水下爆炸對艦船結構損傷特征研究綜述

張阿漫 王詩平 汪 玉 姚熊亮

1哈爾濱工程大學 船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001

2海軍裝備研究院，北京 100073

水下爆炸對艦船結構損傷特征研究綜述

張阿漫1王詩平1汪 玉2姚熊亮1

1哈爾濱工程大學 船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001

2海軍裝備研究院，北京 100073

魚雷、水雷等水中兵器是艦船生命力的主要威脅之一。艦船水下爆炸已成為國際上研究的熱點問題，雖然，近年來在艦船水下爆炸領域取得了一系列豐碩的研究成果，但迄今為止，水下爆炸沖擊波、氣泡運動及其對艦船結構的毀傷機理與規律仍未被完全揭示。針對此研究現狀，首先分析了水下爆炸載荷特性，總結了水下爆炸對艦船結構的毀傷特性；其次，從應用研究和科學研究兩方面，概括了艦船水下爆炸實驗、理論分析以及數值方法方面的研究進展，總結了在基礎研究方面存在的問題，旨在為艦船抗爆抗沖擊相關研究提供參考。

水下爆炸；艦船結構；沖擊波；氣泡

1 引言

水下爆炸物理現象十分復雜［1－15］，包括初始爆轟、沖擊波、爆轟物形成的氣泡，且氣泡運動誘發滯后流、氣泡坍塌產生脈動壓力及高速射流。

當爆炸物在水中爆炸時，在一瞬間產生大量的高溫、高壓爆轟產物，強烈的擠壓周圍的流體介質，使其壓力、密度迅速升高，形成初始沖擊波。對此，Cole［1］對水下爆炸的現象、物理化學變化、水下爆炸載荷的分布和傳播特點進行了詳盡的闡述，并給出了水下爆炸沖擊波的半經驗半理論公式。通常，沖擊波的壓力大、時間短，呈現高頻特征，對艦船結構造成嚴重局部損傷［6－7］。氣泡脈動運動是水下爆炸區別于空中爆炸的重要方面。爆轟階段結束以后，在水中產生的高溫、高壓的爆轟產物（主要為氣體）為初始氣泡，在氣泡內外壓力差以及流體慣性的雙重作用下脈動運動，產生滯后流，并對水中結構物產生脈動壓力。氣泡滯后流、脈動壓力載荷大、時間長，呈現低頻特征，對艦船造成總體毀傷［16－21］。此外，在特定的條件下，水下爆炸氣泡還會存在高速射流現象。射流形成的原因主要源于以下方面：

1）氣泡周圍的其他邊界面，如固壁面或自由面；

2）慣性力的作用，如重力；

3）氣泡受到劇烈的沖擊波的作用。

與其相關的內容可分別參見 Blake［3］、張阿漫［4］、Klaseboer［4］的研究成果。 氣泡射流速度高、力量大，造成艦船結構嚴重的局部損傷，相當于水錘對艦船局部強度的破壞（稱為“氣泡錘”）［22－25］。水下爆炸及其對艦船結構的毀傷特性如圖1所示。

隨著現代兵器技術的不斷變化和快速發展，作為海上作戰平臺的艦船面臨著日益嚴峻的生存環境，各國海軍對艦船在極端情況下的生命力要求越來越高，而魚雷、水雷等兵器水下爆炸是艦船生命力的主要威脅之一。因此，艦船抗水下爆炸性能已成為世界上普遍關注的問題［26－36］，下面從應用研究和科學研究2個方面闡述水下爆炸對艦船結構的毀傷研究進展。

2 應用研究進展

國內外通過開展海上實船爆炸實驗，積累大量數據、資料，通過嚴格的量綱分析，并結合有效的數值手段，得出艦船在作戰條件下的抗水下爆炸能力，這是艦船抗爆抗沖擊研究最可靠的方式［1，37－41］，但實船爆炸實驗十分昂貴，且實施難度巨大。若采用水下爆炸縮尺比模型實驗，則受到水下爆炸相似理論的限制［42－47］。 縮比實驗涉及到結構動力學、材料非線性以及水下爆炸載荷等相似問題，由于模型加工工藝、實驗條件等因素的約束，即使模型與實船的縮尺比較小，也難以保證船體結構、材料以及載荷均完全滿足相似準則。由于水下爆炸模型實驗屬于瞬態強非線性動力學相似問題，至今人們尚未找到相似規律，將模型實驗的結果推廣到實船［45－47］，因此，模型實驗很難準確評估與考核實船的抗爆抗沖擊能力。局部板架水下爆炸實驗雖可以節約成本，然而由于局部板架與實際船體結構在邊界條件上存在很大差異，通過已有的數值計算結論和理論分析可知，局部板架在爆炸載荷下的響應與實船板架的響應差別較大。因此，局部板架實驗結果難以評估與考核實船結構強度，用其評估實船的抗爆抗沖擊能力精度較低。

