唐 廷 朱 錫 韋灼彬 侯海量

1海軍工程大學 天津校區(qū)，天津 塘沽300450 2海軍工程大學 船舶與動力學院，湖北 武漢430033

艦船結構對水下近距爆炸的響應研究進展

唐 廷1，2朱 錫2韋灼彬1侯海量2

1海軍工程大學 天津校區(qū)，天津 塘沽300450 2海軍工程大學 船舶與動力學院，湖北 武漢430033

開展艦船結構對水下近距爆炸的響應研究對于改善艦船結構的防護性能、增強戰(zhàn)時的生存能力具有十分重要的意義。通過綜合近年來艦船結構對水下近距爆炸響應的研究成果，闡明了水下近距爆炸載荷的理論、實驗和數(shù)值研究進展，并分類總結了水下近距爆炸時的流體結構相互作用與平板、圓柱殼、梁和艦船結構響應的研究現(xiàn)狀。最后給出了當前急需加強研究的4個方面的問題：復雜邊界條件下的水下爆炸載荷特性、結構沖擊破壞的仿真、結構模型試驗相似規(guī)律以及新型材料和結構對水下近距爆炸載荷的響應。

爆炸力學；水下爆炸；結構響應；研究綜述

1 引言

開展艦船結構對水下近距爆炸的響應研究對于改善艦艇結構的防護性能，增強戰(zhàn)時的生存能力具有十分重要的意義。關于一般水下爆炸時的物理和化學現(xiàn)象，Cole［1］、Zamyshlyayev［2－3］等學者均開展過很詳細的研究。而對于艦艇結構附近的水下近距爆炸現(xiàn)象，Brett等［4］則作了較為簡單的描述。當水中武器接近結構時，戰(zhàn)斗部中的高爆炸藥會被引爆，然后在水中形成1個沖擊波和1個由爆炸產物氣體組成的脈動氣泡。隨著氣泡的脈動，不斷向周圍釋放出強度逐漸減小的壓力波。而在爆炸附近的任何結構將會受到沖擊波和氣泡脈動壓力波的沖擊作用，結構也會根據這些波的強度及其自身的強度作出響應。如果炸藥在結構很近的位置爆炸，氣泡的動力特性會發(fā)生改變，結構也會受到附加的沖擊載荷。由于結構阻止了水的流動，氣泡會失去穩(wěn)定，然后向結構的方向潰滅。氣泡向結構的方向運動并潰滅的現(xiàn)象可看作1種結構對它的吸引，這種現(xiàn)象被稱之為高速射流。如果結構與炸藥之間的距離與氣泡的最大半徑近似，則在氣泡向結構潰滅的過程中會形成一個高速的水射流作用在結構上，并可能對結構造成嚴重的局部破壞。這類關于水下近距爆炸載荷與結構響應的問題非常復雜，到目前仍然沒有很好地得到解決，是當前水下爆炸研究中的熱點。

2 水下近距爆炸載荷

炸藥附近水域中的結構會對爆炸產生的沖擊波和氣泡脈動有擾動作用，產生空化和氣泡潰滅引起的射流等物理現(xiàn)象。與自由水域中的爆炸相比，載荷特性更復雜。把結構假設成剛體可以降低研究難度，有利于分析周圍結構對水下近距爆炸載荷的影響。近年來，國內外學者運用理論、實驗和數(shù)值仿真等手段獲得了不少研究成果。

