水下爆炸對艦船結(jié)構(gòu)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(xué) 船舶工程學(xué)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(jié)構(gòu)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(xué) 船舶工程學(xué)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(lǐng)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(jié)構(gòu)的毀傷機(jī)理與規(guī)律仍未被完全揭示。針對此研究現(xiàn)狀，首先分析了水下爆炸載荷特性，總結(jié)了水下爆炸對艦船結(jié)構(gòu)的毀傷特性；其次，從應(yīng)用研究和科學(xué)研究兩方面，概括了艦船水下爆炸實驗、理論分析以及數(shù)值方法方面的研究進(jìn)展，總結(jié)了在基礎(chǔ)研究方面存在的問題，旨在為艦船抗爆抗沖擊相關(guān)研究提供參考。

水下爆炸；艦船結(jié)構(gòu)；沖擊波；氣泡

1 引言

水下爆炸物理現(xiàn)象十分復(fù)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(fā)滯后流、氣泡坍塌產(chǎn)生脈動壓力及高速射流。

當(dāng)爆炸物在水中爆炸時，在一瞬間產(chǎn)生大量的高溫、高壓爆轟產(chǎn)物，強(qiáng)烈的擠壓周圍的流體介質(zhì)，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(xiàn)象、物理化學(xué)變化、水下爆炸載荷的分布和傳播特點進(jìn)行了詳盡的闡述，并給出了水下爆炸沖擊波的半經(jīng)驗半理論公式。通常，沖擊波的壓力大、時間短，呈現(xiàn)高頻特征，對艦船結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重局部損傷［6－7］。氣泡脈動運動是水下爆炸區(qū)別于空中爆炸的重要方面。爆轟階段結(jié)束以后，在水中產(chǎn)生的高溫、高壓的爆轟產(chǎn)物（主要為氣體）為初始?xì)馀?，在氣泡?nèi)外壓力差以及流體慣性的雙重作用下脈動運動，產(chǎn)生滯后流，并對水中結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生脈動壓力。氣泡滯后流、脈動壓力載荷大、時間長，呈現(xiàn)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(xiàn)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(guān)的內(nèi)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(jié)構(gòu)嚴(yán)重的局部損傷，相當(dāng)于水錘對艦船局部強(qiáng)度的破壞（稱為“氣泡錘”）［22－25］。水下爆炸及其對艦船結(jié)構(gòu)的毀傷特性如圖1所示。

隨著現(xiàn)代兵器技術(shù)的不斷變化和快速發(fā)展，作為海上作戰(zhàn)平臺的艦船面臨著日益嚴(yán)峻的生存環(huán)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(guān)注的問題［26－36］，下面從應(yīng)用研究和科學(xué)研究2個方面闡述水下爆炸對艦船結(jié)構(gòu)的毀傷研究進(jìn)展。

