水下爆炸冲击波和气泡载荷对典型圆柱壳结构的毁伤特性_张轶凡.pdf

第 44 卷第 2 期2 0 2 3 年 2 月兵工学报ACTA AMAMENTAIIVol 44 No 2Feb2023DOI:10 12382/bgxb 2021 0598水下爆炸冲击波和气泡载荷对典型圆柱壳结构的毁伤特性张轶凡1，刘亮涛1，王金相1，李恒2，唐奎1(1 南京理工大学 瞬态物理国家重点实验室，江苏 南京 210094;2 海军研究院，北京 100161)摘要:为研究近场爆炸冲击波及气泡载荷对缩比后的鱼雷典型圆柱壳结构的毁伤特性，并探讨装药距离、装药方位等相关参数对圆柱壳结构变形特征及毁伤特性的影响规律，采用任意拉格朗日欧拉算法对近场爆炸冲击波及气泡载荷对圆柱壳结构的毁伤特性进行了数值模拟分析。将壁面附近爆炸气泡演化过程的仿真结果和试验结果进行了对比，验证了数值模拟方法的有效性。利用该数值分析方法对多组不同装药距离和装药方位下的爆炸过程进行了研究，深入分析了冲击波、气泡脉动载荷及射流载荷等不同形式载荷对圆柱壳结构的毁伤作用机理。研究结果表明:冲击波对圆柱壳结构的毁伤效果受装药距离的影响较为明显，装药距离的增大会急剧削弱冲击波在圆柱壳上造成的破坏，而圆柱壳的方位改变对冲击波的毁伤作用影响较小;水射流载荷对圆柱壳结构产生的毁伤受方位因素的影响较为明显，当药包位于圆柱壳下方时圆柱壳迎爆面在气泡脉动及射流载荷联合作用下产生的塑性应变最大。关键词:水下爆炸;圆柱壳;应力应变;爆距;气泡脉动中图分类号:U661.44;TB125;O359+.1文献标志码:A文章编号:1000-1093(2023)02-0345-15收稿日期:2021-09-03基金项目:国家自然青年科学基金项目(12002168);江苏省自然青年科学基金项目(BK20200469);总装备部装备预先研究基金项目(6142604190405)Damage Characteristics of Underwater Explosion Shock Waveand Bubble Load on Typical Cylindrical Shell StructureZHANG Yifan1，LIU Liangtao1，WANG Jinxiang1，LI Heng2，TANG Kui1(1 National Key Laboratory of Transient Physics，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，Jiangsu，China;2 Naval Academy of Armament，Beijing 100161，China)Abstract:To investigate the damage characteristics of the near-field explosion shock wave load andbubble load on the typical cylindrical shell structure of a scaled-down torpedo，the ALE method wasconducted and the effects of explosion distance and charge position on the deformation and damagecharacteristics of the cylindrical shell structure were explored The validity of the numerical simulationmethod was verified by comparing it with the experimental results of the evolution process of the explosionbubble near the wall The interaction between the explosion bubble and the cylindrical shell was studiedunder different explosion distances and charge positions，and the damage mechanism of different forms ofload such the shock wave，bubble pulsation，and water jet on the cylindrical shell structure was analyzedin detail The results showed that the damage effect of the shock wave on the cylindrical shell structure is兵工学报第 44 卷strongly influenced by explosion distance;the increase of explosion distance sharply weakens the damagecaused by the shock wave on the cylindrical shell，while the charge position of the cylindrical shell has aweaker effect on the damage of the shock wave;the damage to the cylindrical shell is significantlyinfluenced by charge position;when the charge is arranged below the cylindrical shell，the shellgenerated the maximum plastic strain under the combined effects of bubble pulsation and water jetKeywords:underwater explosion;cylindrical shell;stress and strain;explosion distance;bubble pulsa-tion0引言随着国际形势的日益严峻和地区冲突的不断升级，海上作战成为一种重要形式，鱼雷是目前海军水下作战的重要武器装备，同时水下爆炸也成为水中作战的主要毁伤方式之一。