2.1 理論研究

當前已有的水下爆炸理論研究成果主要集中在自由場或存在空氣邊界等情況，結構為邊界條件的理論研究成果較少。1951年Herring［5］提出過剛性邊界和常壓邊界條件下的氣泡第一脈動周期的經驗公式，但忽略了水的可壓縮性，并假設氣泡始終保持為球形，因此其經驗公式存在一定的誤差，在使用時應注意其適用范圍；方斌等［6－7］在Vernon模型的基礎上進行了改進，考慮了水平剛性面和垂直剛性面邊界條件下的氣泡脈動運動，建立了相應的求解方程，擴展了求解范圍，為接觸爆炸的研究提供了理論基礎；而杜志鵬等［8］建立了水下剛性壁上的裝藥爆炸產生氣泡的動力學模型，從Bernoulli方程和能量守恒2個角度推導出描述半球形氣泡徑向運動的流體動力學方程，對方程數(shù)值求解得到了第一脈動周期內氣泡半徑和徑向運動速度隨時間變化的曲線。部分前蘇聯(lián)學者在不完全分離變量法的基礎上推導了在與彈性半空間接觸的液體層中非平穩(wěn)擾動的傳播問題的解析解［9］，這些成果對于淺層水中的爆炸載荷研究具有深遠的意義。

總體來說，理論研究的成果仍局限于單一邊界條件的范疇，綜合考慮水面、水底和水下結構等多個邊界條件的水下爆炸問題未能得到很好地解決。

2.2 實驗研究

水下近距爆炸產生的載荷包括初始沖擊波、氣泡脈動壓力、二次加載以及氣泡潰滅引起的射流載荷。利用高速攝影設備和壓力傳感器等設備進行高強度結構附近的小強度沖擊實驗，可以對這些載荷進行精確的研究。Chahine等［10］實驗研究了水下爆炸氣泡潰滅引起的高速射流載荷，并用有限元方法進行了對比分析。Brett等［4］利用高速攝影技術，觀察并測量了鋼圓柱結構附近水下爆炸的加速度和壓力，通過改變裝藥與結構的距離，研究了沖擊波、氣泡脈動、水的射流以及氣泡潰滅的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)沖擊波載荷具有重要的意義，氣泡脈動產生的壓力波的影響較小，它產生的速度峰值約為沖擊波的一半；而氣泡潰滅引起的射流載荷則比較大，它產生的速度峰值約為沖擊波的2倍。洪江波等［11］利用高速攝影儀觀測了自由場及結構近場下氣泡脈動的整個過程，獲得了氣泡脈動周期和最大半徑，與經驗公式對比較為吻合。牟金磊等［12］試驗研究了水下爆炸氣泡射流的產生條件以及載荷形式。

水下爆炸載荷實驗研究的現(xiàn)狀表明，氣泡潰滅引起的射流載荷是當前研究的重點。雖然取得不少定性的成果，但是準確定量的描述射流載荷的大小將是未來努力的方向。

2.3 數(shù)值研究

隨著計算機技術的迅猛發(fā)展，各種數(shù)值模擬軟件在水下爆炸領域得到了廣泛應用。應用較廣的有 LS－DYNA、3DynaFS、MSC／DYTRAN、AUTODYN、ABAQUS等大型有限元（FEM）軟件。近年來，運用SPH（光滑粒子水動力學）、邊界積分等方法也取得了不少研究成果。

Matsumoto［13］采用 MSC ／DYTRAN 研究了剛性邊界曲率對附近水下爆炸氣泡的影響，模擬得到初始沖擊波壓力、氣泡脈動壓力、氣泡半徑與周期，并將模擬結果與自由場中的水下爆炸結果進行比較；Swegle等［14］利用SPH等方法分析了水下爆炸時流體與結構相互作用、沖擊波與結構相互作用等一系列問題，運用SPH和歐拉方法詳細研究了氣泡在結構附近的潰滅過程和射流載荷；Chahine等［15］根據3DynaFS開發(fā)了1種三維邊界元法模擬了圓柱體附近的氣泡運動，氣泡的形狀和發(fā)展都與實驗結果非常吻合；Wang 等［16－17］運用彈性網格技術（EMT）與邊界積分方法（BIM）模擬了自由表面附近水下爆炸三維氣泡的發(fā)展過程；Brujan等［18］基于Kelvin脈沖的概念，運用邊界積分方法數(shù)值分析了剛性邊界附近氣泡脈動、遷移以及潰滅的動力學規(guī)律；Klaseboer等［19］則使用邊界元和邊界積分方法模擬了水下結構附近爆炸的氣泡運動過程；Kadioglu等［20］利用自適應求解技術模擬了結構附近水下爆炸的氣泡膨脹與潰滅過程；張阿漫和姚熊亮等［21－22］也利用邊界元法模擬了近邊界水下爆炸氣泡的動力學特征，建立了氣泡、壁面以及自由面三者之間復雜耦合動力學模型以及水下爆炸氣泡與自由面耦合數(shù)值模型，并開發(fā)相應計算程序進行了計算與分析。

