水下爆炸对舰船结构损伤特征研究综述_张阿漫.caj

张阿漫 1 王诗平 1 汪 玉 2 姚熊亮 1
1 哈尔滨工程大学 船舶工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001 2 海军装备研究院，北京 100073
摘 要： 鱼雷、水雷等水中兵器是舰船生命力的主要威胁之一。 舰船水下爆炸已成为国际上研究的热点问题，虽
然，近年来在舰船水下爆炸领域取得了一系列丰硕的研究成果，但迄今为止，水下爆炸冲击波、气泡运动及其对
舰船结构的毁伤机理与规律仍未被完全揭示。 针对此研究现状，首先分析了水下爆炸载荷特性，总结了水下爆炸
对舰船结构的毁伤特性；其次，从应用研究和科学研究两方面，概括了舰船水下爆炸实验、理论分析以及数值方
法方面的研究进展，总结了在基础研究方面存在的问题，旨在为舰船抗爆抗冲击相关研究提供参考。
关键词： 水下爆炸； 舰船结构； 冲击波； 气泡
王诗平（1983 － ） ，男，博士研究生。 研究方向：水下爆炸气泡动力学。 E-mail：shipingwang316@gmail. com
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中国舰船研究
第6卷
舰船结构造成严重局部损伤 。 ［6－7］ 气泡脉动运动是 水下爆炸区别于空中爆炸的重要方面。 爆轰阶段 结束以后， 在水中产生的高温、 高压的爆轰产物 （主要为气体）为初始气泡，在气泡内外压力差以 及流体惯性的双重作用下脉动运动，产生滞后流， 并对水中结构物产生脉动压力。 气泡滞后流、脉动 压力载荷大、时间长，呈现低频特征，对舰船造成 总体毁伤 。 ［16－21］ 此外，在特定的条件下，水下爆炸 气泡还会存在高速射流现象。 射流形成的原因主 要源于以下方面：
1） 气泡周围的其他边界面，如固壁面或自由 面；
2） 惯性力的作用，如重力； 3） 气泡受到剧烈的冲击波的作用。 与 其 相 关 的 内 容 可 分 别 参 见 Blake ［3］、 张 阿 漫 ［4］、Klaseboer［4］的 研 究 成 果 。 气 泡 射 流 速 度 高 、 力量大，造成舰船结构严重的局部损伤，相当于水 锤 对 舰 船 局 部 强 度 的 破 坏 （称 为 “气 泡 锤 ”） 。 ［22－25］ 水下爆炸及其对舰船结构的毁伤特性如图 1 所 示。
第3期
张阿漫等：水下爆炸对舰船结构损伤特征研究综述
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家相比还存在较大的差距。 首先，实验设施比较 落后，像大中型的爆炸水池等实验设施在全国是 屈指可数，无论是规模还是测试能力都比国外先 进国家落后很多。 其次，基础研究方面不够深入， 有一定的重复研究现象。 在数值仿真方面，自主 开发的模拟水下爆炸的软件甚少，主要依赖进口 商用软件，而现有通用软件中有关舰船抗爆抗冲
我国开展舰船水下爆炸 研 究 始 于 上 世 纪 60 年代， 但直到 80 年代后期才开始得到相关部门 的重视 。 ［6，8］ 迄今为止，国内仅开展了几次大规模 的海上实船爆炸实验， 所取得的数据极其有限。 尽管国内水下爆炸研究最近 10 年取得了许多值 得 肯 定 的 成 绩 ， ［36－45］ 在 某 些 方 面 甚 至 接 近 或 处 于 世界先进行列，但就其整体水平而言，与发达国
实船爆炸数据库 MIL 标准
北约
部分实船爆炸试验 通用数值软件
BV 标准
我国
实船爆炸试验较少 尚无自主开发软件
标准不全，实用百度文库差，关键 参数需模型实验确定
图 2 水下爆炸及其对舰船结构的毁伤特性 Fig.2 Study status of application of underwater explosion
击数值仿真分析的核心模块禁止向我国出口，导 致现有软件并不能解决舰船抗爆抗冲击基础性 和机理性问题， 而这些机理性问题恰恰直接关 系到海军重点型号的研制与设计，这给舰船水下 爆炸研究工作造成了极大的困难 。 ［6，8，16］ 目前国内 外关于水下爆炸应用的研究现状总结如图 2 所 示。
美国
实船爆炸试验 专用软件 USA
1引言
水 下 爆 炸 物 理 现 象 十 分 复 杂 ［1－15］， 包 括 初 始 爆 轰、冲击波、爆轰物形成的气泡，且气泡运动诱发 滞后流、气泡坍塌产生脉动压力及高速射流。
当爆炸物在水中爆炸时， 在一瞬间产生大量
的高温、高压爆轰产物，强烈的挤压周围的流体介 质，使其压力、密度迅速升高，形成初始冲击波。 对 此 ，Cole［1］对 水 下 爆 炸 的 现 象 、 物 理 化 学 变 化 、 水 下 爆炸载荷的分布和传播特点进行了详尽的阐述， 并给出了水下爆炸冲击波的半经验半理论公式。 通常，冲击波的压力大、时间短，呈现高频特征，对
收稿日期： 2010 - 11 - 16 基金项目： 第十二届霍英东教育基金项目（121073）； 国家自然科学基金项目（10976008，50809018，51009035，50939002）；
国 库 基 本 科 研 业 务 费 资 助 项 目 （GK2010260108 ） 作者简介： 张阿漫（1981 － ） ，男，博士，教授。 研究方向：水下爆炸气泡动力学。 E-mail：amanzhang@gmail. com
阶段
毁伤特性
初始爆轰
水下爆炸
冲击波传播
气泡脉动
脉动压力 滞后流
压力大、频率高，造成舰船局部 强度毁伤
载荷大、频率低，造成舰船总纵 强度毁伤
冲击波
局部破坏 总体折断
人造波浪
射流
速度高、力量大，造成舰船局部 强度毁伤，称“气泡锤”
局部凹坑 气泡锤
图 1 水下爆炸及其对舰船结构的毁伤特性 Fig.1 Damage characteristics of ship structure subjected to underwater explosion load
结 果 推 广 到 实 船 ［45－47］， 因 此 ， 模 型 实 验 很 难 准 确 评 估与考核实船的抗爆抗冲击能力。 局部板架水下 爆炸实验虽可以节约成本， 然而由于局部板架与 实际船体结构在边界条件上存在很大差异， 通过 已有的数值计算结论和理论分析可知， 局部板架 在爆炸载荷下的响应与实船板架的响应差别较 大。 因此，局部板架实验结果难以评估与考核实船 结构强度， 用其评估实船的抗爆抗冲击能力精度 较低。
