水下爆炸远场冲击波的数值模拟

水下爆炸远场冲击波的数值模拟

摘要：本文结合文献调研资料，分析了水下爆炸数值模拟的各个方向的研究现状。阐明了水下爆炸数值模拟的研究背景以及研究发展的重要性，并且阐明了远场冲击波模拟的目的和应用前景。结合论文资料和各个模拟软件的帮助手册，比较了各个数值模拟软件的特点。展示了作者在水下爆炸的远场冲击波模拟方面做的实践，并且写出了笔者的心得体会。

关键词：水下爆炸；数值模拟；远场冲击波；AUTODYN；ABAQUS；

1.水下爆炸数值模拟的研究背景

水下爆炸是水中兵器设计技术、破坏效应和水下爆破工程的基础问题，对水下爆炸进行的相关研究对于提高水中兵器威力、提高舰船生命力和战斗力、提高工程效率等有重要的意义。由于水下爆炸属于非常复杂的流体动力学问题，因此相关的研究一直以实验研究为主。

但是实际水下爆炸以及结构相应的实验研究的成本和复杂程度非常高，并且随着计算机技术和数值模拟技术的发展，水下爆炸的数值模拟渐渐受到了大家的重视，数值模拟受环境条件的影响较小, 可以较容易地改变模拟试验条件, 比较、分析不同条件下的模拟结果, 调整参数组合进行计算。

水下爆炸的模拟主要在近场的爆炸能量输出、气泡脉动的过程、远场冲击波及其对结构的的破坏三个方向。这篇论文主要讨论远场冲击波的数值模拟。

2.当前国内外的工作

ALE法全称arbitrary Lagrange-Euler方法，是一种避免网格过大变形的数值计算方法。它兼具Lagrange方法和Euler方法的特长，因此在水下远场冲击波的数值计算中得到了大量的运用。张奇.张若京[1]的研究阐明了ALE法可以用于土质中的爆炸模拟。A.R.Pishevar等人[2]的研究利用数值方法仿真了二维多物质可压缩流，证明了水下爆炸可以用ALE算法进行计算。并且模拟了在刚性墙一侧不远处的爆炸，也模拟了气泡的成型过程。Young S.Shin等人[4]利用拉格朗日-欧拉耦合算法（论文中使用ALE算法）对水下爆炸问题进行了模拟，主要考虑了水域中冲击波传播时峰值压力的变化以及一个钢壳体球在冲击波作用下的动态响应。

水下爆炸可以使用多种数值仿真软件进行模拟，ABAQUS Technology Brief[3]中阐明了ABAQUS利用声固耦合仿真技术进行潜水艇对水下爆炸动态响应的模拟。张广仁[5]使用

LS-DYNA软件利用ALE算法模拟了炸药在无限水域中爆炸的冲击波，分析了炸药的能量输出过程以及个别单元的压力时程曲线。

在提高远场冲击波数值计算精确度方面，刘科种等人[6]使用AUTODYN软件，对TNT水下爆炸产生的冲击波的传播过程进行了数值模拟。这论文表明了冲击波计算时对网格密度的依赖性。另一方面找到了一种通过降低人工粘性系数，然后低通滤波（因为要去除因为降低人工粘性系数而产生的伪震荡）的方法得到和实际结果相差不大的数值模拟技术。肖秋萍等人[7]在AUTODYN平台上的模拟也证明了水下爆炸模拟对网格密度的依赖性和局限性。张振华等人[8]利用MSC.DYTRAN软件对水下爆炸冲击波进行模拟。并且提出了通过修改水的状态方程参数从而使模拟结果靠近真实实验数据的方法。

