伍　俊，楊　益，莊鐵栓,2

(1. 總參工程兵科研三所，河南 洛陽 471023； 2. 解放軍理工大學(xué)爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210007)

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水中爆炸作用機(jī)理及毀傷效應(yīng)研究綜述

伍俊1，楊益1，莊鐵栓1,2

(1. 總參工程兵科研三所，河南 洛陽 471023； 2. 解放軍理工大學(xué)爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210007)

摘要：為深入揭示水中爆炸的作用機(jī)理及毀傷效應(yīng)特性，從不同炸藥水中爆炸機(jī)理、水中爆炸沖擊波傳播、水中爆炸氣泡脈動(dòng)、水中爆炸結(jié)構(gòu)破壞效應(yīng)與動(dòng)態(tài)響應(yīng)、水中爆炸測(cè)試試驗(yàn)技術(shù)、水中爆炸數(shù)值模擬與毀傷評(píng)估等6個(gè)方面，綜述了國內(nèi)外對(duì)水中爆炸作用機(jī)理及毀傷效應(yīng)的研究進(jìn)展。提出急需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題為：非理想炸藥水中爆炸能量釋放與傳播、沖擊波/氣泡耦合作用對(duì)結(jié)構(gòu)的毀傷、水中爆炸結(jié)構(gòu)毀傷評(píng)估方法、水中爆炸多尺度模擬技術(shù)等。附參考文獻(xiàn)86篇。

關(guān)鍵詞：水中爆炸；作用機(jī)理；毀傷效應(yīng)；氣泡脈動(dòng)；非理想炸藥；毀傷評(píng)估；綜述

引言

水與空氣兩種介質(zhì)的物理性質(zhì)存在較大差異，導(dǎo)致炸藥水中爆炸與空氣中的爆炸特性有許多不同之處，不僅爆炸的物理現(xiàn)象和機(jī)理不同，爆炸荷載作用也各有特點(diǎn)。對(duì)水中爆炸的研究始于19世紀(jì)初，1860年，美國的Albort將軍指導(dǎo)進(jìn)行了早期艦船爆炸試驗(yàn)，并于1881年發(fā)表了對(duì)試驗(yàn)情況的總結(jié)報(bào)告[1]。水中爆炸研究在兩次世界大戰(zhàn)中得到了快速發(fā)展，在此期間，美國Cole[2-5]根據(jù)大量的水中爆炸試驗(yàn)，于1948年對(duì)水中爆炸的物理現(xiàn)象、爆炸機(jī)理和水中爆炸遵循的基本定律進(jìn)行了研究和總結(jié)，使水中爆炸研究形成了比較系統(tǒng)的理論體系。在之后的幾十年間，人們?cè)谒斜ɑA(chǔ)理論研究方面并未取得突破性進(jìn)展，僅局限于對(duì)Cole理論的修正和補(bǔ)充。20世紀(jì)70年代以后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算方法的發(fā)展進(jìn)步，水中爆炸數(shù)值模擬推動(dòng)了水中爆炸研究的快速發(fā)展，當(dāng)前的水中爆炸數(shù)值模擬結(jié)果可以指導(dǎo)并應(yīng)用于工程實(shí)踐[6-7]。

水中爆炸研究主要關(guān)注爆炸在水中產(chǎn)生、演變、傳播以及與水下目標(biāo)相互作用的理論、方法和手段，涉及兵器科學(xué)與技術(shù)、船舶與海洋工程、力學(xué)、材料科學(xué)等多個(gè)學(xué)科，現(xiàn)已成為支撐水中兵器及其對(duì)目標(biāo)毀傷能力、水中工程技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的關(guān)鍵基礎(chǔ)。國內(nèi)外也有多個(gè)專職研究機(jī)構(gòu)圍繞水中爆炸現(xiàn)象、傳播規(guī)律、結(jié)構(gòu)破壞效應(yīng)、試驗(yàn)技術(shù)及應(yīng)用等方面開展了大量的研究工作，使水中爆炸研究得到了迅猛發(fā)展，本文對(duì)此進(jìn)行總結(jié)及評(píng)述。

1不同炸藥水中爆炸機(jī)理研究

水中爆炸及其沖擊波物理學(xué)現(xiàn)象十分復(fù)雜，只有掌握不同炸藥水中爆炸現(xiàn)象的機(jī)理才能正確理解動(dòng)態(tài)沖擊載荷在水中的發(fā)展和傳播。張志江等[8]對(duì)高能炸藥水中爆炸的能量輸出特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，采用位標(biāo)函數(shù)捕捉物質(zhì)界面，用修正的虛擬流體方法處理界面問題，其中含能材料爆轟產(chǎn)物JWL狀態(tài)方程系數(shù)通過Kihara-Hikita-Tanaka計(jì)算的等熵膨脹數(shù)據(jù)擬合得到，并實(shí)現(xiàn)了程序化，通過對(duì)TNT和PETN兩種高能炸藥在水中爆炸的能量輸出特性進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)相似率計(jì)算結(jié)果比較吻合，誤差在10%以內(nèi)。

牛國濤等[9]對(duì)含納米鋁和微米鋁炸藥進(jìn)行了水下爆炸試驗(yàn)，對(duì)比分析了二者在水下爆炸的沖擊波峰值壓力、沖擊波能、氣泡能。結(jié)果表明，在以RDX為基的含鋁炸藥水下爆炸試驗(yàn)中，微米鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)在25%左右時(shí)，達(dá)到最大沖擊波壓力值；含納米鋁的炸藥沖擊波壓力隨鋁粉含量呈線性變化，且最大值高于含微米鋁炸藥，在水下炸藥納米鋁配方設(shè)計(jì)中，納米鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于20%，可得到較高的沖擊波能，納米鋁和微米鋁的級(jí)配可以明顯提高沖擊波壓力，但是含微米鋁炸藥沖擊波能始終占優(yōu)。史銳等[10]對(duì)TNT和3種新設(shè)計(jì)的含鋁炸藥進(jìn)行了水中爆炸實(shí)驗(yàn)，比較了各炸藥的爆炸性能。結(jié)果表明，沖擊波峰值超壓、比例沖量和比例能流密度等參數(shù)能較好地符合爆炸相似率；盡管含鋁炸藥的沖擊波能隨距離變化存在跳動(dòng)性，但仍可以發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)的3種PBX炸藥的沖擊波能和氣泡能較理想炸藥都有大幅提高。

馮曉軍等[11]以RDX為主炸藥，通過添加不同含量的Al粉和AP制成6種RDX基復(fù)合炸藥，采用水中爆炸實(shí)驗(yàn)，從沖擊波參數(shù)和氣泡參數(shù)等方面分析了Al粉和AP對(duì)復(fù)合炸藥水中爆炸性能的影響，結(jié)果表明，主炸藥含量不變時(shí)隨著Al與AP摩爾比的增大，沖擊波峰值壓力、時(shí)間常數(shù)、沖量和能流密度都逐漸減小，當(dāng)Al與AP的摩爾比約為3.8時(shí)，氣泡半徑或氣泡脈動(dòng)周期達(dá)到最大值。宋浦等[12]通過小型爆炸水池實(shí)驗(yàn)，研究了端面點(diǎn)起爆和中心點(diǎn)起爆狀態(tài)下TNT裝藥水中爆炸能量輸出結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，并將兩者進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明，裝藥端面點(diǎn)起爆后，能量輸出結(jié)構(gòu)-沖擊波壓力峰值和比沖量有較大的變化，靠近起爆端方向的沖擊波壓力峰值和比沖量變化均較其他方位提高，端面點(diǎn)起爆狀態(tài)比中心點(diǎn)起爆特定方位的沖擊波壓力峰值和比沖量增大約10%。得出在裝藥形狀基本不變的條件下，改變起爆方式即可實(shí)現(xiàn)在水下特定方位處的爆炸能量輸出結(jié)構(gòu)變化。