第6卷 第3期 第2031期1 年 6 月
中国舰船研究 Chinese Journal of Ship Research
doi： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 3185 . 2011 . 03 . 001
Vol.6 No.3 Jun. 2011
水下爆炸对舰船结构损伤特征研究综述
随着现代兵器技术的不断变化和快速发展， 作为海上作战平台的舰船面临着日益严峻的生存 环境， 各国海军对舰船在极端情况下的生命力要 求越来越高，而鱼雷、水雷等兵器水下爆炸是舰船 生命力的主要威胁之一。 因此，舰船抗水下爆炸性 能 已 成 为 世 界 上 普 遍 关 注 的 问 题 ， ［26－36］ 下 面 从 应 用研究和科学研究 2 个方面阐述水下爆炸对舰船 结构的毁伤研究进展。
以美国为代表的各海军强国为了确保海军装 备安全， 自 20 世纪 50 年代以来对首制舰均采取 了实船爆炸考核，寻找其薄弱环节，以求改进，形 成了专用软件［48－53］，但至今仍对我国禁运。 另外， 通过积累大量的实船爆炸实验数据， 建立了实船 实验数据库， 并制定了舰船抗爆抗冲击设计标 准 ［8，53］，如 MIL－901D、BV0430 ／ 85 等。
2 应用研究进展
国内外通过开展海上实船爆炸实验， 积累大 量数据、资料，通过严格的量纲分析，并结合有效 的数值手段， 得出舰船在作战条件下的抗水下爆 炸能力， 这是舰船抗爆抗冲击研究最可靠的方 式 ， ［1，37－41］ 但 实 船 爆 炸 实 验 十 分 昂 贵 ，且 实 施 难 度 巨大。 若采用水下爆炸缩尺比模型实验，则受到 水下爆炸相似理论的限制 。 ［42－47］ 缩比实验涉及到 结构动力学、 材料非线性以及水下爆炸载荷等相 似问题，由于模型加工工艺、实验条件等因素的约 束，即使模型与实船的缩尺比较小，也难以保证船 体结构、材料以及载荷均完全满足相似准则。 由于 水下爆炸模型实验属于瞬态强非线性动力学相似 问题，至今人们尚未找到相似规律，将模型实验的
Abstract： Underwater shock loading due to explosion of torpedo or mine may be one of the main threats to the survivability of ship． This has attracted enormous interest in the warship design field， and a large literature dedicated to the underwater explosion problem over the past several years have been released， however， the behaviors in terms of underwater explosion shock wave， bubble dynamics together with their impacts on the ship structure have not yet been fully revealed． This paper analyzed the characteristics of underwater explosion loads， and summarized the characteristics of structural damages to the ship subjected to underwater explosion． The paper also outlined the development progresses both in the application and scientific research， ranging from experimental studies， theoretical analyses to numerical methods for the research purpose． The issue has been put forward to address the necessity of basic research， which aims to provide a reference for related researches on warship anti－detonation and anti－shock． Key words： underwater explosion； ship structure； shock wave； bubble
Zhang A－man1 Wang Shi－ping1 Wang Yu2 1 School of Shipbuilding Engineering， Harbin Engineering University， Harbin 150001， China
2 Naval Academy of Armament， Beijing 100073， China
中 图 分 类 号 ：U661.44
文 献 标 志 码 ：A
文章编号：1673 － 3185 （ 2011 ） 03 － 01 － 07
Advances in the Research of Characteristics of Warship Structural Damage Due to Underwater Explosion
3 科学研究进展
从舰船水下爆炸应用研究进展可知， 国际上 开展了较多模型实验和实船水下爆炸实验， 取得 了较多可用于工程设计的研究成果 。 ［1，4－8］ 但是，由 于水下爆炸实验属于破坏性实验， 目前开展的多 属中远场水下爆炸实验， 如实弹攻击舰船的近场 或接触爆炸实验仍然很少， 难以总结水下爆炸对 舰船结构的毁伤规律并揭示其本质 。 ［53－54］ 而且如 近水面爆炸产生的水冢、 近海底爆炸冲击波反射 以及气泡的不稳定现象等均难以采用现在的工程 实验技术精确测量，需通过机理性实验、理论分析 与数值方法进行探索 。 ［55－58］