01艦船水下爆炸項目背景：

  魚雷作為一種典型水中兵器,可從水面艦艇、潛艇、飛機等平臺發(fā)射,通過水下爆炸產(chǎn)生的沖擊波、氣泡脈動、氣泡射流、金屬射流等單一或耦合載荷毀傷敵水中作戰(zhàn)平臺,在歷次海戰(zhàn)中都發(fā)揮了舉足輕重的作用。水面艦船在執(zhí)行任務中，難免會遭受水下各種武器的襲擊，近場水下爆炸產(chǎn)生的沖擊波，氣泡脈動等載荷將會導致艦船局部結構或整體結構受損。局部結構受損又多集中于舷側(cè)、舭部和底部，受損典型結構為板架結構。所以對于局部結構遭受載荷后響應過程的分析有重要意義。在水下爆炸數(shù)值模擬環(huán)境正確的基礎上，利用已有載荷環(huán)境，建立某艦船的三艙段模型，研究不同工況下艙段在近場水下爆炸沖擊波載荷下的艦船動響應過程，根據(jù)艦船結構的抗沖擊評判標準，分析近場水下爆炸沖擊波載荷作用下的結構變形，重要部位特征點的速度和加速度響應情況，以及結構吸能特性，探究近場水下爆炸沖擊波載荷對艦船結構造成的損傷和其自身的抗沖擊能力。

02艦船水下爆炸數(shù)值計算仿真模型：

  本文選取某艦船中部三艙段位置進行有限元建模，單個艙段長為９ｍ，寬為16.7ｍ，型深為12.8ｍ，吃水為８.８ｍ。綜合考慮結構網(wǎng)格與流體網(wǎng)格的大小關系，以及整體模型計算效率，本文艙段結構網(wǎng)格采用0.2ｍｘ0.2ｍ的面單元模擬，艙段網(wǎng)格總數(shù)量為３０萬,部分艙段模型如下圖所示。艦船材料采用高強度鋼，屈服應力為5.9e8Ｎ／ｍ２，密度為７８００ｋｇ／３，彈性模量為2.1e11Ｎ／ｍ２，泊松比０.３。

03材料和數(shù)值模型簡介

  方形水域流場（歐拉域）大小為３０ｍｘ２０mx２０.６ｍ，水域中間長９ｍ范圍內(nèi)局部加密,兼顧計算效率和計算精度網(wǎng)格尺寸的研宄過程，確定此處流場和炸藥的最小網(wǎng)格單元尺寸為0.2ｍｘ0.2ｍｘ0.2ｍ，兩端網(wǎng)格尺寸為0.4ｍｘ0.4ｍｘ0.4ｍ，為使數(shù)值模擬更接近真實爆炸場景，水域上方建立高為0.４ｍ的空氣層，炸藥位于船體的正下方。此外，歐拉域邊界設置為無反射邊界條件，以模擬無限流場防止材料流出，根據(jù)相同的方法建立炸藥位于舷側(cè)爆炸時的數(shù)值模型。

  料參數(shù)及一般設置見K文件。下圖為工況示意圖，艙段為三段式，第一層為膨脹倉，內(nèi)有橫豎隔板，中間倉水域填充，主要對膨脹倉（左一）產(chǎn)生的碎片進行緩沖，由于項目涉密，僅提供接觸式炸點K文件，模型經(jīng)簡化脫密處理，但對于研究水下爆炸機理，流固耦合作用還是夠的。

04仿真模擬結果（K文件見下）

05水下爆炸流－固耦合接觸算法及ｋ文件設置

  水下爆炸研究中的流－固耦合問題一直是重難點問題，該問題既包括炸藥的爆轟和沖擊波在水中的傳播過程，又包含有艦船結構大變形，兩者需有機的結合在一起。船體結構變形外力來源于炸藥爆轟后通過流體介質(zhì)傳播到船體表面的沖擊波載荷，水下的船體表面不僅是載荷作用表面，也是流體流動的邊界，所以針對這類問題進行建模計算時，必須要考慮流－固耦合問題。

  ＬＳ－ＤＹＮＡ程序通過ＡＬＥ方法在流固耦合界面處定義ＡＬＥ面，計算過程中歐拉網(wǎng)格可以隨著結構的變形而移動，Ｅｕｌｅｒ材料流動引起的壓力載荷變化通過耦合算法自動作用到結構的有限元網(wǎng)格上，在流體壓力作用下，結構網(wǎng)格發(fā)生變形，同時結構的變形也反過來影響流體材料的流動和壓力值，通過以上流體與結構間的相互作用可以得到完全耦合的流體－結構響應。由于網(wǎng)格可以隨著結構的變形而移動，所以計算過程中不需要每一步對耦合面進行檢查，提高了整個計算的求解率。下圖為流場和結構接觸面耦合算法示意圖。

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  相關ｋ文件關鍵字設置：為使仿真效果更接近真實場景，通過調(diào)整板材的法線方向，使得殼體能與歐拉域充分耦合。通過設置ＩＮＡＴＡL－ＶＯＬＵＭＥ－ＦＲＡＣＴＩＯＮ－ＧＥＯＭＥＴＲＹ卡片，實現(xiàn)ＬＳ－ＤＹＮＡ計算過程中船體結構、水域、炸藥和空氣的多物質(zhì)耦合；船體結構破損后的接觸，使用ＣＯＮＳＴＲＩＮＥＤ－ＬＡＧＲＡＮＧＥ－ＩＮ－ＳＯＬＩＤ中的罰函數(shù)接觸和ＣＯＮＴＡＣＴ－ＡＵＴＯＭＡＴＩＣ－ＳＵＲＦＡＣＥ－ＴＯ－ＳＵＲＦＡＣＥ關鍵字中的面與面接觸參數(shù)，以避免計算過程中結構受到載荷發(fā)生變形之后，結構單元相互穿插接觸產(chǎn)生畸變，而導致計算停止。

       有關流固耦合關鍵字設置可參見K文件，需要調(diào)試參數(shù)以及參數(shù)意義的同學可以私信我。