水下爆炸远场冲击波的数值模拟

水下爆炸远场冲击波的数值模拟摘要：本文结合文献调研资料，分析了水下爆炸数值模拟的各个方向的研究现状。

阐明了水下爆炸数值模拟的研究背景以及研究发展的重要性，并且阐明了远场冲击波模拟的目的和应用前景。

结合论文资料和各个模拟软件的帮助手册，比较了各个数值模拟软件的特点。

展示了作者在水下爆炸的远场冲击波模拟方面做的实践，并且写出了笔者的心得体会。

关键词：水下爆炸；数值模拟；远场冲击波；AUTODYN；ABAQUS；1.水下爆炸数值模拟的研究背景水下爆炸是水中兵器设计技术、破坏效应和水下爆破工程的基础问题，对水下爆炸进行的相关研究对于提高水中兵器威力、提高舰船生命力和战斗力、提高工程效率等有重要的意义。

由于水下爆炸属于非常复杂的流体动力学问题，因此相关的研究一直以实验研究为主。

但是实际水下爆炸以及结构相应的实验研究的成本和复杂程度非常高，并且随着计算机技术和数值模拟技术的发展，水下爆炸的数值模拟渐渐受到了大家的重视，数值模拟受环境条件的影响较小, 可以较容易地改变模拟试验条件, 比较、分析不同条件下的模拟结果, 调整参数组合进行计算。

水下爆炸的模拟主要在近场的爆炸能量输出、气泡脉动的过程、远场冲击波及其对结构的的破坏三个方向。

这篇论文主要讨论远场冲击波的数值模拟。

2.当前国内外的工作ALE法全称arbitrary Lagrange-Euler方法，是一种避免网格过大变形的数值计算方法。

它兼具Lagrange方法和Euler方法的特长，因此在水下远场冲击波的数值计算中得到了大量的运用。

张奇.张若京[1]的研究阐明了ALE法可以用于土质中的爆炸模拟。

A.R.Pishevar等人[2]的研究利用数值方法仿真了二维多物质可压缩流，证明了水下爆炸可以用ALE算法进行计算。

并且模拟了在刚性墙一侧不远处的爆炸，也模拟了气泡的成型过程。

Young S.Shin等人[4]利用拉格朗日-欧拉耦合算法（论文中使用ALE算法）对水下爆炸问题进行了模拟，主要考虑了水域中冲击波传播时峰值压力的变化以及一个钢壳体球在冲击波作用下的动态响应。

水下爆炸可以使用多种数值仿真软件进行模拟，ABAQUS Technology Brief[3]中阐明了ABAQUS利用声固耦合仿真技术进行潜水艇对水下爆炸动态响应的模拟。

张广仁[5]使用LS-DYNA软件利用ALE算法模拟了炸药在无限水域中爆炸的冲击波，分析了炸药的能量输出过程以及个别单元的压力时程曲线。

在提高远场冲击波数值计算精确度方面，刘科种等人[6]使用AUTODYN软件，对TNT水下爆炸产生的冲击波的传播过程进行了数值模拟。

这论文表明了冲击波计算时对网格密度的依赖性。

另一方面找到了一种通过降低人工粘性系数，然后低通滤波（因为要去除因为降低人工粘性系数而产生的伪震荡）的方法得到和实际结果相差不大的数值模拟技术。

肖秋萍等人[7]在AUTODYN平台上的模拟也证明了水下爆炸模拟对网格密度的依赖性和局限性。

张振华等人[8]利用MSC.DYTRAN软件对水下爆炸冲击波进行模拟。

并且提出了通过修改水的状态方程参数从而使模拟结果靠近真实实验数据的方法。

除了上述ALE数值模拟方法姚熊亮等人[9]利用光滑粒子流体动力学（SPH）的方法对无限水域和水底炸药爆炸的冲击波传播情况进行数值模拟，结果较为理想。

3.相关数值模拟软件简介LS-DYNA是著名的通用显式动力分析程序，能够较好地解决水下爆炸模拟涉及的炸药爆炸膨胀、气泡脉动、结构破坏等大变形问题。

但是LS-DYNA的固流耦合算法因为计算精度令人不满意而且计算耗费大而不适合进行远场爆炸冲击波的模拟。

但是LS-DYNA拥有*LOAD-SSA 关键字，可以用于模拟远场爆炸。

AUTODYN也是一个著名的通用显式动力分析软件，拥有非常深厚的军工背景，拥有非常丰富的材料模型，不仅是本构模型，相关的热力学状态方程也非常全面，可以模拟侵彻问题、爆炸问题、聚能射流、材料的高速动载效应、火箭点火发射过程等等。