從水下爆炸載荷數(shù)值研究的現(xiàn)狀來看，新方法和新技術的研究是當前的熱點，雖然取得了不少成果，但仍需加強計算的準確性和穩(wěn)定性，以得到大型商業(yè)計算軟件的認可，從而在工程實際中得到廣泛的運用。

3 水下近距爆炸時的結構響應

基于艦艇防護的需要，在水下爆炸載荷研究的基礎上，艦船設計、研究人員對水下近距爆炸時的結構響應進行了大量的研究。

3.1 流體結構相互作用

流體與結構的相互作用是研究結構對水下近距爆炸載荷響應的基礎。流體結構相互作用研究的成果為水下爆炸結構響應的數(shù)值仿真技術發(fā)展提供了直接的支持。

在美國海軍研究生院的多篇由Young指導的AD 報告［23－25］中，均列出了基于 Taylor［26］平板理論的流體結構相互作用的理論計算方法；Geers［27］提出了以一階雙重漸進近似法（DAA1）來分析水下爆炸的流固相互作用問題，它在高頻段和低頻段分別用平面波假設和虛質量假設進行逼近，精度很高，但中頻段采用線性過渡。隨后又提出了改進的二階 DAA 方法［28］和三階 DAA 方法［29］，計算精度得到很大提高；劉建湖［30］則成功將DAA方法應用于分析船舶結構對水下爆炸的動響應研究；Hamdan［31］探討了使用 Lagrangian 流體有限元單元模擬近場流固耦合的方法，可以用來分析二維軸對稱和三維的流體結構相互作用；Kobashi等［32］使用光滑粒子流體力學（SPH）模擬水下爆炸以及流體與結構的相互作用問題，與實驗結果對比后分析了SPH方法的優(yōu)劣特性。

3.2 平板結構的響應

為研究接觸爆炸對結構的局部沖擊，大多數(shù)研究人員將結構簡化成方板或圓板，分析結構的彈塑性動力響應。

Jiang等［33］提出了一種有限元與邊界積分相結合的方法用以研究圓板對水下爆炸載荷的非線性瞬態(tài)響應。結果表明，該方法可以合理地計算近距和遠場水下爆炸時的流固耦合問題；Ramajeyathilagam 等［34－35］則進行了固支方板對水下爆炸的非線性動力響應的試驗和數(shù)值仿真研究，試驗與仿真結果吻合得很好；Rajendran等在此方面進行了大量的工作，其開展了固支圓板的接觸爆炸試驗研究［36］，研究了平板在水下爆炸載荷作用下的線彈性沖擊響應［37］，系統(tǒng)地總結了平板試件受水下爆炸作用下的彈性與屈服行為、塑性變形能、變形時程、變形預測、平板隆起及破裂、應變率［38］；Hung等［39］則進行了水下爆炸條件下空背平板的彈性沖擊響應的試驗和數(shù)值仿真研究，比較了平板的加速度、速度和應力時程，二者得到了很好的吻合；諶勇等［40］在Taylor平板理論的基礎上用剛塑性法分析了簡支剛塑性圓板受水下爆炸載荷時的塑性動力響應，并與ABAQUS程序的計算結果進行了比較，表明不考慮空泡時所得到的結果較精確，并考察了流固耦合作用及空泡對結構響應的影響；陳先念等［41］采用數(shù)值方法研究了正方形板在水下爆炸沖擊波載荷作用下的動態(tài)響應，分析了板的變形模式，研究了板厚和爆炸沖擊因子對板的最大變形撓度的影響，推導出簡單適用的經驗公式。王善等［42］將脈動球面壓力波分解為不同時段內的環(huán)形載荷，利用李滋方程推導出圓板表面上壓力以及圓板圓心處的最大撓度計算公式。