周霖等[13]通過典型炸藥爆炸的性能參數(shù)分析，計(jì)算了不同類型水中兵器用混合炸藥水中爆炸的沖擊波能、氣泡能、沖擊波峰值壓力方程中的系數(shù)k和α以及水中爆炸沖擊波峰值壓力，研究表明，鋁氧比在0.38左右時(shí)，炸藥水中爆炸的沖擊波能達(dá)到最大，氣泡能則隨著鋁氧比的增加而增大，此時(shí)提高炸藥爆熱，可獲得較大的沖擊波能，從而得到較大的作用沖量，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的有效毀傷；鋁氧比接近1，即鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)約40%時(shí)，氣泡能達(dá)到最大值，再增加鋁粉，氣泡會(huì)降低；炸藥水中爆炸的沖擊波峰值壓力依賴于超壓方程中系數(shù)k和α，k越大α越小，炸藥水中爆炸沖擊波峰值壓力就越高；爆熱和密度的乘積決定k值大小，爆熱和密度乘積越大，k值就越大，反之k值越??；沖擊波損失系數(shù)、爆熱和爆壓影響α值大小，爆熱越小、爆壓越大、沖擊波損失系數(shù)越大，α值就越大，反之α值就越小。

閆偉杰等[14]通過測(cè)定某PBX型高能炸藥的水中爆炸能量輸出參數(shù)，給出了水中兵器用該P(yáng)BX型炸藥的水下爆炸能量輸出特性；對(duì)大藥量帶殼PBX炸藥水中爆炸沖擊波的遠(yuǎn)場(chǎng)壓力進(jìn)行了測(cè)量，探討了鋼質(zhì)殼體對(duì)水中爆炸的沖擊波能及氣泡能產(chǎn)生的影響，并用數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，同種炸藥質(zhì)量的裝藥，帶鋼殼炸藥所產(chǎn)生的沖擊波峰值壓力在近場(chǎng)大于裸炸藥，而在遠(yuǎn)場(chǎng)兩者的峰值壓力的差距逐漸變??；帶鋼質(zhì)殼體炸藥所產(chǎn)生的沖擊波能要大于裸炸藥，而氣泡能則小于裸炸藥。

2水中爆炸沖擊波傳播研究

水的密度比空氣的大很多，因此爆炸產(chǎn)物的膨脹在水中比在空氣中慢很多。因?yàn)樗拿芏却?，可壓縮性小，這就使得水下沖擊波的初始?jí)毫Ρ瓤諝庵写蟮枚?，由于水的特殊性質(zhì)，開展水中爆炸沖擊波傳播規(guī)律研究對(duì)深化毀傷效應(yīng)認(rèn)識(shí)具有重要作用。趙根等[15]對(duì)水中沖擊波傳播規(guī)律的公式形式進(jìn)行了探討，通過對(duì)4次水中沖擊爆破試驗(yàn)及對(duì)監(jiān)測(cè)資料的分析，得到了高能、普通乳化炸藥水中爆炸沖擊波的傳播規(guī)律。結(jié)果表明，相同藥量條件下，炸藥水中爆炸產(chǎn)生的沖擊波大小與炸藥類型有關(guān)，大小關(guān)系是：TNT炸藥>高能乳化炸藥>普通乳化炸藥。李金河等[16]采用PCB138壓力傳感器測(cè)量了TNT、RS211、HLZY-1和HLZY-3等幾種炸藥水中爆炸沖擊波遠(yuǎn)場(chǎng)的壓力—時(shí)間歷程，計(jì)算得到這幾種炸藥水中爆炸沖擊波性能參數(shù)及其相似常數(shù)。結(jié)果表明，含鋁炸藥水中爆炸沖擊波遠(yuǎn)場(chǎng)的傳播服從指數(shù)變化的相似率，含鋁炸藥的水中爆炸沖擊波時(shí)間常數(shù)大，比沖量和比能流密度較高，其沖擊波性能比TNT優(yōu)越。劉志[17]通過試驗(yàn)研究了水中爆炸沖擊波的傳播特性，通過現(xiàn)場(chǎng)試爆及其現(xiàn)象分析，得出了藥包布置原則；利用高速攝影技術(shù)再現(xiàn)了水中爆炸沖擊波波陣面的動(dòng)態(tài)傳播過程，得出波陣面?zhèn)鞑ニ俣燃捌鋫鞑ヒ?guī)律；根據(jù)水沖擊波波陣面?zhèn)鞑ニ俣?，得出不同距離處的峰值壓力，并對(duì)水中沖擊波峰值壓力、傳播距離及藥量關(guān)系進(jìn)行分析。

楊莉等[18]研究了沉底裝藥水中爆炸沖擊波的傳播規(guī)律，結(jié)果表明，自由場(chǎng)和沉底爆炸沖擊波壓力均呈現(xiàn)出指數(shù)衰減規(guī)律，但自由場(chǎng)水中爆炸由于氣泡脈動(dòng)作用存在明顯的二次壓力波，其峰值壓力約為沖擊波峰值壓力的1/4，而沉底爆炸則無明顯的二次壓力波情況，但在裝藥正上方位置處較自由場(chǎng)爆炸出現(xiàn)顯著波動(dòng)。項(xiàng)大林等[19]為了研究裝藥殼體厚度對(duì)水中爆炸沖擊波特性的影響，對(duì)1.0 kg柱形含鋁炸藥分別在厚度為6.0 mm的鋼殼或硬鋁殼裝藥下進(jìn)行了水中爆炸實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明，相對(duì)硬鋁殼，鋼殼裝藥的沖擊波沖量、衰減時(shí)間常數(shù)以及沖擊波能都偏大，而沖擊波峰值相差不大；針對(duì)不同厚度鋼殼裝藥的數(shù)值模擬表明，隨著殼體厚度的增加，沖擊波參數(shù)明顯增強(qiáng)，當(dāng)殼體厚度超過最優(yōu)值時(shí)這種效應(yīng)減弱；金屬殼的存在導(dǎo)致沖擊波峰值爬升產(chǎn)生滯后效應(yīng)；對(duì)一定質(zhì)量的炸藥，存在可有效提高沖擊波壓力峰值的最優(yōu)殼厚，填裝比可作為衡量效果的重要指標(biāo)。

盛振新等[20]研究了兩發(fā)炸藥水中爆炸沖擊波之間的相互作用，利用AUTODYN模擬軟件，計(jì)算了同時(shí)起爆和延時(shí)起爆兩種情況下兩發(fā)炸藥水中爆炸沖擊波峰值壓力，并與單發(fā)炸藥水中爆炸沖擊波進(jìn)行對(duì)比，通過分析峰值壓力和沖擊波到達(dá)延時(shí)，得出在兩發(fā)炸藥同時(shí)起爆的情況下，炸藥爆炸產(chǎn)生的氣泡會(huì)對(duì)臨近炸藥的爆炸沖擊波產(chǎn)生衰減作用；兩發(fā)炸藥延時(shí)起爆且不會(huì)引起殉爆的情況下，在距先起爆炸藥較近處，先起爆炸藥產(chǎn)生的氣泡會(huì)對(duì)后起爆炸藥的沖擊波產(chǎn)生衰減作用，并且使沖擊波的傳播速度變慢；在距后起爆炸藥較近處，后起爆炸藥的爆炸會(huì)對(duì)先起爆炸藥的沖擊波產(chǎn)生增強(qiáng)作用，并使沖擊波的傳播速度變快。