以美國為代表的各海軍強國為了確保海軍裝備安全，自20世紀50年代以來對首制艦均采取了實船爆炸考核，尋找其薄弱環節，以求改進，形成了專用軟件［48－53］，但至今仍對我國禁運。 另外，通過積累大量的實船爆炸實驗數據，建立了實船實驗數據庫，并制定了艦船抗爆抗沖擊設計標準［8，53］，如 MIL－901D、BV0430 ／85 等。

我國開展艦船水下爆炸研究始于上世紀60年代，但直到80年代后期才開始得到相關部門的重視［6，8］。 迄今為止，國內僅開展了幾次大規模的海上實船爆炸實驗，所取得的數據極其有限。盡管國內水下爆炸研究最近10年取得了許多值得肯定的成績［36－45］，在某些方面甚至接近或處于世界先進行列，但就其整體水平而言，與發達國家相比還存在較大的差距。首先，實驗設施比較落后，像大中型的爆炸水池等實驗設施在全國是屈指可數，無論是規模還是測試能力都比國外先進國家落后很多。其次，基礎研究方面不夠深入，有一定的重復研究現象。在數值仿真方面，自主開發的模擬水下爆炸的軟件甚少，主要依賴進口商用軟件，而現有通用軟件中有關艦船抗爆抗沖擊數值仿真分析的核心模塊禁止向我國出口，導致現有軟件并不能解決艦船抗爆抗沖擊基礎性和機理性問題，而這些機理性問題恰恰直接關系到海軍重點型號的研制與設計，這給艦船水下爆炸研究工作造成了極大的困難［6，8，16］。 目前國內外關于水下爆炸應用的研究現狀總結如圖2所示。

3 科學研究進展

從艦船水下爆炸應用研究進展可知，國際上開展了較多模型實驗和實船水下爆炸實驗，取得了較多可用于工程設計的研究成果［1，4－8］。 但是，由于水下爆炸實驗屬于破壞性實驗，目前開展的多屬中遠場水下爆炸實驗，如實彈攻擊艦船的近場或接觸爆炸實驗仍然很少，難以總結水下爆炸對艦船結構的毀傷規律并揭示其本質［53－54］。而且如近水面爆炸產生的水冢、近海底爆炸沖擊波反射以及氣泡的不穩定現象等均難以采用現在的工程實驗技術精確測量，需通過機理性實驗、理論分析與數值方法進行探索［55－58］。

根據水下爆炸的物理現象及其對水中結構的毀傷特性，將水下爆炸分為接觸爆炸（近場或近邊界爆炸）和非接觸爆炸（包括中近場和遠場爆炸）［59］。對于遠場非接觸爆炸，主要是沖擊波與結構在彈性范圍內相互作用。目前，運用二階雙漸近法（DAA2）［6，50］、聲固耦合方法等［60－62］進行分析的有效性已達成共識，而且實踐證明這些方法均有較好的精度。遠場爆炸時，氣泡對艦船的毀傷效應可以忽略，氣泡的運動形態不受艦船的影響。

對于中近場爆炸，沖擊波與船體結構相互作用產生片空化現象，出現氣、液、固耦合效應［63－65］。目前主要的理論和方法包括：彈塑性理論及任意拉格朗日歐拉算法（ALE）［52，66］、聲固耦合理論及相應的求解方法［60－61］、流固耦合理論及二階雙漸近法（DAA2）［6，50］等。 現有的水下爆炸實驗研究表明［1，53］，中近場氣泡的毀傷威力不僅與裝藥有關，而且與作戰環境（如裝藥距水面和海底的距離、海底特征等）以及目標特性（艦船本身的結構特性）有關。只有在一定的條件下，氣泡的毀傷威力才能最大化［4］。但迄今為止，水下爆炸氣泡對艦船結構的毀傷效能仍未被有效利用。