除了上述ALE数值模拟方法姚熊亮等人[9]利用光滑粒子流体动力学（SPH）的方法对无限水域和水底炸药爆炸的冲击波传播情况进行数值模拟，结果较为理想。

3.相关数值模拟软件简介

LS-DYNA是著名的通用显式动力分析程序，能够较好地解决水下爆炸模拟涉及的炸药爆炸膨胀、气泡脉动、结构破坏等大变形问题。但是LS-DYNA的固流耦合算法因为计算精度令人不满意而且计算耗费大而不适合进行远场爆炸冲击波的模拟。但是LS-DYNA拥有*LOAD-SSA 关键字，可以用于模拟远场爆炸。

AUTODYN也是一个著名的通用显式动力分析软件，拥有非常深厚的军工背景，拥有非常丰富的材料模型，不仅是本构模型，相关的热力学状态方程也非常全面，可以模拟侵彻问题、爆炸问题、聚能射流、材料的高速动载效应、火箭点火发射过程等等。AUTODYN拥有remap 技术，可以将一维冲击波模拟结果映射到三维情况下用以分析结构在冲击波下的响应问题。根据笔者体验，AUTDYN最大的特点是操作简单，流程清晰。

ABAQUS是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，ABAQUS强大的对复杂的非线性问题的分析能力是它的特点。这个软件也是笔者比较熟悉的软件，在我接触侵彻相关的问题时已经能够感受到ABAQUS强大的分析能力和友好的操作界面。但是ABAQUS由于没有爆炸模拟相关的模块，因此ABAQUS并不适合单独模拟水下爆炸的远场冲击波，也因为这个原因，网上鲜见ABAQUS做水下爆炸冲击波模拟的资料。但是值得一提的是ABAQUS的声固耦合模块非常适合船舶结构在冲击波下的动态响应的数值模拟。在新版本（如ABAQUS 6.11）中已经添加了JWL的状态方程以及相关设置，ABAQUS模拟爆炸应该不久之后也会开发出来。

MSC.Dytran 是MSC.Software 公司的核心产品之一，专门适用于高速瞬态非线性动力问题，瞬态流固耦合问题的数值仿真。但是笔者并没有接触过这个软件，因此不做详细讲述。

4.发展趋势与展望

当今水下爆炸数值模拟的重难点在气泡脉冲相关的研究，因为其气泡脉冲会伴随大变形以及两相流的问题，因此在模拟时会非常复杂。而且随着非理想炸药如含铝炸药的发展，近场冲击波的产生与炸药能量输出过程的模拟和研究将会成为重点。

与前两个方向相比较而言，水下爆炸远场冲击波的传播因为水域环境较为简单而不会像空气中爆炸冲击波的传播一样受到重视，而且在工程应用方面，船舶结构动态响应的研究和数值模拟中远场冲击波的模拟可以利用经验公式算出的压力变化曲线来模拟冲击加载（例如David B. Woyak的研究[10]中利用ABAQUS声固耦合模拟船舶结构的动态响应，效果理想），既避免了人工粘性系数的设置抹平远场冲击波压力峰值带来的计算误差，又节省了高密度网格的计算耗费，在工程应用方面上讲更加实用和准确，因此笔者认为远场冲击波的模拟可能不会是热点。

但是远场冲击波的传播仍然有问题需要研究，比如人工粘度系数的设置对压力峰值的影响和提高仿真精度的方法，以及非理想炸药能量输出和气泡脉动对冲击波压力的影响都是可以继续探究的领域。

5.笔者本人的数值模拟实践过程

和辅导老师交流了之后我也打算实践一下水下爆炸的数值模拟。考虑到参考资料的丰富程度，初步定为利用LS-DYNA软件进行模拟，但是由于许可证安装出了问题，LS-DYNA一直不能使用，因此我最后换成了AUTODYN V6做模拟。

AUTODYN相关的中文资料较少，学习AUTODYN也只能看英文手册，所以学习起来比较费劲。并且我的电脑上的AUTODYN版本好像有点问题。

参考杨秀敏的《爆炸冲击现象数值模拟》[15]、A.R.Pishevar[2]的论文和张广仁[5]的论文之后我尝试使用楔形一维模型模拟，模型如下图：