師華強(qiáng)等[21]通過求解球形一維流體動(dòng)力學(xué)方程，模擬了水下爆炸沖擊波的產(chǎn)生和傳播過程。研究表明，水下爆炸沖擊波近場(chǎng)壓力變化劇烈，對(duì)水的狀態(tài)方程要求高，Two-phase狀態(tài)方程不僅能描述水或水蒸氣的單一狀態(tài)，還能很好地描述水和水蒸氣的混合狀態(tài)，適合模擬水下爆炸沖擊波的產(chǎn)生和傳播過程。當(dāng)網(wǎng)格大小為1.5mm時(shí)，計(jì)算精度滿足要求，并驗(yàn)證了沖擊波在近場(chǎng)也滿足相似定律。

3水中爆炸氣泡脈動(dòng)研究

由于沖擊波形成的氣泡射流速度高達(dá)每秒幾千米，對(duì)其附近結(jié)構(gòu)會(huì)造成嚴(yán)重?fù)p傷，研究水中爆炸氣泡脈動(dòng)對(duì)工程設(shè)計(jì)及應(yīng)用具有重要意義。黃超等[22]采用高速攝影技術(shù)研究了水下爆炸氣泡的動(dòng)態(tài)特性，分別從定性和定量的角度分析了水箱邊界影響產(chǎn)生的誤差，研究了小當(dāng)量PETN 的水下爆炸氣泡現(xiàn)象，結(jié)果表明，在鋼制實(shí)驗(yàn)水箱中建立的實(shí)驗(yàn)室尺度水下爆炸氣泡的實(shí)驗(yàn)方法是科學(xué)可行的，考慮到邊界對(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)的影響隨著藥量的增大而增加，因此，實(shí)驗(yàn)時(shí)需要控制使用的藥量。汪斌等[23]在實(shí)驗(yàn)水箱中采用高速攝影技術(shù)獲得了炸藥水中爆炸氣泡脈動(dòng)過程圖像，結(jié)果表明，短長徑比為1.05的PENT炸藥柱水中爆炸產(chǎn)生的氣泡形狀近似球形，氣泡脈動(dòng)周期和半徑隨炸藥質(zhì)量的增加而增大；在膨脹階段，氣泡中心位置保持不變，隨著氣泡半徑的不斷縮小，氣泡上浮越來越明顯；受重力影響，氣泡下表面收縮速度高于上表面，在收縮至氣泡半徑最小時(shí)下表面向上沖頂，氣泡潰滅形成水射流。

張阿漫等[24]研究了自由場(chǎng)水中爆炸氣泡的物理特性，將水中爆炸氣泡運(yùn)動(dòng)階段周圍流場(chǎng)假設(shè)為無粘、無旋、不可壓縮的理想流體，運(yùn)用邊界元法模擬自由場(chǎng)中氣泡運(yùn)動(dòng)；在氣泡運(yùn)動(dòng)模擬過程中引入數(shù)值光順技術(shù)及彈性網(wǎng)格技術(shù)，避免因網(wǎng)格扭曲而導(dǎo)致的數(shù)值發(fā)散，并開發(fā)了計(jì)算程序。計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合良好，誤差小于10%。張阿漫等[25]進(jìn)一步研究了三維水下爆炸氣泡動(dòng)力學(xué)，結(jié)果表明，位于目標(biāo)結(jié)構(gòu)附近的水下爆炸氣泡，在多種情況下可向結(jié)構(gòu)形成噴射，噴射會(huì)對(duì)目標(biāo)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重破壞；在氣泡附近正確的位置，在自由表面和重力的作用下，氣泡產(chǎn)生的噴射可能直接撞擊到結(jié)構(gòu)上，或者完全錯(cuò)開，因此研究氣泡動(dòng)力學(xué)對(duì)于提高水下結(jié)構(gòu)生存能力具有重要意義。黃超等[26]研究了柱形裝藥水中爆炸氣泡的形態(tài)演變，采用高速攝影方法在實(shí)驗(yàn)水箱中獲得了長徑比為3.35~6.75的柱形PETN炸藥水中爆炸氣泡脈動(dòng)的圖像，進(jìn)而結(jié)合真實(shí)的爆轟過程和Rayleigh氣泡運(yùn)動(dòng)方程，研究了氣泡的形態(tài)演變規(guī)律。結(jié)果表明，柱形裝藥在水中爆炸時(shí)，形成的初始?xì)馀菪螤顬榉乔驅(qū)ΨQ形，這種非對(duì)稱特征隨著長徑比的增加而增大。氣泡表面的運(yùn)動(dòng)也表現(xiàn)出明顯的非球?qū)ΨQ特征，氣泡表面在裝藥徑向的膨脹運(yùn)動(dòng)呈指數(shù)衰減，在裝藥軸向兩端的膨脹運(yùn)動(dòng)更接近于分段線性衰減；氣泡表面的不對(duì)稱運(yùn)動(dòng)與柱形裝藥水下爆炸的能量輸出結(jié)構(gòu)不均有關(guān)，與沖擊波的有效能量分布規(guī)律相似；當(dāng)柱形裝藥水平安裝時(shí)，水中爆炸氣泡形成偏射流，射流的方向指向起爆端上方，而垂直安裝時(shí)氣泡射流與球形裝藥的類似，在氣泡底部中心形成，方向垂直向上，但射流速度可能更高。

趙生偉等[27]研究了小當(dāng)量水中爆炸氣泡的脈動(dòng)現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了用于小當(dāng)量(不大于10g TNT)水中爆炸研究的爆炸水箱，在爆炸水箱裝置中進(jìn)行了多次0.125、1.000、3.370、8.000g TNT當(dāng)量的PETN球形炸藥水中爆炸試驗(yàn)，采用高速攝影系統(tǒng)獲得了氣泡脈動(dòng)圖片；試驗(yàn)結(jié)果給出了試驗(yàn)范圍內(nèi)氣泡脈動(dòng)過程中氣泡直徑、速度及加速度隨時(shí)間變化的擬合曲線，通過對(duì)氣泡脈動(dòng)周期進(jìn)行分析，對(duì)氣泡直徑進(jìn)行了歸一化處理，數(shù)據(jù)能較好地符合爆炸相似率。

