水下爆炸與艦船毀傷研究進展

張阿漫，王詩平，彭玉祥，明付仁，劉云龍

哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，150001

0 引 言

研究表明，近場水下爆炸可對艦船造成嚴(yán)重毀傷，并危及艦船生命力［1-4］，而遠(yuǎn)場水下爆炸則主要引起艦船嚴(yán)酷的沖擊環(huán)境，給艦用設(shè)備和艦員帶來威脅［5-8］。水下爆炸載荷主要包括沖擊波和氣泡兩部分［9-11］，對TNT炸藥來說，二者的能量大約各占一半［9］。水下爆炸首先產(chǎn)生沖擊波，沖擊波壓力峰值大，作用時間極短，約為毫秒量級，具有強間斷特性，近場沖擊波通常對艦船結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的局部毀傷［12-15］。沖擊波過后形成高溫高壓的氣泡，由于慣性力的作用，氣泡迅速膨脹，膨脹到一定程度后，由于靜水壓力的作用，氣泡會收縮至最小體積，釋放壓力波，然后再次膨脹，可能形成多個周期的脈動過程，直至氣泡破碎。氣泡在運動過程中由于壓力不平衡，通常會在收縮階段產(chǎn)生高速射流，射流速度可達百米每秒［9，16］。與沖擊波相比，氣泡的壓力峰值小，大約只有沖擊波的1/10，甚至更小，但是作用時間長，約為秒量級。而且由于氣泡運動的低頻效應(yīng)（氣泡的脈動頻率可能與艦船的一階總振動頻率接近），氣泡脈動載荷通常在沖擊波對艦船結(jié)構(gòu)造成初始損傷之后，對艦船結(jié)構(gòu)造成總體毀傷［8，17-18］，且氣泡收縮時的高速射流還會加劇艦船結(jié)構(gòu)的局部毀傷，可能使得艦船折斷，導(dǎo)致艦船結(jié)構(gòu)喪失總縱強度［19-20］。

上述為水下爆炸對艦船結(jié)構(gòu)的前期毀傷，氣泡后期的涌流載荷還會從已破損的艦船結(jié)構(gòu)進入艙室，對艙室內(nèi)部結(jié)構(gòu)和設(shè)備造成進一步的流固耦合沖擊，并改變艦船的浮態(tài)，可能使艦船沉沒，喪失生命力［21-22］。水下爆炸涉及沖擊波、氣泡以及后期涌流載荷，在這些載荷作用下，特別是近場條件下，結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生局部大變形，甚至產(chǎn)生破口以及總體破壞等強非線性毀傷特性，給理論分析、數(shù)值模擬以及實驗研究均帶來了巨大的挑戰(zhàn)［23-29］。下面擬從水下爆炸載荷、水下爆炸對結(jié)構(gòu)的毀傷等方面敘述該領(lǐng)域的研究動態(tài)和發(fā)展趨勢。

1 水下爆炸載荷研究進展

1.1 水下爆炸理論

如前所述，水下爆炸載荷主要包括沖擊波和氣泡，遠(yuǎn)場沖擊波的理論已研究較多，取得了豐富的研究成果［9，30-31］，但是關(guān)于距離爆炸中心很近的沖擊波傳播特性，由于其存在強間斷、強非線性等特性，仍有待深入研究［11，32-34］。在水下爆炸氣泡的理論研究方面，最早的研究工作可追朔到1917年Rayleigh的研究工作［35］，比較經(jīng)典的工作如Cole，Gilmore和 Keller等人的工作［9，36-37］，較新的研究工作可參考Prosperetti，Lauterborn等人的工作［38-41］。為了適于水下爆炸工程應(yīng)用，Geers和Hunter［42］以及 Zamyshlyaev 等［11］建立了水下爆炸氣泡運動與載荷理論預(yù)測模型，其中Geers和Hunter的模型中還計入了氣泡遷移對水下爆炸氣泡載荷的影響。但是氣泡理論研究仍僅局限于球形氣泡，或者偏離球形運動不是很大的情況［43-44］，而且對于近邊界氣泡動力學(xué)行為以及氣泡射流等非線性特性，仍然是氣泡理論研究的挑戰(zhàn)［10，45-47］。此外，關(guān)于水下爆炸氣泡后期涌流效應(yīng)的理論研究，公開發(fā)表的文獻十分罕見。