隨著精確制導武器的快速發展，如魚雷等武器可貼近船體表面爆炸，即接觸爆炸。接觸爆炸沖擊壓力可達 GPa，接觸面出現流動、破碎［67－70］，與中遠場爆炸在機理上存在著很大的差別，前者屬于爆炸動力學范疇，后者屬結構動力學范疇。但目前仍采用大變形的彈塑性理論，由 ALE 算法［52，66］、CEL算法等。與魚雷接觸爆炸類似的物理現象還有沉底水雷近海底爆炸，此時，水下爆炸氣泡與邊界相互作用，出現撕裂、不穩定、融合等特殊物理現象［62］。目前，研究人員大多采用絕熱假設、流體有限元（FEM）［25］、邊界元理論（BEM）［71－74］以及相應的求解方法。目前，水下爆炸及其對艦船結構的毀傷科學研究進展如圖3所示。

4 存在的主要問題

4.1 近場近邊界水下爆炸載荷特性

接觸爆炸［68］、近水面爆炸［72］以及沉底爆炸［63］均屬于近場或近邊界爆炸。發生近水面爆炸時，水面對爆轟、沖擊波的傳播、氣泡的形狀，氣泡射流等特征均造成嚴重影響。且近水面爆炸會出現水冢現象，氣泡與水?，F象發生強烈的耦合作用，這類現象的發生與自由液面的劇烈變化密切相關，屬強非線性、多處不連續邊界問題［12］。發生近海底爆炸時，沖擊波出現反射，氣泡出現不穩定、撕裂、融合等物理現象，導致流體載荷呈間斷、突變特性［63］，這些特殊物理現象需進一步深入研究。

由上述可知，邊界爆炸具有瞬時、大變形以及撕裂等強非線性動力學特性，普通的有網格數值方法（BEM，FEM）在模擬該類問題時存在較大的局限性［25，72］。 無網格光滑粒子法［12，73－77］（SPH）在模擬爆轟、沖擊波的傳播以及撕裂等非連續問題具有很大的優勢。

4.2 水下接觸爆炸對艦船結構的毀傷特性

而對于接觸爆炸而言，產生的瞬態、強沖擊載荷可達到 GPa［67－70］，在這種載荷條件下，引起艦船結構的毀傷不同于中遠場爆炸，材料能夠承受的剪應力與它受到的外載荷相比已經很小，因而其剪應力（或強度）可以忽略不計，不計剪應力意味著材料可以當作流體處理。因此，直接遭受接觸爆炸載荷作用的船體結構可以視為“固體”流體［78］，此時基于結構動力學的流固耦合物面條件不再適用。鑒此，有必要探索新的方法，建立新的物面條件，解決接觸爆炸的瞬態、強非線性問題。

4.3 水下中近場爆炸瞬態強非線性流固耦合方法

當爆炸物在水下爆炸時，爆轟過程在瞬間完成，對于中近場水下爆炸，入射沖擊波與艦船結構相互作用，產生反向加載拉伸波，出現局部或片空化效應［64－66］，在物面存在氣、液混合薄層，破壞了原有物面力平衡、質點運動連續條件。此外，水下爆炸還可能產生水面截斷效應，海底反射效應等。這些非線性效應均對水下爆炸載荷及流固耦合效應造成嚴重影響。因此，為研究水下爆炸對艦船結構的毀傷，在考慮強非線性流固耦合特性的同時，還需計入片空化、水面截斷、海底反射等因素。目前，聲固耦合法［60，61］、雙漸近法［6，50］均難以考慮上述非線性現象。

4.4 計及熱量交換的水下爆炸氣泡運動模型

以往人們在研究水下爆炸氣泡動態特性時，在絕熱假設條件下，通過流體有限元或邊界元求解氣泡的動態特性。若氣泡尺度較小，且氣泡內部溫度與周圍介質相當的情況下，基于絕熱假設的方法能較好地描述氣泡的運動。但是，水下爆炸氣泡屬大尺度氣泡，而且氣泡內部初始溫度達3 000～5 000 K［1］，在氣泡運動過程中與周圍環境存在大量的熱交換，這時仍采用絕熱假設描述氣泡的運動，獲得的結果與真實的水下爆炸氣泡運動有較大的區別。因此，為真實地模擬水下爆炸氣泡的動態特性，計及熱量交換的水下爆炸氣泡運動模型有待建立和完善。