在簡單平板的基礎上，許多學者開展了大量的加筋平板和夾心平板對水下爆炸的響應研究工作。Jiang等［43］提出了1種估算水中帶肋平板在水下爆炸載荷作用下非線性動力響應的簡化方法，給出了耦合體系的數(shù)學計算公式和部分計算實例；Librescu 等［44－45］運用數(shù)值方法對比研究了各向異性夾心平板對水下爆炸和空氣中爆炸的動力響應；Jen等［46］運用非線性有限元方法模擬了加筋平板在水下沖擊載荷作用下的變形，可指導加筋平板的抗水下爆炸設計；Gupta等［47］進行了加筋和不加筋方板在水下爆炸載荷作用下的變形與撕裂的數(shù)值模擬研究；朱錫等［48］進行了加筋平板在水下接觸爆炸作用下的破口試驗，給出了考慮加強筋影響的破口計算公式；張振華等［49］研究了加筋平板在水下爆炸沖擊波下動態(tài)響應的相似律，為加筋平板在水下爆炸沖擊波作用下動態(tài)響應的模型試驗提供了指導；牟金磊等［50］進行了水下爆炸載荷作用下加筋平板變形及開裂的試驗研究。

當前平板結構的響應研究較為成熟，可以為復雜艦艇結構的響應研究提供指導。特別是對于新型抗爆抗沖擊材料的應用和推廣來說，其平板結構的響應研究具有重要的意義。

3.3 圓柱殼結構的響應

為研究潛艇和管道等水中結構對水下爆炸載荷的響應，通常將結構簡化為圓柱殼。Shin等［51］采用數(shù)值仿真方法研究了非完整圓柱殼結構在水下爆炸作用下的破壞；Pédron 等［52］則從理論上研究了無限長加筋圓柱殼在水下爆炸壓力波沖擊作用下的動力屈曲問題；Hung等［53］制作了不加筋、內部加筋和外部加筋的3個封閉圓柱殼，在水池中進行了多次不同距離的水下爆炸試驗，研究了圓柱殼結構的動力響應，并與有限元計算的結果進行了比較；王剛等［54］基于圓柱殼與液流場相互作用的流固耦合運動條件和大撓度變形理論，研究無限長圓柱殼在水下爆炸沖擊載荷作用下的彈塑性動力響應問題，得到水下圓柱殼在爆炸沖擊載荷下彈塑性動力響應的規(guī)律；姚熊亮等［55］采用大型有限元計算軟件ANSYS／LS－DYNA對圓筒結構水下爆炸進行了數(shù)值實驗研究，與試驗數(shù)據進行對比分析，驗證了數(shù)值計算的正確性；余曉菲等［56］運用Hamilton變分原理計算了無限域流場中兩端簡支圓柱殼受球形炸藥爆炸沖擊載荷作用的響應，與有限元計算結果進行比較，驗證了算法的可靠性；李健等［57］采用實驗與數(shù)值模擬結合的方法，對圓柱殼結構在水中受到柱形TNT炸藥產生的沖擊載荷作用下的動力響應過程進行了研究。

當前的研究技術和手段可以對圓柱殼結構的一般沖擊響應和破壞進行較好的分析，但對于較遠距離（非遠場）上的水下爆炸引起的動屈曲的機理和判別依據等問題仍不能進行很好地解釋，這也是未來研究的一個熱點。

3.4 梁結構的響應

在分析艦船結構對水下爆炸氣泡脈動載荷的整體響應的問題時，通常將艦船結構簡化成變截面梁以研究結構的沖擊響應。Cunningham等［58］和Kwon等［59］研究了在水下爆炸結構響應的有限元分析中將加筋圓柱殼結構簡化成梁結構的可行性，分析表明二者具有相似的響應；Zong［60］運用塑性動力學理論研究了水面雙自由端梁受水下爆炸氣泡載荷作用下的塑性動力響應，通過Runge－Kutta方法求解運動方程，得到塑性動力響應解，結果表明，長梁可以承受更大的塑性變形，而短梁則可承受更大的剛體運動；董海等［61］用雙重漸進近似法描述了結構的動態(tài)變形與瞬態(tài)流場的耦合作用，從彎矩的角度考察了水下爆炸第1次氣泡脈動載荷對結構鞭狀響應的貢獻，總結了圓柱殼上的彎矩隨潛深、爆距、爆炸方向角變化的規(guī)律；李海濤等［62］采用理論分析、試驗研究和數(shù)值仿真的方法對船體箱形梁在水下近距爆炸載荷作用下的響應進行了詳細的研究。