1.2 水下爆炸數(shù)值模擬

近年來，隨著計算理論、計算方法以及計算機技術(shù)的快速發(fā)展，水下爆炸數(shù)值模擬取得了很好的研究進展［42，46，48-54］。在水下爆炸沖擊波數(shù)值模擬方面，遠(yuǎn)場沖擊波的數(shù)值模型已比較成熟，已有很多文獻發(fā)表［8，55-59］。關(guān)于近場沖擊波的數(shù)值模擬方法，有間斷伽遼金方法［48，60-62］、有限差分方法［63-64］、有限元方法［65-67］、有限體積方法［48，68-70］、無網(wǎng)格光滑粒子流體動力學(xué)（Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH）方法［53-54，71］等。其中：間斷伽遼金方法精度較高，能夠較好地捕捉?jīng)_擊波的間斷特性［48，61，72］；有限元方法應(yīng)用較廣［73-74］；SPH 方法的研究起步稍晚［75］，但是近年來取得了長足的發(fā)展［53-54，71，76］。基于 SPH 方法計算的水下爆炸沖擊波傳播過程如圖1所示。有關(guān)距離爆炸中心很近的沖擊波傳播特性數(shù)值模擬仍存在困難，尚需深入研究。

關(guān)于水下爆炸氣泡數(shù)值模擬，由于其存在長時間的大變形、高速射流等強非線性特性，給數(shù)值模擬帶來了很大的困難［45-46，77］。比較經(jīng)典的氣泡數(shù)值模擬方法包括邊界元方法［45-46，78］、有限差分方法［79-80］、有限元方法［81-84］、有限體積方法［85-86］等。其中，邊界元方法的計算效率很高，在氣泡動力學(xué)領(lǐng)域取得了較大的研究進展［45-46，87］，但是其難以模擬近場/近邊界氣泡的運動，以及氣泡破碎后期的動力學(xué)行為［88-89］；歐拉有限元方法、有限體積方法在模擬氣泡的運動細(xì)節(jié)和近邊界附近氣泡的運動方面有較大的優(yōu)勢，例如，基于歐拉有限元方法計算得到了水下爆炸氣泡誘導(dǎo)自由液面形成的水冢現(xiàn)象（圖2）。目前，對于超近邊界水下爆炸氣泡三維動力學(xué)行為及載荷特性，數(shù)值模擬仍存在很大的挑戰(zhàn)，近年來發(fā)展起來的SPH方法［90-92］、格子 Boltzmann方法（Lattice Boltzmann Method，LBM）［93-94］可望為氣泡數(shù)值模擬帶來新的進展。水下爆炸氣泡破碎后期涌流的數(shù)值模擬仍處于探索階段［95-97］，存在氣泡破碎的機理、破碎氣泡與超近邊界的相互作用等艱澀的力學(xué)難題，有待深入研究。

圖1 基于SPH方法計算得到的水下爆炸沖擊波傳播過程Fig.1 Shock wave propagation process of UNDEX based on SPH method

圖2 基于歐拉有限元方法計算得到的200 kg藥包水下爆炸形成的氣泡運動及自由液面水冢現(xiàn)象Fig.2 Bubble and free-surface spike for UNDEX of 200 kg cartridge calculated by Eulerian finite element method

1.3 水下爆炸實驗

實驗的目的一方面是通過相似理論，把模型實驗結(jié)果換算成實尺度（實船）的實驗結(jié)果［98］，另一方面是驗證理論和計算方法的正確性［99-101］。由于實際當(dāng)量的水下爆炸實驗代價昂貴，而且給測量技術(shù)帶來很大困難，所以不易進行，得到的數(shù)據(jù)也非常有限［102-105］。研究人員通常采用小當(dāng)量的炸藥在爆炸水池、或者爆炸水箱中進行水下爆炸實驗，通過壓力傳感器、高速攝影等技術(shù)獲得沖擊波和氣泡載荷數(shù)據(jù)。例如，朱錫，汪斌和 Zhang等［11，106-108］的研究工作為水下爆炸研究提供了可參考的實驗數(shù)據(jù)，如圖3所示。由于水下爆炸實驗具有破壞性，而且對實驗環(huán)境要求較高，所以即使是小當(dāng)量的真實水下爆炸實驗，也難以進行。為此，研究人員采用高壓氣槍、高壓放電、激光等技術(shù)代替真實的水下爆炸，產(chǎn)生沖擊波和氣泡［109-114］。水下爆炸氣泡代替方法可進行大量重復(fù)性實驗，為分析氣泡運動機理提供了重要手段，同時也為驗證水下爆炸理論和數(shù)值方法提供了方法。

圖3 邊界附近小當(dāng)量水下爆炸過程實驗結(jié)果［108］Fig.3 Experimental results of small-scale UNDEX near a boundary［108］