4.5 氣泡運動對船體結構的毀傷規律

國內外海上實船爆炸實驗和水池模型實驗研究已表明［2，39，41］，沖擊波通常對艦船結構造成嚴重的局部毀傷，依靠沖擊波摧毀艦船結構，使艦船完全喪失生命力，需多發武器命中艦船。但在一些特殊的實驗狀態，艦船結構在1次水下爆炸作用下喪失總縱強度，從中橫剖面處折斷。根據這些特殊的現象，研究人員指出，導致艦船折斷的載荷并非高頻沖擊波的作用，而是低頻氣泡脈動所致。人們在一些零碎的實驗研究中發現了這些現象，并沒有系統地研究。事實上，由于沖擊波持續時間短，即使壓力峰值量級高，也只是對艦船產生局部的大變形或毀傷，而氣泡脈動載荷頻率低，常和艦船的低級固有頻率相近，因此容易誘導艦船產生鞭狀運動，嚴重時甚至直接將艦船折斷，摧毀其總縱強度［19－21］。 另外，在特定的條件下，中近場的水下爆炸產生的高速射流也會對艦船產生巨大的局部毀傷。氣泡只有在一定的條件下威力巨大，對艦船結構總縱強度造成一次性毀傷或嚴重的局部毀傷。而在一般情況下，氣泡的威力未被利用，不會對艦船結構造成嚴重的毀傷。因此，只有當氣泡毀傷效應可控時，才能發揮其巨大的毀傷效應。其本質原因在于氣泡運動不是孤立的［71－74］，氣泡運動對船體結構的毀傷與船體固有特性、海底、自由液面等環境參數密切相關。因此，深入研究氣泡載荷作用下的艦船結構毀傷機理以及各環境參數對毀傷效果的影響有著重要的現實意義。

5 總結

水下爆炸沖擊波、氣泡及其對艦船結構的毀傷特性是目前國際上研究的前沿和熱點。縱觀國內外，在艦船中遠場水下爆炸、沖擊波的傳播特性、氣泡的運動形態等方面取得了豐碩的研究成果，但在近場接觸爆炸、非線性流固耦合特性、氣泡不穩定性等方面尚需進一步深入研究。通過分析國內外研究進展，將水下爆炸對艦船結構損傷特征總結如下：

1）近邊界爆炸呈現自由液面飛濺、物面撕裂等強非線性特征，氣泡出現不穩定、破碎、融合等特殊物理現象，導致流體載荷呈間斷、突變特性。

2）接觸爆炸產生的瞬態強沖擊載荷可達到GPa，在這種載荷條件下，固體材料承受剪應力的能力可以忽略，這時結構可以視為“固體”流體。

3）入射沖擊波與結構相互作用，產生反向加載拉伸波，出現局部或片空化現象，在物面存在氣、液混合薄層，破壞了原有物面力平衡、質點運動連續條件。

4）水下爆炸產生高溫高壓氣泡，初始溫度達3 000～5 000 K，存在氣體與流體之間的熱量交換，具有強烈的熱動力學特征。

5）水下爆炸氣泡運動不是孤立的，氣泡運動對船體結構的毀傷與船體固有特性、海底、自由液面等環境參數密切相關。

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Advances in the Research of Characteristics of Warship Structural Damage Due to Underwater Explosion

Zhang A－man1Wang Shi－ping1Wang Yu2
1 School of Shipbuilding Engineering， Harbin Engineering University， Harbin 150001， China
2 Naval Academy of Armament， Beijing 100073， China

Underwater shock loading due to explosion of torpedo or mine may be one of the main threats to the survivability of ship.This has attracted enormous interest in the warship design field， and a large literature dedicated to the underwater explosion problem over the past several years have been released，however， the behaviors in terms of underwater explosion shock wave， bubble dynamics together with their impacts on the ship structure have not yet been fully revealed.This paper analyzed the characteristics of underwater explosion loads，and summarized the characteristics of structural damages to the ship subjected to underwater explosion.The paper also outlined the development progresses both in the application and scientific research， ranging from experimental studies，theoretical analyses to numerical methods for the research purpose.The issue has been put forward to address the necessity of basic research，which aims to provide a reference for related researches on warship anti－detonation and anti－shock.

underwater explosion； ship structure； shock wave； bubble

U661.44

A

1673－3185（2011）03－01－07

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.03.001

2010-11-16

第十二屆霍英東教育基金項目（121073）；國家自然科學基金項目（10976008，50809018，51009035，50939002）；國庫基本科研業務費資助項目（GK2010260108）

張阿漫（1981－），男，博士，教授。研究方向：水下爆炸氣泡動力學。E-mail：amanzhang@gmail.com

王詩平（1983－），男，博士研究生。研究方向：水下爆炸氣泡動力學。E-mail：shipingwang316@gmail.com