金輝等[28]采用高速攝影光學(xué)測(cè)量和自由場(chǎng)壓力電學(xué)測(cè)量兩種方法對(duì)球形裝藥的水下爆炸氣泡脈動(dòng)過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，基于勢(shì)流理論，假設(shè)爆炸氣泡周圍是不可壓縮、無粘、無旋的流場(chǎng)，采用邊界積分法對(duì)炸藥水中爆炸氣泡脈動(dòng)情況進(jìn)行數(shù)值模擬，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果吻合，炸藥在自由場(chǎng)工況下爆炸時(shí)，氣泡脈動(dòng)規(guī)律與現(xiàn)有水下爆炸理論一致；炸藥在近水底爆炸時(shí)，水底對(duì)氣泡脈動(dòng)影響較大，爆炸產(chǎn)生的氣泡能大部分被水底吸收，二次脈動(dòng)壓力較自由場(chǎng)時(shí)小，二次脈動(dòng)周期增加；近水底爆炸氣泡在邊界的作用下，在膨脹階段下表面呈扁平狀，在坍塌階段指向壁面的射流形成較早，回彈階段會(huì)形成背離壁面的反向射流。金輝等[29]針對(duì)不同邊界條件下炸藥水下爆炸的能量輸出結(jié)果，設(shè)置自由場(chǎng)、沉底、近水底和近水面等不同邊界條件的水下爆炸實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，炸藥在距水底、水面一定距離時(shí)爆炸，邊界條件對(duì)沖擊波影響較小，對(duì)氣泡脈動(dòng)影響較大；當(dāng)炸藥與水底距離小于1倍最大氣泡半徑處爆炸時(shí)，由于水底邊界影響，不能形成完整的氣泡脈動(dòng)；當(dāng)炸藥在距水面小于1倍最大氣泡半徑處爆炸時(shí)，氣泡直接滋出水面，不能形成氣泡脈動(dòng)壓力；當(dāng)炸藥在距水面1～1.5倍最大氣泡半徑處爆炸時(shí)，部分氣泡滋出水面，氣泡脈動(dòng)壓力較自由場(chǎng)爆炸時(shí)?。粴馀菰谂蛎浐褪湛s過程中，由于氣泡不斷上升，水面對(duì)氣泡脈動(dòng)的影響范圍要大于水底。黃毅等[30]基于勢(shì)流理論，建立考慮氣泡遷移效應(yīng)、自由表面效應(yīng)的水下爆炸氣泡脈動(dòng)模型，通過不同藥量和氣泡深度的計(jì)算，對(duì)遷移效應(yīng)和自由表面效應(yīng)這兩種影響因素進(jìn)行比較，討論兩種因素對(duì)氣泡脈動(dòng)的影響，將氣泡脈動(dòng)載荷的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行對(duì)比和驗(yàn)證，結(jié)果吻合良好，計(jì)算結(jié)果也表明，考慮遷移效應(yīng)、自由表面效應(yīng)的氣泡脈動(dòng)模型可以對(duì)水下爆炸氣泡脈動(dòng)載荷提供較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。

4水中爆炸結(jié)構(gòu)破壞效應(yīng)與動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究

近場(chǎng)水中爆炸結(jié)構(gòu)破壞效應(yīng)與動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究，對(duì)于目標(biāo)結(jié)構(gòu)威脅分析、毀傷評(píng)估具有重要作用，也是開展結(jié)構(gòu)防護(hù)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，因而加強(qiáng)近場(chǎng)水中爆炸結(jié)構(gòu)破壞效應(yīng)與動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究很有必要。顧文彬等[31]用水下爆炸沖擊分析(USA)方法，研究淺層水中爆炸沖擊波與混凝土墩的相互作用。結(jié)果表明：(1)在沖擊波作用下，迎爆面壓力響應(yīng)是入射沖擊波壓力的2倍以上，最大可達(dá)到2.26倍，在迎爆面上沿表面，由于水中沖擊波入射角增大，表面壓力響應(yīng)的增加倍數(shù)更高；(2)爆炸作用過程中，混凝土墩頂面、側(cè)面及背爆面也會(huì)受到?jīng)_擊波壓力作用，頂面及側(cè)面壓力響應(yīng)可達(dá)3MPa以上，該壓力對(duì)墩體的破壞也有貢獻(xiàn)；(3)在迎爆面及墩體內(nèi)部，節(jié)點(diǎn)的加速度變化是隨機(jī)的，有時(shí)發(fā)生很大震蕩，表明在強(qiáng)沖擊波載荷作用下，結(jié)構(gòu)內(nèi)部及表面材料的受力狀態(tài)是復(fù)雜的，這是流-固耦合算法把爆炸沖擊波、流體介質(zhì)、混凝土結(jié)構(gòu)變形與運(yùn)動(dòng)作為一個(gè)系統(tǒng)來研究的結(jié)果；(4)在平行于水平面的橫截面上、沿沖擊波作用方向，混凝土材料的加速變化很大，表明沖擊波作用引起的墩體內(nèi)部壓應(yīng)力波衰減較快；(5)由于迎爆面及墩體內(nèi)部加速度的振蕩，其速度響應(yīng)也有振蕩，但振蕩頻率、幅度等變化規(guī)律不同，這是由結(jié)構(gòu)材料動(dòng)態(tài)阻尼特性決定的，因此，結(jié)構(gòu)物的動(dòng)態(tài)破壞不僅與材料的強(qiáng)度有關(guān)，還與材料的微觀結(jié)構(gòu)、加載速率等因素有關(guān)。

賈憲振等[32]研究了深水環(huán)境中水下爆炸沖擊波作用下圓柱殼動(dòng)態(tài)響應(yīng)，基于通用有限元程序ABAQUS，運(yùn)用靜力分析和動(dòng)力分析相結(jié)合的方法，分析了深水中圓柱殼動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響因素，研究了圓柱殼的破壞隨深度而變化的規(guī)律。結(jié)果表明，在同樣的沖擊波載荷作用下，圓柱殼的毀傷程度隨著所處深度的增大而逐漸加重；爆距不變時(shí)，不同爆心方位所對(duì)應(yīng)的圓柱殼的響應(yīng)不同；預(yù)應(yīng)力的存在使圓柱殼毀傷程度有所增加，并且預(yù)應(yīng)力對(duì)圓柱殼響應(yīng)的影響與爆心方位有關(guān)；能夠?qū)е聢A柱殼破壞的炸藥質(zhì)量隨深度增加而迅速減小；圓柱殼在淺水中和深水中的破壞機(jī)制不同，前者是由于沖擊波的作用，而后者是沖擊波和靜水壓力聯(lián)合作用的結(jié)果。

徐俊祥等[33]針對(duì)水下爆炸的物理過程以及由此引起的混凝土重力壩的動(dòng)力響應(yīng)的復(fù)雜性，建立了全耦合的模型，考慮了炸藥的爆炸、爆炸波的水中傳播、水介質(zhì)與壩體結(jié)構(gòu)的相互作用，對(duì)混凝土重力壩的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明，計(jì)算的爆炸荷載下水中的峰值壓力和Cole的經(jīng)驗(yàn)公式具有較好的一致性，表明全耦合分析模型是正確的；壩基加速度遠(yuǎn)小于壩體加速度值，在簡(jiǎn)化計(jì)算中忽略由于爆炸沖擊荷載引起的基礎(chǔ)震動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響是可行的；水中爆炸荷載下，壩體水平方向的加速度均大于壩體垂直方向的加速度，水平方向的作用對(duì)壩體的動(dòng)力響應(yīng)起控制作用。

Zhu Feng等[34]利用LS-DYNA軟件對(duì)拱形壩水中爆炸響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明，水下爆炸沖擊波荷載作用下，壩體水平方向的響應(yīng)大于垂直方向的響應(yīng)；響應(yīng)程度與裝藥點(diǎn)的距離有關(guān)，距離裝藥點(diǎn)越遠(yuǎn)，響應(yīng)程度越小。顧文彬等[35]研究了淺層水中爆炸沖擊波對(duì)混凝土墩斜碰撞作用，得出：(1)單個(gè)裝藥爆炸對(duì)混凝土墩作用時(shí)，迎爆面以反射超壓破壞作用為主，背爆面以繞射作用沖量為主，JHL-3裝藥在比例距離小于5.3時(shí)，迎爆面反射作用因數(shù)大于2.7，且隨比例距離的增加而減??；(2)兩個(gè)裝藥關(guān)于混凝土墩對(duì)稱設(shè)置同步起爆時(shí)，混凝土迎爆面先后受到直達(dá)沖擊波、背爆面沖擊波的透射波和繞射波作用；裝藥間隔足夠大時(shí)，迎爆面首先受前驅(qū)波作用；繞射波使迎爆面受到負(fù)壓拉伸作用；(3)回歸得到的迎爆面沖擊波反射超壓計(jì)算半理論半經(jīng)驗(yàn)公式，在試驗(yàn)比距離范圍內(nèi)具有足夠精度；(4)兩個(gè)裝藥對(duì)稱和非對(duì)稱設(shè)置同時(shí)爆炸作用時(shí)，在兩個(gè)裝藥對(duì)混凝土墩側(cè)面和頂面的先后作用仍然有顯著的破壞疊加效應(yīng)。