AUTODYN拥有remap 技术，可以将一维冲击波模拟结果映射到三维情况下用以分析结构在冲击波下的响应问题。

根据笔者体验，AUTDYN最大的特点是操作简单，流程清晰。

ABAQUS是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，ABAQUS强大的对复杂的非线性问题的分析能力是它的特点。

这个软件也是笔者比较熟悉的软件，在我接触侵彻相关的问题时已经能够感受到ABAQUS强大的分析能力和友好的操作界面。

但是ABAQUS由于没有爆炸模拟相关的模块，因此ABAQUS并不适合单独模拟水下爆炸的远场冲击波，也因为这个原因，网上鲜见ABAQUS做水下爆炸冲击波模拟的资料。

但是值得一提的是ABAQUS的声固耦合模块非常适合船舶结构在冲击波下的动态响应的数值模拟。

在新版本（如ABAQUS 6.11）中已经添加了JWL的状态方程以及相关设置，ABAQUS模拟爆炸应该不久之后也会开发出来。

MSC.Dytran 是MSC.Software 公司的核心产品之一，专门适用于高速瞬态非线性动力问题，瞬态流固耦合问题的数值仿真。

但是笔者并没有接触过这个软件，因此不做详细讲述。

4.发展趋势与展望当今水下爆炸数值模拟的重难点在气泡脉冲相关的研究，因为其气泡脉冲会伴随大变形以及两相流的问题，因此在模拟时会非常复杂。

而且随着非理想炸药如含铝炸药的发展，近场冲击波的产生与炸药能量输出过程的模拟和研究将会成为重点。

与前两个方向相比较而言，水下爆炸远场冲击波的传播因为水域环境较为简单而不会像空气中爆炸冲击波的传播一样受到重视，而且在工程应用方面，船舶结构动态响应的研究和数值模拟中远场冲击波的模拟可以利用经验公式算出的压力变化曲线来模拟冲击加载（例如David B. Woyak的研究[10]中利用ABAQUS声固耦合模拟船舶结构的动态响应，效果理想），既避免了人工粘性系数的设置抹平远场冲击波压力峰值带来的计算误差，又节省了高密度网格的计算耗费，在工程应用方面上讲更加实用和准确，因此笔者认为远场冲击波的模拟可能不会是热点。

但是远场冲击波的传播仍然有问题需要研究，比如人工粘度系数的设置对压力峰值的影响和提高仿真精度的方法，以及非理想炸药能量输出和气泡脉动对冲击波压力的影响都是可以继续探究的领域。

5.笔者本人的数值模拟实践过程和辅导老师交流了之后我也打算实践一下水下爆炸的数值模拟。

考虑到参考资料的丰富程度，初步定为利用LS-DYNA软件进行模拟，但是由于许可证安装出了问题，LS-DYNA一直不能使用，因此我最后换成了AUTODYN V6做模拟。

AUTODYN相关的中文资料较少，学习AUTODYN也只能看英文手册，所以学习起来比较费劲。

并且我的电脑上的AUTODYN版本好像有点问题。

参考杨秀敏的《爆炸冲击现象数值模拟》[15]、A.R.Pishevar[2]的论文和张广仁[5]的论文之后我尝试使用楔形一维模型模拟，模型如下图：图grange-ALE模型其中TNT使用拉格朗日算法、水用ALE算法。

TNT采用JWL模型，水采用多项式模型，具体参数取值见论文。

但是这样建模软件总是会报错“bad gap space”我在网上根本找不到相关的介绍和问题，按它的提示信息也没法解决，因此一直没有解决这个问题，于是我打算换一个思路，我直接建立一个ALE模型，然后填充TNT材料，如下图：图2.全ALE模型但是起爆之后模拟结果出现了材料反向涌出的问题：图3.全ALE模型反向涌出问题示意图我在各种论坛里也没有寻找到解决方法，因此这种方法也失败了。