關(guān)于如何將小當(dāng)量的水下爆炸實驗數(shù)據(jù)推廣到實尺度水下爆炸實驗，在理論上存在很大的難度，水下爆炸沖擊波、氣泡及后期涌流難以滿足統(tǒng)一的相似準(zhǔn)則，需分階段考慮［115-117］。水下爆炸沖擊波相似理論較為成熟，而關(guān)于水下爆炸氣泡的相似理論則仍存在很多問題需要解決，主要原因在于重力加速度、水深等因素對氣泡的運動和載荷以及后期涌流特性影響較大，所以在一般實驗條件下難以滿足相似關(guān)系［116］。近年來，研究人員在離心機上展開了水下爆炸實驗［118-120］，期望解決傳統(tǒng)實驗難以滿足相似關(guān)系的難題，但是離心機實驗存在邊界效應(yīng)等挑戰(zhàn)，仍需深入研究。

2 水下爆炸對結(jié)構(gòu)毀傷研究進展

2.1 水下爆炸對結(jié)構(gòu)毀傷理論

水下爆炸作用下結(jié)構(gòu)的毀傷研究涉及載荷非線性、結(jié)構(gòu)變形非線性等因素，給理論分析帶來了很大的困難［1，121-124］。中、遠(yuǎn)場水下爆炸作用下，結(jié)構(gòu)動響應(yīng)在理論上還有一些方法，例如水下爆炸沖擊波作用下平板結(jié)構(gòu)的動響應(yīng)分析［125-126］、水下爆炸作用下圓柱殼結(jié)構(gòu)的動響應(yīng)分析等［127-128］，但是理論分析往往限于簡單規(guī)則的工況。而關(guān)于近場水下爆炸對復(fù)雜結(jié)構(gòu)毀傷的理論研究進展緩慢，迄今為止，尚未有理論模型能夠精確預(yù)測近場水下爆炸沖擊波、氣泡脈動、射流和后期涌流載荷作用下水中復(fù)雜結(jié)構(gòu)的全過程毀傷效應(yīng)，尤其是接觸爆炸對結(jié)構(gòu)的毀傷過程［129-130］。由于其涉及大變形、強非線性流固耦合效應(yīng)，給理論分析帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

2.2 水下爆炸對結(jié)構(gòu)毀傷數(shù)值模擬

如前所述，水下爆炸及其對水中結(jié)構(gòu)的毀傷涉及復(fù)雜的物理力學(xué)過程，給理論分析和數(shù)值技術(shù)均帶來了極大的困難，尤其是近場水下爆炸的數(shù)值模擬更為困難［4，130-131］。遠(yuǎn)場水下爆炸作用下結(jié)構(gòu)動響應(yīng)分析數(shù)值模擬研究比較成熟，典型的方法有雙重漸近近似法（Doubly Asymptotic Approximations，DAA）［132］、聲固耦合方法［133］等。關(guān)于近場水下爆炸對結(jié)構(gòu)的毀傷數(shù)值方法，有有限元方法［65，134］、SPH 方法［54，135-136］等。其中，有限元方法應(yīng)用比較廣泛，但在有網(wǎng)格方法中，對于接觸爆炸引起的網(wǎng)格扭曲、計算發(fā)散等問題，仍有待進一步解決；無網(wǎng)格方法中，SPH方法的適用性和魯棒性較好，但其計算精度仍需提高［137-138］。現(xiàn)階段，數(shù)值方法對簡單結(jié)構(gòu)在近場水下爆炸載荷作用下的毀傷特性能夠獲得較好的計算結(jié)果［54，58］。但是對復(fù)雜艦船結(jié)構(gòu)的毀傷特性，特別是水下爆炸沖擊波、氣泡脈動、氣泡射流以及后期涌流等全過程載荷作用下的結(jié)構(gòu)毀傷研究，公開發(fā)表的文獻資料甚少，仍有同時計入氣泡內(nèi)部因素和復(fù)雜邊界效應(yīng)的氣泡動力學(xué)模型、接觸爆炸對結(jié)構(gòu)毀傷的強非線性瞬態(tài)流固耦合高精度數(shù)值模型、計入復(fù)雜波浪效應(yīng)的近場水下爆炸對全艦整體毀傷的力學(xué)過程等許多艱澀的力學(xué)難題有待被解決和攻克。由于水下爆炸對結(jié)構(gòu)毀傷的復(fù)雜性，采用多種方法聯(lián)合求解該問題或許是一種解決方法，例如流體無網(wǎng)格和結(jié)構(gòu)有網(wǎng)格方法相結(jié)合，SPH-FEM聯(lián)合求解等［54］。全無網(wǎng)格的方法，即流體載荷和結(jié)構(gòu)響應(yīng)均采用無網(wǎng)格方法求解，例如載荷采用SPH方法求解，結(jié)構(gòu)響應(yīng)采用SPH或重構(gòu)核粒子法（ReproducingKernelParticleMethod，RKPM）［139-140］求解，這為水下爆炸數(shù)值模擬提供了一個新的途徑。例如，圖4和5中給出了采用SPH-RKPM計算得到的板架及艙段結(jié)構(gòu)在水下接觸爆炸作用下的毀傷特性。