2 應(yīng)用研究進(jìn)展

國內(nèi)外通過開展海上實船爆炸實驗，積累大量數(shù)據(jù)、資料，通過嚴(yán)格的量綱分析，并結(jié)合有效的數(shù)值手段，得出艦船在作戰(zhàn)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(jié)構(gòu)動力學(xué)、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(jié)構(gòu)、材料以及載荷均完全滿足相似準(zhǔn)則。由于水下爆炸模型實驗屬于瞬態(tài)強(qiáng)非線性動力學(xué)相似問題，至今人們尚未找到相似規(guī)律，將模型實驗的結(jié)果推廣到實船［45－47］，因此，模型實驗很難準(zhǔn)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(jié)約成本，然而由于局部板架與實際船體結(jié)構(gòu)在邊界條件上存在很大差異，通過已有的數(shù)值計算結(jié)論和理論分析可知，局部板架在爆炸載荷下的響應(yīng)與實船板架的響應(yīng)差別較大。因此，局部板架實驗結(jié)果難以評估與考核實船結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(qiáng)國為了確保海軍裝備安全，自20世紀(jì)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(huán)節(jié)，以求改進(jìn)，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(shù)據(jù)，建立了實船實驗數(shù)據(jù)庫，并制定了艦船抗爆抗沖擊設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)［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(jì)60年代，但直到80年代后期才開始得到相關(guān)部門的重視［6，8］。 迄今為止，國內(nèi)僅開展了幾次大規(guī)模的海上實船爆炸實驗，所取得的數(shù)據(jù)極其有限。盡管國內(nèi)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(jìn)行列，但就其整體水平而言，與發(fā)達(dá)國家相比還存在較大的差距。首先，實驗設(shè)施比較落后，像大中型的爆炸水池等實驗設(shè)施在全國是屈指可數(shù)，無論是規(guī)模還是測試能力都比國外先進(jìn)國家落后很多。其次，基礎(chǔ)研究方面不夠深入，有一定的重復(fù)研究現(xiàn)象。在數(shù)值仿真方面，自主開發(fā)的模擬水下爆炸的軟件甚少，主要依賴進(jìn)口商用軟件，而現(xiàn)有通用軟件中有關(guān)艦船抗爆抗沖擊數(shù)值仿真分析的核心模塊禁止向我國出口，導(dǎo)致現(xiàn)有軟件并不能解決艦船抗爆抗沖擊基礎(chǔ)性和機(jī)理性問題，而這些機(jī)理性問題恰恰直接關(guān)系到海軍重點型號的研制與設(shè)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(nèi)外關(guān)于水下爆炸應(yīng)用的研究現(xiàn)狀總結(jié)如圖2所示。

3 科學(xué)研究進(jìn)展

從艦船水下爆炸應(yīng)用研究進(jìn)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(shè)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(yuǎn)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(jié)水下爆炸對艦船結(jié)構(gòu)的毀傷規(guī)律并揭示其本質(zhì)［53－54］。而且如近水面爆炸產(chǎn)生的水冢、近海底爆炸沖擊波反射以及氣泡的不穩(wěn)定現(xiàn)象等均難以采用現(xiàn)在的工程實驗技術(shù)精確測量，需通過機(jī)理性實驗、理論分析與數(shù)值方法進(jìn)行探索［55－58］。

根據(jù)水下爆炸的物理現(xiàn)象及其對水中結(jié)構(gòu)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(yuǎn)場爆炸）［59］。對于遠(yuǎn)場非接觸爆炸，主要是沖擊波與結(jié)構(gòu)在彈性范圍內(nèi)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(jìn)行分析的有效性已達(dá)成共識，而且實踐證明這些方法均有較好的精度。遠(yuǎn)場爆炸時，氣泡對艦船的毀傷效應(yīng)可以忽略，氣泡的運動形態(tài)不受艦船的影響。

對于中近場爆炸，沖擊波與船體結(jié)構(gòu)相互作用產(chǎn)生片空化現(xiàn)象，出現(xiàn)氣、液、固耦合效應(yīng)［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(yīng)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(xiàn)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(guān)，而且與作戰(zhàn)環(huán)境（如裝藥距水面和海底的距離、海底特征等）以及目標(biāo)特性（艦船本身的結(jié)構(gòu)特性）有關(guān)。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(jié)構(gòu)的毀傷效能仍未被有效利用。

隨著精確制導(dǎo)武器的快速發(fā)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(dá) GPa，接觸面出現(xiàn)流動、破碎［67－70］，與中遠(yuǎn)場爆炸在機(jī)理上存在著很大的差別，前者屬于爆炸動力學(xué)范疇，后者屬結(jié)構(gòu)動力學(xué)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(xiàn)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(xiàn)撕裂、不穩(wěn)定、融合等特殊物理現(xiàn)象［62］。目前，研究人員大多采用絕熱假設(shè)、流體有限元（FEM）［25］、邊界元理論（BEM）［71－74］以及相應(yīng)的求解方法。目前，水下爆炸及其對艦船結(jié)構(gòu)的毀傷科學(xué)研究進(jìn)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(fā)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(yán)重影響。且近水面爆炸會出現(xiàn)水冢現(xiàn)象，氣泡與水?，F(xiàn)象發(fā)生強(qiáng)烈的耦合作用，這類現(xiàn)象的發(fā)生與自由液面的劇烈變化密切相關(guān)，屬強(qiáng)非線性、多處不連續(xù)邊界問題［12］。發(fā)生近海底爆炸時，沖擊波出現(xiàn)反射，氣泡出現(xiàn)不穩(wěn)定、撕裂、融合等物理現(xiàn)象，導(dǎo)致流體載荷呈間斷、突變特性［63］，這些特殊物理現(xiàn)象需進(jìn)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(qiáng)非線性動力學(xué)特性，普通的有網(wǎng)格數(shù)值方法（BEM，F(xiàn)EM）在模擬該類問題時存在較大的局限性［25，72］。 無網(wǎng)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(xù)問題具有很大的優(yōu)勢。