水中结构物在遭受水下爆炸作用时，冲击波及气泡载荷是对结构产生毁伤效果的主要因素。对于舰船等水下结构物，鱼雷在其近场爆炸造成的危害十分巨大，爆炸载荷会对结构物的整体强度造成巨大破坏。目前针对水下爆炸对舰船单位的毁伤研究，国内外学者已经做了大量的工作 1 5，得出了很多具有指导性的结论。但与此同时，鱼雷这一海军武器本身也作为一种水下结构物存在，在航行过程中同样会受到反鱼雷武器的影响和破坏。因此，研究水下爆炸冲击波和气泡载荷对鱼雷典型圆柱壳结构的毁伤特性，具有重要的军事意义。姚熊亮等6 对冲击波与圆柱壳结构相互作用过程中产生的压力场进行仿真和分析，给出了在不同板厚与爆距下圆柱壳周围的压力场分布情况。刘东等7 基于内嵌的水下爆炸载荷计算方法和声固耦合方法，对不同壳体厚度及肋骨间距下的环肋圆柱壳在非接触爆炸中的变形响应进行了研究。仝志永等8 采用声固耦合算法分析了填沙薄壁圆柱壳结构水下爆炸作用下的弹塑性形变和损伤的破坏形式。Wu 等9 针对破片和爆炸载荷联合作用下金属圆柱壳结构的动态响应以及破坏效应进行了实验和数值模拟分析。沈晓乐等10 采用应变测量的方法 对 加 肋 圆 柱 壳 模 型 进 行 了 模 态 分 析。周游等11 利用流固耦合法分析了不同装药设置条件下圆柱壳的爆炸变形模式特征，分析了爆源条件对圆 柱 壳 动 力 响 应 及 变 形 模 式 的 影 响 规 律。刘云龙等12 基于不可压缩势流理论，运用边界元方法研究了攻角对圆柱壳附近水下爆炸气泡动态特性的影响，并将双渐进法与有限元法相耦合，研究了圆柱壳结构受水下爆炸载荷作用的冲击损伤问题和主要损伤模式13。纪冲等14 对充液及内空圆柱壳在爆炸载荷下动力屈曲响应特性及不同工况下圆柱壳的变形破坏模式进行了研究。汪浩等15 研究了近距离非接触爆炸作用下的气泡脉动载荷以及气泡溃破高速射流载荷对内加筋圆柱壳结构的毁伤机理，以及结构参数、药包位置对结果的影响。综上所述，目前已有的研究工作对爆炸距离及方位相关参数影响规律的研究较少，仍有大量工作需要完成。为研究鱼雷中部位置在爆炸作用下的响应情况，本文将鱼雷头部和尾部的典型特征去除，简化为圆柱壳结构进行分析。采用 LS-Dyna 软件对其在近场爆炸冲击作用下的毁伤特性进行研究，详细探讨爆距、药包方位等相关物理量对圆柱壳结构变形特征与毁伤特性的影响。1水下爆炸毁伤算法设置及材料模型缩比后的鱼雷典型圆柱壳结构长度为 1.1 m，半径 0.081 m，壳体厚度 0.003 m;在圆柱壳上均匀分布有 3 条加强肋，加强肋间距为 0.5 m，宽度为0.03 m，厚度 0.006 m。1.1水下爆炸圆柱壳结构模型算法设置在 LS-DYNA 软件中建立圆柱壳结构水下爆炸计算模型，采用任意拉格朗日欧拉(ALE)算法处理圆柱壳结构与水介质、空气之间的相互作用，其中空气和水介质采用欧拉算法，圆柱壳结构采用拉格朗日算法。为保证计算的稳定性，对圆柱壳结构进行网格划分时尽可能满足对网格形状的优化;同时为保证流固耦合的准确性，对水域中部区域的网格进行加密，以保证此区域内的欧拉单元尺寸与圆柱壳中部的拉格朗日单元尺寸基本一致，加密区域网格大小为 0.01 m 0.01 m。各部分网格划分如图 1 所示。计算模型示意图如图 2 所示，数值计算采用国际单位制。其中欧拉域大小为4 m 4 m 6 m，空气层厚度为 0.3 m，对空气域上表面设置无反射边界条件，将空气域、水域的侧表面以及水域的底面设置为固壁边界条件，TNT 炸药被放置在计算域中心位643第 2 期水下爆炸冲击波和气泡载荷对典型圆柱壳结构的毁伤特性图 1各部分网格划分Fig 1Meshing of various parts置，爆炸深度为 2.7 m。图 2数值模拟计算模型示意图Fig 2Schematic diagram of numerical simulation model最终得到各部分网格数量如表 1 所示。表 1各部分网格数量Table 1The number of grids in each part空气域水域圆柱壳总计71 8245 045 6364 5085 121 9681.2材料模型圆柱壳的本构模型选用 Johnson-Cook 模型，失效模型选用 Johnson-Cook 失效模型。Johnson-Cook模型是一种基于实验得到的、能够反映应变率强化效应和温升软化效应的材料模型16，其应力表达式为=(A+Bnp)(1+Cln*eq()1 T TrefTm T)ref(1)式中:为 von Mises 等效流变应力;A 代表材料屈服极限;B 为加工硬化模量;p为塑性应变;C 为应变速率常数;n 为硬化系数;*eq=p/0，p为等效塑性应变率，0为应变率参考值;T 为材料温度;Tref为温度参考值;Tm为材料融化温度。采用单元最大失效应变控制单元强度，等效塑性应变累计损伤度控制材料的破坏断裂，当单元的有效累计塑性应变达到失效应变时，发生失效侵蚀，单元损伤系数表达式为D=pf(2)式中:D 为损伤系数，在 0 1 之间变化，初始状态下D=0，当 D=1 时材料失效;p为单个时间步的塑性应变增量;f为当前时间步对应的破坏应变，是当前应力、应变、应变率及温度的函数，f=D1+D2exp(D3*)(1+D4ln*)(1+D5T*)(3)D1 D5为材料参数;*=p/eff为应力状态参数，p 为正压力，eff为等效应力;T*为温度状态参数。模型中圆