賴鳴等[36]采用LS-DYNA軟件對(duì)不同加筋強(qiáng)度和不同加筋位置筋板結(jié)構(gòu)的水中接觸爆炸進(jìn)行了數(shù)值模擬，定義描述不同加筋強(qiáng)度、位置的強(qiáng)度因子和距離因子，建立不同強(qiáng)度因子的6種加筋模型和不同距離因子的3種加筋模型；通過對(duì)水中接觸爆炸下典型加筋結(jié)構(gòu)破損過程分析和不同模型縱、橫破口長度和破口面積的對(duì)比，得到了加筋板在水中接觸爆炸下強(qiáng)度因子、距離因子對(duì)破口形狀和大小的影響規(guī)律。

李裕春等[37]利用試驗(yàn)方法研究淺層水中沖擊波與混凝土結(jié)構(gòu)的相互作用，探討混凝土結(jié)構(gòu)受水中沖擊波作用的破壞機(jī)制。結(jié)果表明，淺層水中爆炸沖擊波對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的作用體現(xiàn)在沖擊壓縮和拉伸兩個(gè)方面。由于水介質(zhì)的流動(dòng)性和各向同性，混凝土結(jié)構(gòu)受沖擊波的圍壓作用，使混凝土材料處于多向應(yīng)力狀態(tài)，多軸應(yīng)力狀態(tài)是導(dǎo)致混凝土材料失效和斷裂的最根本原因。李萬等[38]基于某水下目標(biāo)的抗水下爆炸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用小波變換良好的時(shí)頻局部化性質(zhì)對(duì)監(jiān)測(cè)的水下目標(biāo)內(nèi)部裝置沖擊加速度信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻特征分析，得到了不同頻帶上沖擊信號(hào)振動(dòng)分量的時(shí)間歷程曲線和能量分布。結(jié)果表明，基于沖擊信號(hào)小波時(shí)頻特征分析的頻帶能量可以同時(shí)反映沖擊振動(dòng)的強(qiáng)度、頻率和持續(xù)時(shí)間對(duì)目標(biāo)損傷的影響，同時(shí)結(jié)合不同頻帶的時(shí)間歷程曲線可以獲得沖擊波和二次壓力波在不同頻帶上分布和衰減的細(xì)節(jié)信息，由此可確定沖擊波和二次壓力波對(duì)目標(biāo)毀傷的影響。韋灼彬等[39]采用數(shù)值模擬方法研究了港口水下爆炸荷載的沖擊特性。研究表明，港口水下爆炸氣泡膨脹荷載不可忽略，由比沖量可知，大部分區(qū)域氣泡膨脹荷載大于沖擊波荷載；自由水面對(duì)沖擊波荷載與氣泡膨脹荷載均有較大影響，越接近水面二者比沖量越小，氣泡膨脹荷載衰減越快，在水面附近其沖量甚至?xí)∮跊_擊波荷載。水底對(duì)氣泡膨脹荷載影響不大，但對(duì)沖擊波荷載影響較大；受水底反射波影響，沖擊波作用時(shí)間縮短，導(dǎo)致比沖量迅速減??；水底有淤泥層時(shí)，沖擊波在泥層與水體交界面反射不顯著，水底反射沖擊波主要來自淤泥底部與巖石層分界面。

C.F.Hung等[40]對(duì)圓筒殼結(jié)構(gòu)水下爆炸的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了研究，3種圓筒殼結(jié)構(gòu)分別是未強(qiáng)化、內(nèi)部強(qiáng)化和外部強(qiáng)化，圓筒殼結(jié)構(gòu)水中爆炸響應(yīng)試驗(yàn)在爆距35～210cm下進(jìn)行，沖擊波荷載由小藥量爆炸產(chǎn)生，爆炸距離小于50cm的試驗(yàn)?zāi)軌蛴^察到圓筒殼結(jié)構(gòu)的塑性變形，其他條件下的測(cè)試用于觀察圓筒的線性響應(yīng)。Mark Riley等[41]采用一種Eulerian計(jì)算流體動(dòng)態(tài)程序?qū)傂越Y(jié)構(gòu)附近水下爆炸荷載進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，將模擬結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。研究表明，二維分析可以獲得良好的氣泡歷程以及相對(duì)于試驗(yàn)數(shù)據(jù)更容易理解的脈沖荷載；氣泡塌陷和射流出現(xiàn)的時(shí)間與網(wǎng)格關(guān)系顯著，同時(shí)網(wǎng)格的細(xì)化并不一定獲得好的計(jì)算結(jié)果，二維計(jì)算方法可以更好地理解計(jì)算中存在的問題，三維計(jì)算可以獲得改善的脈沖預(yù)測(cè)結(jié)果，同時(shí)對(duì)數(shù)值計(jì)算獲得的氣泡擴(kuò)展時(shí)程與實(shí)際時(shí)程進(jìn)行了對(duì)比。

Kenji Murata等[42]研究了水下沖擊波和氣泡脈沖荷載對(duì)模型鋼圓筒的作用，結(jié)果表明，第一次氣泡脈沖荷載對(duì)目標(biāo)的影響要高于沖擊波荷載，雖然沖擊波荷載峰值要高于第一次氣泡脈沖壓力，目標(biāo)變形程度與沖擊波脈沖和第一次氣泡脈沖呈線性增加關(guān)系。Erin Gauch等[43]通過數(shù)值模擬對(duì)水下爆炸載荷作用下預(yù)應(yīng)力薄復(fù)合材料板的響應(yīng)進(jìn)行了研究，考慮了直接壓應(yīng)力、非直接壓應(yīng)力、直接拉應(yīng)力3種平面預(yù)應(yīng)力的影響。通過板中心點(diǎn)曲度、材料破壞和剝落來評(píng)估預(yù)應(yīng)力條件的影響，結(jié)果表明，水下沖擊波荷載作用下，薄復(fù)合材料板受預(yù)應(yīng)力的影響最小，板的響應(yīng)或損傷和剝落量基本保持不變。

Jian Li等[44]對(duì)水下爆炸作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明，人工容積黏性系數(shù)對(duì)沖擊波峰值壓力影響顯著；沖擊波峰值壓力、氣泡脈動(dòng)周期以及圓柱的變形位移試驗(yàn)結(jié)果和有限元分析結(jié)果相似；討論了圓柱爆炸的長徑比和沖擊波峰值壓力角的影響；測(cè)量了不同爆距下的塑性變形量，獲得了總的變形曲線。

5水中爆炸測(cè)試試驗(yàn)技術(shù)研究

水中爆炸測(cè)試試驗(yàn)技術(shù)可為毀傷機(jī)理研究提供科學(xué)有效的數(shù)據(jù)支持和研究手段，其中水中爆炸參數(shù)測(cè)量的傳感器技術(shù)影響至關(guān)重要。美國NOL實(shí)驗(yàn)室、英國NCRE實(shí)驗(yàn)室[45]及J.B.Dempesy[46]等在20世紀(jì)50年代至70年代對(duì)晶體的涂覆材料進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)蠟、硅膠、橡膠等會(huì)不同程度地影響傳感器的線性度及頻響，研究發(fā)現(xiàn)油封效果最好，可使傳感器的性能得到很大改善，也消除了蠟封傳感器得出的尺寸效應(yīng)和峰壓平臺(tái)效應(yīng)。

