水下爆炸簡介

水下爆炸，又稱水中爆炸，包括裝藥、炸彈、魚水雷等在水中發生的化學爆炸和核武器在水中發生的水中核爆炸。由于常規水中兵器發展和水下防護技術發展的需要，人們對水下化學爆炸已有較為清晰的認識，一般認為包括裝藥的爆轟、沖擊波的產生和傳播、氣泡的脈動和潰滅三個明顯物理過程，其中后兩個過程會受到自由表面、水底、側壁、障礙物等流場邊界的強烈影響，產生極其豐富而有趣的變化，反之也會對這些邊界產生極其復雜的力學作用，這也引起了人們對水下爆炸問題研究的極大興趣。

水下爆炸的研究始于19 世紀。兩次世界大戰期間，大量艦船因水下爆炸而破壞、沉沒，使得人們對水下爆炸的破壞威力有了深刻認識。二戰后，美、蘇兩國利用繳獲艦船大量開展水下爆炸試驗，建立半經驗計算公式，形成了較為系統的理論。1960 年，美國科學家Cole 在所著的《水下爆炸》一書中，清晰描述了爆炸沖擊波、氣泡脈動等主要現象及其變化規律，至今仍被公認為經典之作。1973 年，蘇聯科學家Zamyshlyayev 等在所著的《DynamicLoadsinUnderwaterExplosion》一書中，進一步建立了包含氣泡脈動過程的水中壓力波的解析表達式，分析給出了自由面和底部效應、繞射效應、空化效應、沖擊波和結構之間的相互作用特性。20 世紀60 年代以來，隨著計算機技術的進步，關于水下爆炸問題的數值計算方法研究和水下爆炸問題的數值模擬研究方興未艾，大大拓展了水下爆炸問題研究范圍，加深了對其物理過程的認識。

20 世紀80 年代以來，水下爆炸逐漸成為我國學者的重要研究方向，在水下爆炸能量輸出結構、水下爆炸載荷及其預報方法、水下爆炸實驗測試技術、氣泡脈動與潰滅規律、船體結構毀傷效應、艦船沖擊環境等多個領域均取得了一定進展。然而，由于問題的復雜性，水下爆炸研究中還存在多個尚待進一步研究的問題：

（1）近場與接觸爆炸載荷方面。經典水下爆炸理論對于近場爆炸（1 倍藥包半徑以內）載荷沒有給出有效的理論和計算方法，實驗測試亦存在諸多困難。近距爆炸氣泡脈動導致的沖擊載荷計算尚無有效方法，氣泡塌陷潰滅射流的形成條件、機理以及所產生的載荷定量計算尚不夠完善。水中接觸爆炸下，爆轟產物、水介質、船內空氣介質等多種流體會與船體結構會產生強烈的流固耦合作用，并使船體外層結構產生破損，彈塑性不連續邊界下氣泡的膨脹擴散與脈動特性，外層結構破片、爆轟產物與水介質對內層結構的作用載荷等問題尚無可靠的計算方法。

（2）船體結構毀傷特性與計算方法方面。相對于艦船總體強度和局部強度，水下爆炸對艦船船體也會產生總體性和局部性的變形破壞。艦船局部結構在水下爆炸載荷作用下的毀傷計算主要集中在求解沖擊波載荷作用下結構殘余變形方面，關于氣泡載荷（包括氣泡脈動壓力和射流載荷）作用下艦船局部結構的塑性變形研究較少，關于近場爆炸作用下結構破口計算仍以經驗公式為主，船體局部結構的變形破壞模式、局部沖塞和破口花瓣開裂的理論計算方法等尚需結合現代艦船結構特性進一步完善。而船體總體性變形則以靜態計算為主，對于船體“鞭狀”振動響應與中拱、中垂失效缺乏動力學計算手段。針對水下近場與接觸爆炸的雙層船體、多艙結構等防護結構形式，尚無成熟的計算分析方法。