作者：許鈺鍬 林麗

來源公眾號：水木人CAE

水下爆炸問題介紹

水下爆炸指的是在水中很小的區域有大量的能量（爆炸源）突然釋放的過程，從而對周圍的物體產生巨大的毀傷。水下爆炸大致可以分為四個主要過程：

1. 炸藥的爆轟，
2. 沖擊波的形成和傳播，
3. 氣泡的脈動和上浮，
4. 以及沖擊波在與自由水面和結構的相互作用下產生的空化，由此對結構造成的二次加載。

簡而言之，水下爆炸主要是通過直接接觸的爆轟，以及后續產生的三種主要非接觸的爆炸載荷沖擊波、氣泡和空化對周圍物體造成的毀傷。

水下爆炸往往會引起非常嚴重的后果，因此，對比試驗，數值仿真是非常安全高效的研究方法。

Abaqus中提供了兩種計算水下爆炸問題的方法：“散波”法和“總波”法。“總波”法爆炸點須位于水域模型的外部，且它可以考慮到空化效應的影響，所以總波法比較適合模擬中遠場爆炸。在近場爆炸中，由于爆炸時間短，氣泡脈動和空化產生的加載可以忽略，主要是考察沖擊波造成的結構毀傷效應，所以可以采用“散波”法進行模擬。

  

有限元模型建立

本文使用SolidWorks創建一艘簡易的交通艇3D模型，并且創建半徑近似船半寬6倍的水域模型，以此模型分別采用“散波”法和“總波”法模擬炸藥在不同爆距下，交通艇毀傷情況。前處理采用HyperWorks對模型進行網格劃分，后續再導入Abaqus進行設置和計算。船體的主要材料部分參數和炸藥的部分參數如下：

圖1. 交通艇3D模型圖

圖2. 網格模型圖

表1. 船、水域和炸藥參數信息

圖3. 爆炸點位置

在近場爆炸中，從5米到30米，每隔一段距離設置一個爆炸點，采用“散波”法模擬，得出不同爆距下的船體毀傷情況，以下列出3種典型的毀傷模式。

近場爆炸仿真結果

從數值仿真結果可以看到，在爆距5米的工況下，沖擊波的波前到達船底的時候，船底外板迅速拱起，發生極為明顯的塑性變形，此變形為塌底變形，是一種局部的大變形，由于變形非常劇烈，極易引起船體結構上的撕裂和破洞，如圖4所示。

圖4. 爆距5米下，塌底變形毀傷模式

在爆距為15米的情況下，隨著爆距的增大，船體外板變形減小，但依然有微微拱起和外板明顯的內凹現象，如圖5可見，船體內部橫艙壁和縱艙壁的輪廓都清晰可見印在船體外板上，形成類似船舶焊接過程中出現的“瘦馬現象”變形。

圖5. 爆距15米下，瘦馬變形毀傷模式

在爆距為30米的工況下，距離已經較遠了，船體由于沖擊波的作用下，出現了內凹現象的毀傷模式，產生了部分船體的塑性變形，如圖6所示。

圖6 爆距30米下，內凹變形毀傷模式

考慮空化效應的仿真結果

隨著爆距的不斷增大，空化效應對結構毀傷的影響不再是不可忽略，對此，采用“總波”法模擬在爆距40米的工況下，模擬出船體毀傷情況。從圖7所示可見，船體結構產生了一定程度的塑性變形，此變形與內凹變形非常相似。從圖8所示可見，在爆炸的瞬間，沖擊波瞬間達到船體，從而對船體產生毀傷。

圖7.爆距40米下，船體毀傷模式

圖8 沖擊波動畫（截面）

圖9 通過等值面顯示的沖擊波動畫

在仿真中定義空化壓力為零，即當絕對壓力為零時，此區域為空化區域，如圖10所示可見，在船體周圍會產生空化效應，然后隨著時間的增加，空化開始潰滅，空化潰滅時，會對結構產生二次加載，且此壓力可以達到和沖擊波相同量級。

圖10 爆距40米時，產生的空化效應

[參考文獻]

宗智, 趙延杰, 鄒麗. 水下爆炸結構毀傷的數值計算. 北京：科學出版社，2014.6