因为在查找论文和学习AUTODYN的过程耗费了太多时间，因此没有更多的时间来进行进一步的尝试，就停止了数值模拟的学习，非常遗憾，不过这份报告写完之后我会尝试ABAQUS的仿真技术，一定要学会爆炸模拟，因为这是我们专业的看家本领。

6.此次小学期实践的心得体会这次小学期实践的过程也是一次学习如何做一名研究生的过程，从刚开始的和老师交流课题主要问题，到接下来的论文调研、研究过程与研究方法的规划，到最后的实践尝试解决问题，这个流程让我慢慢理解了以后研究生生活的一小部分，我也因此对研究生生活产生了兴趣。

当然，我也在这个过程中看到了研究过程中的困难，研究不像本科学习或者考试，一切都有标准答案和最后的考试大纲，做研究需要自己判定这个结果是否达到目标。

也需要自己寻找解决问题的方向，甚至有的时候需要自己确定一个最需要解决的问题，因为整个问题可能非常复杂，很多因素耦合在一起，需要从众多问题之中找到主要矛盾。

这次实践最大的感触就是看到了论文调研以及和老师交流的重要性，我曾经有一个星期都纠结在一个状态设置的问题上，一直找不到方向，甚至到最后都开始胡乱看AUTODYN帮助手册，效率异常低下，但是在老师点拨下我一下就明白了问题出在什么地方，并且也能找到相关的解决这种问题的论文。

所以说做研究不能闭门造车，遇到问题了就应该先去查一查有没有前人已经解决的结论或者前人试过的思路，或者和老师去交流交流，可以避免无谓的重复劳动和时间浪费。

参考文献[1] 张奇,张若京.ALE方法在爆炸数值模拟中的应用[J].力学季刊,2005,26(4):639-642.[2] A.R.Pishevar . R.Amirifar. An adaptive ALE method for underwater explosion simulations including cavitation[J].Shock Waves,2010,20:425-439.[3]SIMULIA. Shock Response and Acoustic Radiation Analysis[M].[4]Young S.Shin. Modeling and simulation of underwater chock problems using a coupled Lagrangian-Eulerian analysis approach[J].Shock and Vibration.1997,4(1):1-10.[5]张广仁. 炸药在无限水域中爆炸的数值模拟[J].船舶电子工程,2009.5:111-112,126.[6]刘科种. AUTODYN水下爆炸数值模拟研究[J].Blasting,2009,26(3):18-21.[7]肖秋平,陈网桦,贾宪振,吴涛,饶国宁. 基于AUTODYN的水下爆炸冲击波模拟研究[J].Ship Science and Technology,2009,31(2):38-43.[8]张振华，朱锡，白雪飞. 水下爆炸冲击波的数值模拟研究[J].Explosion and Shock Waves,2004,24(2):182-187.[9]姚熊亮, 陈娟, 张阿漫, 冯观. 基于SPH方法的二维水下爆炸冲击载荷计算.哈尔滨工程大学学报,2010,24(2):182-187.[10]David B. Woyak. Modeling submerged structures loaded by underwater explosions with ABAQUS/Explicit[C].2002 ABAQUS Users’ Conference.[11]蒋国岩，金辉，李兵，贾则，张庆明. 水下爆炸研究现状及发展方向展望[J].科技导报,2009,27(9):87-91.[12]姚熊亮，张阿漫，许维军. 声固耦合方法在舰船水下爆炸中的应用[J].哈尔滨工程大学学报,20005,26(6):707-712.[13]Young.S.Shin. Ship shock modeling and simulation for far-field underwater explosion[J].Computers and structures,2004,82:2211-2219.[14]安丰江,吴成,王宁飞. 水下爆炸能量耗散特性分析研究[J].北京理工大学学报,2011,31(4):379-382.[15]杨秀敏.编著. 《爆炸冲击现象数值模拟》[M].中国科学技术大学出版社.2010:258-275.成绩：指导教师签字：日期：。