分成兩部分：反應物——高溫高壓氣體和未反應物——炸藥。介於兩者之間

的就是反應麵。爆轟過程的特點是高速性，在10-5～10-2s內完成，造成反應麵非常薄，在10-6m量

級。實際上，對於所謂的理想炸藥，這個反應麵的厚度可以忽略，作為間斷麵來處理，如圖1��1（b

）所示。存在一個間斷麵是高能炸藥爆炸的特點。另外，這個反應麵在空間是移動的，像波一樣傳

播，故稱為爆轟波。爆轟波的速度非常快，一般為2000～7000m/s，超過聲速。在圖1��1（b）中顯

示瞭反應麵（爆轟波）後麵是反應生成物——高溫高壓氣體。核爆炸幾乎瞬間完成，爆轟過程可以

忽略不計。但是對於常規炸藥的化學反應過程，爆轟一般必須考慮。
爆轟波的速度極快，爆轟所産生的熱量在極短的瞬間來不及擴散，在瞬間大量氣體被強烈地壓縮在

近乎原有的體積之內，因而産生幾萬個大氣壓的高壓，再加上反應的放熱性，高溫高壓氣體迅速對

周圍介質膨脹做功，這就造成瞭炸藥所具有的功率。
爆轟過程決定瞭炸藥的爆炸性能，主要包括爆熱、爆容、爆速和爆壓。爆熱是在一定的條件下單位

質量炸藥爆炸時放齣的熱量，它取決於炸藥的元素組成、化學結構以及爆炸反應條件；爆容是單位

質量炸藥爆炸時産生的氣體量（用標準狀態下的容積錶示），一般為0��7～1��0m/kg；爆速是爆轟

波（伴隨化學反應的衝擊波）在炸藥中的傳播速度，炸藥在一定裝藥密度下的爆速可以精確測定，

現有炸藥的爆速一般為2000～7000m/s，很少有超過9000m/s的；爆壓是指炸藥爆炸時爆轟波陣麵的

壓力，可用實驗方法間接測定，其值一般為10～40GPa。常見炸藥的部分物理數據在錶1��1中給齣。
1.1.3衝擊波
一旦爆轟過程完成，就形成瞭一個高溫高壓的氣球。如果是化學反應，氣球內的溫度可高達3000℃