ROUND.B.Tussing[47]對(duì)電氣石傳感器的涂覆材料作了系統(tǒng)的研究和闡述，提出采用裝滿硅油的聚乙烯塑料管進(jìn)行密封被證明是最穩(wěn)定、連續(xù)的可靠方法。美國PCB公司作為全球最大的傳感器生產(chǎn)商之一，生產(chǎn)的138系列水下爆炸沖擊波傳感器延續(xù)了這項(xiàng)研究成果。138系列傳感器具有較好的密封性，且具有體積敏感性，對(duì)安裝方向沒有要求，現(xiàn)在已經(jīng)被眾多國家和機(jī)構(gòu)廣泛用于水下爆炸壓力測(cè)試中。目前除了PCB公司138系列外，英國DRA生產(chǎn)的AWETR2-5000、美國NSWC生產(chǎn)的NOL系列及德國MOD生產(chǎn)的WTD-4000也是自由場(chǎng)壓力傳感器。

GerryRude等[48]用AWETR2-5000G傳感器在深度為2m的小型爆炸容器中進(jìn)行了爆炸測(cè)試。雖然得到了完整的壓力時(shí)程曲線，但水面截?cái)嗪髩毫ω?fù)值達(dá)到了近-1MPa，認(rèn)為是傳感器自身原因引起的非正常現(xiàn)象，但沒有具體分析。John E.Slater等[49]對(duì)上述各種水下爆炸自由場(chǎng)壓力傳感器進(jìn)行了測(cè)試比較，測(cè)試的內(nèi)容包括熱幅射靈敏度、熱傳導(dǎo)靈敏度、靈敏度壓力標(biāo)定、水下爆炸沖擊波參數(shù)等；發(fā)現(xiàn)John E.SlaterPCB138系列、US/NOL系列和UK/AWETR2-5000G系列測(cè)試結(jié)果具有較好的重復(fù)性和可比性，德國的WTD-4000傳感器較其他傳感器測(cè)量峰值低10%～15%，并且出現(xiàn)共振現(xiàn)象，說明碳阻傳感器在自由場(chǎng)壓力測(cè)試中的局限性。

Kenji Murata和Daiki Hasegawa等[50-51]對(duì)PVDF壓電薄膜應(yīng)用于自由場(chǎng)壓力測(cè)量進(jìn)行了一系列研究。測(cè)得水下爆炸自由場(chǎng)壓力波形與使用電氣石測(cè)得的結(jié)果有較好的一致性。國內(nèi)利用PVDF壓電薄膜進(jìn)行近場(chǎng)壓力測(cè)量，并取得了一定的成果。池家春等[52]利用在高壓范圍內(nèi)能有效工作的錳銅壓阻壓力計(jì)和PVDF壓電壓力計(jì)兩種測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了TNT/RDX炸藥球水中爆炸的探索性研究，在10倍藥包半徑的范圍內(nèi)測(cè)量了沖擊波峰值壓力的衰減規(guī)律。趙繼波等[53]用PVDF計(jì)測(cè)量了水中爆炸條件下0.7~3.0倍藥包半徑范圍內(nèi)的近場(chǎng)壓力，在沖擊波峰壓小于4GPa的情況下，得到了沖擊波的壓力衰減歷程和近場(chǎng)壓力剖面曲線。

在高速攝影測(cè)試技術(shù)方面，Akio Kira[54]利用高速攝影技術(shù)，獲得了大劑量球形爆炸物水中爆炸時(shí)的現(xiàn)象及水下沖擊波的傳播軌跡，并利用非線性曲線擬合技術(shù)和Arbitary Lagrangian-Eulerian方法進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，獲得了很好的模擬結(jié)果。H.G.Snay[55]通過判讀水下爆炸高速攝影所獲得的氣泡產(chǎn)生和脈沖過程圖片，對(duì)半無限水介質(zhì)水下爆炸的流體力學(xué)進(jìn)行了深入研究；由于沖擊波的傳播速度與波頭壓力存在著蘭金-茍果尼歐條件關(guān)系，因此可以通過光學(xué)方法測(cè)量沖擊波傳播速度來獲得沖擊波壓力值。Bruceton[56]利用照相機(jī)進(jìn)行過壓力測(cè)量，測(cè)量結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果較接近。Menon S[57]、Lee J J[58]、Klaseboer E[59]和Huang C F[60]等人的研究表明：采用小當(dāng)量裝藥，在有限水域(如水箱或水池)中進(jìn)行水下爆炸氣泡的實(shí)驗(yàn)是可行的，而且，裝藥方式直接采用凝聚態(tài)炸藥比采用玻璃球充可燃?xì)怏w的效果要好，與實(shí)際情況更相符。

在水中爆炸實(shí)驗(yàn)裝置研制方面，伍俊等設(shè)計(jì)和研制了具有多種功能的水中爆炸大型實(shí)驗(yàn)裝置[61-62]，運(yùn)用一維彈性平面波理論，對(duì)該實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要問題和抗爆隔震性能進(jìn)行了分析，并采用氣泡帷幕消波技術(shù)，對(duì)降低水中爆炸沖擊波防護(hù)措施的可行性進(jìn)行了初步試驗(yàn)和探討；驗(yàn)證了該水中爆炸實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和降低水中沖擊波防護(hù)措施的有效性。

6水中爆炸數(shù)值模擬與毀傷評(píng)估研究

與試驗(yàn)研究相比，數(shù)值計(jì)算不僅省時(shí)省力，節(jié)約高昂的試驗(yàn)費(fèi)用，而且很容易避免試驗(yàn)研究中由于外界干擾及人為因素的影響而出現(xiàn)意想不到的誤差，對(duì)于推動(dòng)水中爆炸作用機(jī)理及毀傷效應(yīng)的研究都至關(guān)重要。

A.Abe等[63]采用流體程序ANSYS AUTODYN模擬了水下爆炸及氣泡脈沖，結(jié)果表明，利用AUTODYN程序可以精確模擬氣泡脈沖現(xiàn)象，JWL-Miller模型可以成功給出非理想爆轟的相關(guān)現(xiàn)象。陳娟[64]以艦船近場(chǎng)水下爆炸為研究背景，對(duì)近場(chǎng)和近邊界水下爆炸問題進(jìn)行了研究。近場(chǎng)和近邊界水下爆炸問題涉及流場(chǎng)或結(jié)構(gòu)的極大變形、運(yùn)動(dòng)物質(zhì)交界面、沖擊波與邊界的相互作用和自由表面等特性，應(yīng)用傳統(tǒng)的基于網(wǎng)格的數(shù)值方法對(duì)此類問題進(jìn)行模擬研究可能會(huì)由于網(wǎng)格發(fā)生嚴(yán)重的畸變而導(dǎo)致計(jì)算崩潰。陳衛(wèi)東等[65]認(rèn)為水下爆炸數(shù)值模擬中大變形、運(yùn)動(dòng)物質(zhì)交界面和多介質(zhì)耦合等問題，給基于網(wǎng)格的數(shù)值算法帶來了很大的困難和挑戰(zhàn)，并通過對(duì)TNT球形炸藥一維水下爆炸和TNT炸藥二維水下爆炸過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，計(jì)算了沖擊波強(qiáng)度，分析了水下爆炸流場(chǎng)參量的空間分布和變化規(guī)律，并分別與AUTODYN、COLE經(jīng)驗(yàn)公式和SPH方法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果吻合較好，為工程應(yīng)用提供了參考。