采用箱形梁理論分析艦艇結構的整體響應取得了很好的效果，但對于水下近距爆炸載荷，在運用過程中應注意與艦艇結構的局部響應相結合，更好地反映結構的變形和破壞特點。

3.5 艦船結構的響應

艦船結構對水下爆炸的響應是水下爆炸研究的主要目標。艦船結構由板、殼、梁等組成，結構形式較為復雜，其對水下近距爆炸沖擊的響應研究也就非常困難，部分海外學者采用數(shù)值仿真方法對整船的沖擊響應進行了研究。Santiago［63］基于MSC／NASTRAN67.5 等 通 用 程 序 模 擬 研 究 了 阿利·伯克級驅逐艦（DDG 51）對水下爆炸的沖擊響應，通過研究空化對一維和二維模型的影響以確定其對三維模型的影響的重要性，其研究成果有益于艦船抗水下爆炸的研究并節(jié)省實船試驗費用；Wood［64］運用有限元程序模擬分析了水下爆炸時自由面附近空化現(xiàn)象對箱形結構 （艦船結構的簡化）的影響；Sprague 等［65］利用改良的有限元程序模擬類似艦船結構模型對水下爆炸沖擊的響應，證明了該程序的有效性；Liang等［66］編譯開發(fā)了1種有限元分析程序用來測試水面艦艇對水下爆炸的沖擊響應，利用有限元方法與DAA2相結合的方法研究了2 000 t的巡邏艇對水下爆炸（沖擊因子KSF＝0.8）的瞬態(tài)動力響應，詳細給出了龍骨處的沖擊載荷，不同位置的加速度、速度和位移時程，以及艦艇的塑性區(qū)域發(fā)展。

近年來內地學者也對艦船結構的水下近距爆炸沖擊響應進行了大量的研究，研究方法以局部模型實驗和數(shù)值仿真為主，研究的對象可分為潛艇結構、水面艦船舷側結構和船底結構等。

1）潛艇結構：張振華等［67］采用雙層殼體建模方案對潛艇結構進行整艇有限元建模，運用MSC／DYTRAN程序對整艇結構進行水下抗爆仿真；黃國兵等［68］基于 ANSYS／LS－DYNA 對潛艇典型艙段受到水下近場爆炸沖擊作用下的非線性動態(tài)響應進行了研究，對比分析了單殼體潛艇和雙殼體潛艇的計算結果；姚熊亮等［69］利用ABAQUS軟件對某潛艇結構進行數(shù)值計算，研究其在水下爆炸作用下的沖擊響應規(guī)律。

2）水面艦船舷側結構：朱錫等［70］對水面艦艇防雷艙結構模型進行水下抗爆能力系列試驗，探討了有無水中防御結構的利弊及防護效果，系統(tǒng)研究了艦艇舷側防御結構在水下爆炸載荷作用下的破壞機理，并對防雷艙進行水下抗爆設計；陳衛(wèi)東等［71］對多層殼結構在3種不同裝藥量情況下進行了水下接觸爆炸試驗，對試驗模型所產生的結構變形、破口尺寸、破口形狀及試驗模型典型部位的動態(tài)響應情況進行了觀測與分析，驗證了試驗之前的理論分析和數(shù)值仿真結果；王善等人則利用LS－DYNA有限元程序進行仿真計算，分析水下接觸作用下艦船防護結構中液艙的影響、多層板殼的破壞概率與可靠性。