，壓力高達50 000大氣壓。圖1��1（c）所示的是爆轟波撞擊藥包的最外層。由於爆轟波初始壓力非

常大，爆轟産物（氣體）就會突然膨脹，壓縮藥包周圍的水介質，在水中産生衝擊波。衝擊波由兩

部分構成：波前和波尾。波前是一個壓力間斷麵，壓力突然升起；波尾變化復雜。剛開始時，波尾

中壓力近似為指數衰減，在後半部，壓力盡管衰減很慢，但是已經變得不重要瞭。衝擊波在水中傳

播速度快於後續的氣泡膨脹速度，離開藥包後基本上沿徑嚮嚮外傳播。除瞭在爆炸點附近，衝擊波

基本上可以用一個聲學球形波來近似，亦即隨著波的傳播，壓力峰值比到爆炸點的距離的倒數衰減

稍微快一些，而壓力持續時間隨時間增加略微增加，衝擊波傳播的速度比水中聲波（約1500m/s）稍

微快一些。圖1��2（a）給齣瞭第二次世界大戰中拍攝的30mg類TNT炸藥引爆0��000 014s後氣泡和衝

擊波照片［1］。注意該照片是兩次曝光閤成的。第一次曝光是在爆轟後所拍，以準確標示藥包的位

置與形狀。圖1��2（b）拍攝的是3gTNT炸藥産生的水中衝擊波圖像。圖中可以清晰看到衝擊波［2］

。




圖1��230mg類TNT炸藥引爆0��000 014s後氣泡和衝擊波照片［1］（a）
和3g TNT炸藥水中爆炸拍攝的衝擊波［2］（b）



衝擊波在水中任意一點産生的壓力時程麯綫的特點是突然升高，然後以指數形式衰減，這個過程持

續時間在毫秒級，如圖1��3所示［3］。圖中實綫是衝擊波在三個測點（R=1��5m，15m，150m）處的

壓力峰值與波形。圖中還用虛綫給齣瞭按照聲學在相同測點的壓力波形和幅值。比較而言，衝擊波

的衰減要快於聲波；傳播速度也略高於聲波。采用聲波近似水中衝擊波時，速度可以采用聲速，但

是峰值要比聲波衰減得快。


圖1��3137kg TNT炸藥水中爆炸時不同位置處的壓力分布［1］

虛綫代錶聲學近似


1.1.4氣泡運動
在形成初始衝擊波的同時，爆炸氣體産物開始膨脹，以氣泡的形式推動周圍的水，如圖1��1（d）所

示。氣泡的壓力隨著膨脹而不斷減小，當降到周圍環境壓力時，氣泡由於慣性繼續膨脹，一直到最

大半徑。這時，氣泡內的壓力最小，且低於周圍環境壓力。周圍的水開始反嚮運動，壓縮氣泡，使

氣泡不斷收縮至最小；此時氣泡內部壓力又高於周圍環境壓力，氣泡開始再次膨脹，産生第二個嚮

外傳播的波。一旦氣泡再次膨脹到最大半徑又開始收縮，相同的膨脹收縮過程可以重復很多次。這

個過程通常被稱為氣泡脈動。報道中最多脈動次數是七次。圖1��4所示的是4��5gPETN爆炸産生的氣

泡脈動過程［2］。氣泡在開始膨脹階段體積變化較快（15ms之前）；而當氣泡快膨脹到最大時，氣

泡錶麵徑嚮速度較低且持續時間較長（20～33ms）；然後氣泡開始收縮，半徑迅速變小（40ms）；

當氣泡收縮到最小時，可以從圖像上很清晰地看到氣泡底部的爆炸産物隨著氣泡錶麵的收縮而迅速

進入氣泡內部的過程，形成射流（45ms）。氣泡射流可能産生非常高的局部壓力；氣泡射流將直接

對艦體産生衝擊作用，這將加強爆炸氣泡對艦體的破壞作用。但本書討論中遠場爆炸，暫不討論氣

泡射流。





圖1.4 45g PETN氣泡脈動照片［2］



除瞭脈動外，氣泡由於受到浮力的作用，還會産生嚮上的遷移運動。圖1��5形象地錶示瞭壓力變化

過程以及氣泡脈動和遷移（氣泡運動）的過程［4］。第一次氣泡脈動後，氣泡內的剩餘能量隻有初

始能量的7%左右（以1500lb（1lb=0��453 592kg）TNT炸藥為例），因此一般在研究氣泡脈動對艦船

的毀傷效應時隻關注第一次氣泡脈動。衝擊波和氣泡在傳播過程中攜帶不同的能量，衝擊波大約占

有53%的能量，而氣泡占有47%。在傳播過程中，衝擊波損失約20%的能量，剩餘的造成結構物的毀傷

；而氣泡第一次膨脹、收縮過程損失約13%的能量，有17%的能量會在氣泡被壓到最小時散失，剩下

的用於産生第二次的壓力波。



圖1.5壓力變化過程以及氣泡的運動過程［4］



根據上述，典型球形水下爆炸的主要邊界在圖1��6中給齣，其中，橫坐標是徑嚮位移，縱坐標是時

間。圖中陰影OO′M錶示的是炸藥。起爆發生在炸藥原點O。爆轟波以常速度沿OO′在炸藥中傳播，

同時在爆轟波的後麵，邊界OA′把高壓區和低壓區區彆開來。當爆轟波到達炸藥外殼O′點後，一部

分爆轟波繼續嚮周圍水介質傳播，形成水中衝擊波O′D，另外一部分被水�財�界麵反射，形成嚮內

的稀疏波O′A′。反應物氣體和周圍介質水的交界麵則沿著O′C以較慢的速度膨脹，這就是氣泡。

氣泡在膨脹過程中，嚮內同樣會形成稀疏波O′B。稀疏波會影響氣泡的壓力，也會吸收能量，增加

氣泡的能量損失。這個波在水下爆炸載荷預報中是要考慮的。



圖1.6水下爆炸邊界示意圖（圖中陰影為炸藥）

前言/序言

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