楊文山等[66]對(duì)SPH方法模擬艦船水下爆炸的主要技術(shù)問題及其研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，SPH方法作為一種新興的數(shù)值方法，在模擬大變形問題時(shí)較網(wǎng)格方法有重大優(yōu)勢(shì)，已成功應(yīng)用于水下爆炸的模擬。S.K.Chan[67]通過改進(jìn)有限元網(wǎng)絡(luò)模型，在計(jì)算無限水下爆炸的沖擊效應(yīng)時(shí)，提高了計(jì)算精度，縮短了計(jì)算時(shí)間；張振華等[68]應(yīng)用商業(yè)有限元程序MSC.DYTRAN數(shù)值模擬了球形藥包在無限水域中爆炸產(chǎn)生的沖擊波，采用合理的計(jì)算參數(shù)和有限元模型，較好地模擬了水下爆炸沖擊波的傳播過程，通過調(diào)整水的狀態(tài)方程參數(shù)，達(dá)到了提升沖擊波峰值應(yīng)力的效果，有效降低了單元數(shù)和計(jì)算時(shí)間。J.R.Britt等[69]運(yùn)用線性球體波動(dòng)理論編寫了計(jì)算水下爆炸沖擊波在彈性水底反射變化的BOTREF程序；R.Willianson[70]通過修正CONGRATS程序和TRANSV程序，編寫了計(jì)算水下爆炸沖擊波折射效應(yīng)和最大移動(dòng)速度的計(jì)算程序；對(duì)于半無限水介質(zhì)水下爆炸情況，主要存在自由水面對(duì)沖擊波的反射影響，Whitham方法使計(jì)算自由水面對(duì)水下爆炸沖擊波反射影響變得比較簡(jiǎn)捷。M.Kamegai等[71]采用CALE程序?qū)IGMAM水下爆炸實(shí)驗(yàn)和近自由面水下爆炸現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果均與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致；符松等[72]采用位標(biāo)函數(shù)計(jì)算法及NND計(jì)算格式對(duì)近水面水下爆炸進(jìn)行數(shù)值模擬，比跟蹤自由面的方法簡(jiǎn)潔實(shí)用；鄭哲敏[73]采用變分法計(jì)算淺水中爆炸時(shí)水的運(yùn)動(dòng)過程，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際相符。田躍華等[74]根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)用最小二乘法、沖量等效、能量等效方式，得到兩種淺水爆炸有效破壞半徑的計(jì)算公式，柏勁松等[75]采用三階精度的PPM方法和VOF方法相結(jié)合，運(yùn)用Lagrange-Remapping算法，計(jì)算爆轟產(chǎn)物、水、空氣多種介質(zhì)之間的相互作用過程，建立了近水面水下爆炸3種介質(zhì)相互作用的二維數(shù)值計(jì)算模型，該方法可以用來處理界面兩邊高密度比可壓縮流動(dòng)以及強(qiáng)剪切滑移運(yùn)動(dòng)等問題。

陳菲等[76]在Fedkiw研究的基礎(chǔ)上采用二階迎風(fēng)TVD求解歐拉方程得到流場(chǎng)解，采用五階WENO求解lever set方程追蹤多流體界面，采用GFM方法處理流體內(nèi)界面，在此基礎(chǔ)上，對(duì)運(yùn)動(dòng)激波和氣泡串相互作用過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了不同時(shí)刻運(yùn)動(dòng)激波和圓管內(nèi)的兩個(gè)氣泡作用后的演化圖像。計(jì)算結(jié)果表明，運(yùn)動(dòng)激波經(jīng)過氣泡串后，激波強(qiáng)度會(huì)不斷衰減，說明利用多個(gè)低密度氣泡會(huì)有效降低作用在目標(biāo)表面的載荷。

吳國民等[77]研究了水中爆炸的數(shù)值模擬技術(shù)，基于MSC.Dytran軟件，通過一維球?qū)ΨQ數(shù)值模型，模擬了水下爆炸沖擊波傳遞以及第一次氣泡脈動(dòng)過程，其計(jì)算結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果吻合較好；在此基礎(chǔ)上討論了網(wǎng)格劃分方式、網(wǎng)格密度以及計(jì)算區(qū)域大小對(duì)計(jì)算結(jié)果精度的影響。周章濤等[78]應(yīng)用AUTODYN 軟件對(duì)沖擊波與水背圓柱殼、氣背圓柱殼的相互作用進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上對(duì)雙層圓柱殼內(nèi)外沖擊波場(chǎng)的演化過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分別在內(nèi)外殼表面附近水域設(shè)置了多個(gè)測(cè)點(diǎn)以記錄各點(diǎn)的壓力時(shí)程曲線，對(duì)沖擊波場(chǎng)的演化過程及衰減、匯聚現(xiàn)象進(jìn)行了研究。在水中爆炸毀傷效應(yīng)評(píng)估方面，侯曉峰等[79]為合理確定水中爆炸條件下作用在水中結(jié)構(gòu)上的荷載及其毀傷特性，通過分析比較現(xiàn)有理論及方法，提出了不同工況下的荷載計(jì)算方法、水中結(jié)構(gòu)毀傷等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)以及兩種毀傷評(píng)估工程方法。

李萬等[80]針對(duì)水下目標(biāo)抗水下爆炸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用小波包良好的時(shí)頻局部化性質(zhì)，對(duì)被監(jiān)測(cè)水下目標(biāo)內(nèi)部裝置的沖擊加速度信號(hào)進(jìn)行了能量分析，得到了沖擊信號(hào)的時(shí)頻分布和不同頻帶上的能量分布。沖擊信號(hào)的頻帶能量分布與目標(biāo)毀傷的關(guān)系密切，選用沖擊信號(hào)峰值、沖擊信號(hào)主振頻帶能量、水下目標(biāo)內(nèi)部裝置自振頻率所在頻帶能量作為判別因子，建立距離判別模型，對(duì)水下目標(biāo)毀傷情況進(jìn)行了預(yù)測(cè)。陸路等[81]用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算了大當(dāng)量炸藥水下爆炸時(shí)作用在壩體上的沖擊波壓強(qiáng)，用ANSYS 軟件模擬了大壩作為彈性體在沖擊波作用下的應(yīng)力和應(yīng)變場(chǎng)，從計(jì)算結(jié)果判斷壩體在所有高度將可能貫穿性斷裂，同時(shí)對(duì)斷裂后壩體運(yùn)動(dòng)作了定量估計(jì)。張倫平等[82]對(duì)某金屬材料制成的圓筒形試件進(jìn)行水下近距爆炸試驗(yàn)，得到水下近距爆炸條件下材料的動(dòng)態(tài)斷裂應(yīng)變，結(jié)合能量方法，給出水下近距爆炸時(shí)材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度，并與靜態(tài)拉伸試驗(yàn)及霍普金森拉桿試驗(yàn)(SHTB)結(jié)果對(duì)比，比較屈服強(qiáng)度、極限拉伸應(yīng)變和能量吸收率等參數(shù)，進(jìn)而探討了SHTB試驗(yàn)所得失效判據(jù)在水下爆炸條件下的適用性。R.Rajendran等[83]對(duì)水下爆炸作用下高強(qiáng)低合金鋼的性能進(jìn)行了評(píng)估，通過增加沖擊波強(qiáng)度，開展了直徑290mm、厚度4mm圓板和300mm×250mm矩形板的水下爆炸隆起測(cè)試，以研究材料的塑性變形和斷裂誘因，并利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠眍A(yù)測(cè)板隆起的高度；研究了具有不同裝藥和爆距的新型測(cè)試方法，證明了該方法與模型具有很好的一致性。F.Vanden Abeele等[84]對(duì)海底管道水下爆炸的損傷情況進(jìn)行了有限元分析，通過建立有限元模型來模擬水下爆炸條件下海底管道的瞬時(shí)響應(yīng)，評(píng)估海底管道在水下爆炸作用下的行為和安全性，并將數(shù)值結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