2.3 水下爆炸對結(jié)構(gòu)毀傷實驗

水下爆炸對艦船結(jié)構(gòu)的毀傷實驗研究是掌握水下爆炸毀傷特性最直接的手段，多國研究人員均進行了實船水下爆炸實驗，尤其是以美國為代表的發(fā)達國家進行了大量的實船水下爆炸實驗，得到了豐富的實驗數(shù)據(jù)［134］，并建立了相關(guān)的專用方法、技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)；但是由于保密原因，很多技術(shù)資料并沒有公開發(fā)表。我國近年來也多次進行了實船水下爆炸實驗，積累了較好的實驗技術(shù)和數(shù)據(jù)儲備［141-145］。但是海上實船水下爆炸實驗由于其代價昂貴，測試難度大，不易進行，所以水下爆炸模型實驗或者機理性實驗是研究人員采用的主要途徑之一［146-148］。如前所述，水下爆炸模型實驗一方面可以驗證理論和計算方法的有效性，另一方面可以通過相似理論將模型實驗結(jié)果推廣到實船。水下爆炸對結(jié)構(gòu)毀傷的相似理論同時涉及載荷和結(jié)構(gòu)響應(yīng)相似，如前所述，水下爆炸沖擊波載荷的相似性比較容易滿足［116-117］，而水下爆炸氣泡的相似準(zhǔn)則相對比較困難［116，118-119］，水下爆炸對結(jié)構(gòu)毀傷的相似準(zhǔn)則更難以滿足［116，149］，這是由于其中涉及了應(yīng)變率相關(guān)的結(jié)構(gòu)塑性變形和破壞、材料塑性及應(yīng)變率效應(yīng)，難以滿足相似理論［116，149］，所以給水下爆炸對結(jié)構(gòu)毀傷的相似性研究帶來了更復(fù)雜的困難。

圖4 基于SPH-RKPM耦合方法求解得到的板架結(jié)構(gòu)在水下近場接觸爆炸載荷作用下的毀傷特性Fig.4 Damage effects simulation of panels subjected to contact UNDEX based on coupled SPH-RKPM method

圖5 基于SPH-RKPM耦合方法求解得到的艙段結(jié)構(gòu)在水下近場接觸爆炸載荷作用下的毀傷特性Fig.5 Damage effects simulation of cabins subjected to contact UNDEX based on coupled SPH-RKPM method

遠(yuǎn)場水下爆炸作用下結(jié)構(gòu)的彈性響應(yīng)相似性已有一些理論和方法，大尺度模型（小縮比模型）的水下爆炸實驗相似性問題也有能夠適用于工程應(yīng)用的實驗技術(shù)，但是關(guān)于小尺度模型（大縮比模型）近場水下爆炸對結(jié)構(gòu)毀傷的相似性問題則尚在研究中，而且加工工藝也加劇了大縮比模型實驗的困難［149］。為此，研究人員在工程上為了解決加工工藝和相似準(zhǔn)則的問題，還采用了變異模型實驗代替實際的模型實驗［149-150］，能夠部分解決水下爆炸模型實驗的問題，但是還存在很多理論上的問題需要進一步探明。

3 結(jié) 論

水下爆炸，尤其是近場水下爆炸對艦船結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重毀傷，嚴(yán)重危及艦船的生命力和戰(zhàn)斗力。水下爆炸與艦船毀傷問題涉及近場水下爆炸載荷特性、強非線性流固耦合、近場水下爆炸對結(jié)構(gòu)的毀傷機理等許多復(fù)雜的物理力學(xué)現(xiàn)象，雖然前期研究人員已進行了大量的研究，取得了重要的研究進展和系列研究成果，但是迄今為止，仍存在許多艱澀的基礎(chǔ)力學(xué)問題有待進一步研究。主要包括：

1）距離水下爆炸中心超近的水下爆炸沖擊波載荷實驗測量、理論分析與數(shù)值模擬；

2）同時計入氣泡內(nèi)部因素和復(fù)雜邊界效應(yīng)的水下爆炸氣泡理論與數(shù)值模擬；

3）近場水下接觸爆炸理論與高精度數(shù)值模擬；

4）近場水下爆炸沖擊波、氣泡與后期涌流及波浪載荷聯(lián)合作用下艦船結(jié)構(gòu)整體和局部破壞機理；

5）近場水下爆炸與艦船毀傷高精度、高效率軟件開發(fā)；

6）近場水下爆炸與結(jié)構(gòu)毀傷模型實驗相似性理論；

7）實船實彈水下爆炸先進試驗技術(shù)與測試方法。

致 謝

感謝崔璞博士及博士研究生王平平、賀銘在論文撰寫過程中提供的幫助。