3）船底結構：張振華等［72］試驗研究了艦船底部液艙雙層板結構在水下爆炸作用下的動態(tài)響應問題，對艦船底部液艙模型在空載、半載和滿載狀態(tài)下進行了水下爆炸試驗，試驗測量了底部液艙外板和內板的壁壓、加速度和動態(tài)應變等參數(shù)；李磊等［73］采用AUTODYN－3D仿真分析了水下爆炸對雙層船底結構的毀傷效應，給出了不同的船底結構在水下爆炸作用下的響應特點。

4 相關研究建議

雖然艦船結構對水下近距爆炸的響應研究已取得不少成果，但由于該問題的復雜性，仍然存在許多不足，有必要開展深入研究。

1）復雜邊界條件下的水下爆炸載荷特性：真實環(huán)境中的水下近距爆炸載荷與自由水域中的爆炸載荷存在很大的差異，必須綜合考慮自由水面、水底和附近結構物等邊界對水下爆炸載荷的影響。目前對單一邊界條件下的水下爆炸載荷研究已有部分進展，但同時考慮多個邊界影響的水下爆炸載荷特性研究仍較為困難，加強復雜邊界條件下的水下爆炸載荷研究很有必要。

2）結構沖擊破壞的仿真研究：由于結構破壞模擬過程中的單元失效、流固耦合界面調整以及歐拉材料的流動等問題的處理非常復雜，當前結構對水下近距爆炸響應的仿真研究主要集中于結構的彈塑性響應，較少考慮結構破壞后的響應過程。雖然部分有限元程序已整合相關算法，但在材料模型和單元失效處理（單元刪除后的能量損失）上仍存在不足，模擬的準確性與精度很難保證。因此完善和改進相關瞬態(tài)動力分析程序是未來必須加強的工作。

3）結構模型試驗相似規(guī)律研究：綜合利用高速攝影設備和高精度傳感器，水下近距爆炸結構響應的試驗研究取得了不少成果。由于經費的制約，大部分的試驗為縮比模型試驗，因此模型與真實結構的縮比關系處理非常關鍵，只有采用正確的縮比方法才能準確模擬真實結構的響應。當前的縮比方法主要為幾何縮比，而縮比過程中材料參數(shù)與結構邊界約束等問題關注較少，開展相關的研究對提高試驗的準確性有很重要的意義。

4）新材料和新結構對水下近距爆炸載荷的響應：為優(yōu)化艦船結構設計和提高艦船抗爆抗沖擊能力，各種新材料和新結構形式在艦船上得到廣泛應用。開展新材料和新結構對水下近距爆炸載荷的響應研究具有非常緊迫的現(xiàn)實意義，其也將成未來水下爆炸研究的熱點和重點之一。

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Review on Response of Warship Structures Subjected to a Close Underwater Explosion

Tang Ting1，2Zhu Xi2Wei Zhuo－bin1Hou Hai－liang2

1 Tianjin Campus， Naval University of Engineering， Tianjin 300450， China 2 College of Naval Architecture and Power， Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China

By reviewing the response of warship structures subjected to a close underwater explosion， the theoretic，experimental and numerical study developments on loading of close underwater explosion were illustrated， and the fluid－structure interaction and response of plates， cylindrical shells， beams and warship structures subjected to a close underwater explosion were summarized.Four aspects that should be studied urgently were presented as follows：characteristics of underwater explosion loading in complex boundary conditions， simulation of impact destroy of structures， comparability of models test， and response of new materials and structures to close underwater explosion.

explosive mechanics； underwater explosion； response of structure；review

U674.703，O383.1

A

1673－3185（2012）02－01－08

10.3969/j.issn.1673-3185.2012.02.001

2011-08-02

中國博士后基金項目（20100471794）

唐 廷（1980－），男，博士。研究方向：武器效應與工程防護。E-mail：kublai＠126.com

朱 錫（1983－），男，博士，教授，博士生導師。研究方向：船舶抗爆炸沖擊及裝甲防護技術。E-mail：zhuxi816＠163.com

唐 廷。

［責任編輯：喻 菁］