7結(jié)語及展望

由以上研究現(xiàn)狀可知，水中爆炸經(jīng)過多年的研究發(fā)展，在水中爆炸作用機(jī)理、傳播規(guī)律、氣泡脈動(dòng)、破壞效應(yīng)、試驗(yàn)技術(shù)、數(shù)值模擬及毀傷評(píng)估等方面都有了很大進(jìn)展。但由于水中爆炸作用機(jī)理和毀傷效應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的物理過程，其爆炸沖擊波具有壓力峰值大、持續(xù)時(shí)間短等特點(diǎn)，同時(shí)又涉及氣泡脈動(dòng)荷載及氣泡射流耦合等問題，因而水中爆炸產(chǎn)生的破壞作用比在空氣中強(qiáng)烈得多，更容易造成水中結(jié)構(gòu)的破壞，因此，對(duì)水中爆炸作用機(jī)理及毀傷效應(yīng)研究還存在如下問題迫切需要解決：

(1)新型非理想炸藥水中爆炸能量釋放與傳播規(guī)律研究。

目前，水中爆炸能量釋放與傳播規(guī)律的相關(guān)研究主要存在以下問題：炸藥水中爆炸試驗(yàn)技術(shù)還比較單一，試驗(yàn)的有效性和準(zhǔn)確性尚需提高；對(duì)水中炸藥非理想爆轟的研究還不充分；對(duì)炸藥能量輸出結(jié)構(gòu)與炸藥組成及裝藥結(jié)構(gòu)關(guān)系不明確；對(duì)炸藥和水中兵器戰(zhàn)斗部在不同爆炸界面的爆炸效應(yīng)、水中爆炸沖擊波傳播和氣泡脈動(dòng)規(guī)律不清楚；對(duì)傳統(tǒng)炸藥在水中自由場(chǎng)狀態(tài)下的能量輸出特性研究比較充分，而對(duì)不同邊界條件下水中爆炸特性研究相對(duì)較少[85]。

(2)沖擊波/氣泡耦合作用對(duì)結(jié)構(gòu)毀傷及動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究。

研究沖擊波/氣泡的相互作用對(duì)工程應(yīng)用具有重要意義。如水中爆炸，尤其是中近場(chǎng)爆炸所產(chǎn)生的沖擊波會(huì)在結(jié)構(gòu)物、海底以及自由面處發(fā)生反射，反射波在其傳播歷程中會(huì)遭遇爆炸氣泡，研究反射沖擊波與氣泡的相互耦合作用有利于分析爆炸產(chǎn)生的兩種主要載荷間的耦合作用，進(jìn)而深入揭示水中爆炸載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞作用[86]。由于這類耦合作用影響因素復(fù)雜、邊界條件不確定，目前對(duì)該方面深入的研究報(bào)道較少，爆炸現(xiàn)象難以觀察和測(cè)量，并且由于與目標(biāo)強(qiáng)烈的耦合效應(yīng)，近場(chǎng)水中爆炸混凝土等非均質(zhì)材料結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的試驗(yàn)，以及精細(xì)化數(shù)值模擬研究也較少。因而加強(qiáng)近場(chǎng)水中爆炸混凝土結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究很有必要，可為水中爆炸毀傷機(jī)理研究提供有效的分析工具。

(3)水中爆炸結(jié)構(gòu)毀傷評(píng)估方法研究。

水中爆炸毀傷研究不僅在軍事上十分重要，而且對(duì)民用工業(yè)也很有意義，因而必須充分了解水中爆炸毀傷現(xiàn)象及機(jī)理。目前還沒有建立科學(xué)、統(tǒng)一的水中爆炸毀傷評(píng)估驗(yàn)證試驗(yàn)方法和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，長期以來缺少炸藥水中爆炸、武器戰(zhàn)斗部水中爆炸威力和水中目標(biāo)毀傷效果的試驗(yàn)方法及其評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)重影響了水中爆炸毀傷評(píng)估研究。需要加強(qiáng)研究的關(guān)鍵問題包括：水中爆炸毀傷作用及水中爆炸荷載的能量輸出規(guī)律研究；目標(biāo)對(duì)于炸藥水中爆炸近場(chǎng)能量輸出結(jié)構(gòu)荷載分布和動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程的影響研究；水中爆炸對(duì)目標(biāo)毀傷判據(jù)的確定等。

(4)水中爆炸多尺度數(shù)值模擬技術(shù)研究。

水中爆炸試驗(yàn)研究消耗巨大，而爆炸試驗(yàn)也會(huì)對(duì)人員及周圍環(huán)境產(chǎn)生很大危險(xiǎn)，考慮到水中爆炸的復(fù)雜性，水中爆炸試驗(yàn)研究的準(zhǔn)確性和效率也有待提高，開發(fā)精確高效的水中爆炸研究方法成為水中爆炸研究面臨的問題之一。從當(dāng)前我國水中爆炸數(shù)值模擬的研究現(xiàn)狀來看，主要存在以下幾個(gè)問題：缺乏自行開發(fā)的、成熟有效的大型水中爆炸數(shù)值模擬軟件以及多尺度混合單元高效算法，材料本構(gòu)模型及狀態(tài)方程的構(gòu)建還不完善，主要涉及樁基混凝土材料損傷模型、新型炸藥燃燒模型及能量輸出特性；水中爆炸邊界效應(yīng)的處理方法等還需深入研究。

總之，水中爆炸作用機(jī)理及毀傷效應(yīng)研究涉及學(xué)科領(lǐng)域面廣，需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題較多。長期以來，由于研究重點(diǎn)的不同，水中爆炸研究重點(diǎn)多以艦船安全防護(hù)為主，而針對(duì)水中工程結(jié)構(gòu)毀傷機(jī)理與效應(yīng)評(píng)估的問題研究還相對(duì)較少。因此，進(jìn)一步加強(qiáng)水中爆炸作用機(jī)理及結(jié)構(gòu)破壞效應(yīng)研究，對(duì)于拓展研究思路，創(chuàng)新水中結(jié)構(gòu)防護(hù)措施和方法，提高水中結(jié)構(gòu)的保障能力及工程應(yīng)用水平具有重要意義。

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A Review of Research on Action Mechanism and Damage Effect of Underwater Explosion

WU Jun1, YANG Yi1, ZHUANG Tie-shuan1,2

(1.The Third Engineer Scientific Research Institute of the Headquarters of the General Staff, Luoyang Henan 471023, China； 2. State Key Laboratory of Disaster Prevention and Mitigation of Explosion and Impact,PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China)

Abstract:To further reveal the action mechanism and damage effect characteristics of underwater explosion, the progresses of study on the action mechanism and damage effect of underwater explosion were systematically reviewed from six aspects as mechanism, shock wave propagation, bubble pulsation, damage effect and dynamic response of structure, test technology and numerical simulation and damage assessment for underwater explosion of different explosives. Some key technical problems which should be investigated or solved in future including energy release and diffusion of the underwater explosion of non-ideal explosive, damage of coupling action of shock wave and air bubble to structure and damage assessment methods for underwater explosion, multi-scale simulation technology for underwater explosion were proposed with 86 references.

Keywords:underwater explosion; action mechanism; damage effect; bubble pulsation; non-ideal explosive; demage assessment; review

中圖分類號(hào)：TJ55; TD235.2+1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-7812(2016)01-0001-13

作者簡(jiǎn)介:伍俊(1963-)，男，高級(jí)工程師，從事防災(zāi)減災(zāi)及防護(hù)工程技術(shù)研究。E-mail: wujun61489@sina.com

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助(51578543)

收稿日期:2015-11-09；修回日期:2015-11-22

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2016.01.001