4.2 水下接觸爆炸對艦船結(jié)構(gòu)的毀傷特性

而對于接觸爆炸而言，產(chǎn)生的瞬態(tài)、強(qiáng)沖擊載荷可達(dá)到 GPa［67－70］，在這種載荷條件下，引起艦船結(jié)構(gòu)的毀傷不同于中遠(yuǎn)場爆炸，材料能夠承受的剪應(yīng)力與它受到的外載荷相比已經(jīng)很小，因而其剪應(yīng)力（或強(qiáng)度）可以忽略不計，不計剪應(yīng)力意味著材料可以當(dāng)作流體處理。因此，直接遭受接觸爆炸載荷作用的船體結(jié)構(gòu)可以視為“固體”流體［78］，此時基于結(jié)構(gòu)動力學(xué)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(tài)、強(qiáng)非線性問題。

4.3 水下中近場爆炸瞬態(tài)強(qiáng)非線性流固耦合方法

當(dāng)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(jié)構(gòu)相互作用，產(chǎn)生反向加載拉伸波，出現(xiàn)局部或片空化效應(yīng)［64－66］，在物面存在氣、液混合薄層，破壞了原有物面力平衡、質(zhì)點運動連續(xù)條件。此外，水下爆炸還可能產(chǎn)生水面截斷效應(yīng)，海底反射效應(yīng)等。這些非線性效應(yīng)均對水下爆炸載荷及流固耦合效應(yīng)造成嚴(yán)重影響。因此，為研究水下爆炸對艦船結(jié)構(gòu)的毀傷，在考慮強(qiáng)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(xiàn)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(tài)特性時，在絕熱假設(shè)條件下，通過流體有限元或邊界元求解氣泡的動態(tài)特性。若氣泡尺度較小，且氣泡內(nèi)部溫度與周圍介質(zhì)相當(dāng)?shù)那闆r下，基于絕熱假設(shè)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(nèi)部初始溫度達(dá)3 000～5 000 K［1］，在氣泡運動過程中與周圍環(huán)境存在大量的熱交換，這時仍采用絕熱假設(shè)描述氣泡的運動，獲得的結(jié)果與真實的水下爆炸氣泡運動有較大的區(qū)別。因此，為真實地模擬水下爆炸氣泡的動態(tài)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(jié)構(gòu)的毀傷規(guī)律

國內(nèi)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(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的局部毀傷，依靠沖擊波摧毀艦船結(jié)構(gòu)，使艦船完全喪失生命力，需多發(fā)武器命中艦船。但在一些特殊的實驗狀態(tài)，艦船結(jié)構(gòu)在1次水下爆炸作用下喪失總縱強(qiáng)度，從中橫剖面處折斷。根據(jù)這些特殊的現(xiàn)象，研究人員指出，導(dǎo)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(fā)現(xiàn)了這些現(xiàn)象，并沒有系統(tǒng)地研究。事實上，由于沖擊波持續(xù)時間短，即使壓力峰值量級高，也只是對艦船產(chǎn)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(dǎo)艦船產(chǎn)生鞭狀運動，嚴(yán)重時甚至直接將艦船折斷，摧毀其總縱強(qiáng)度［19－21］。 另外，在特定的條件下，中近場的水下爆炸產(chǎn)生的高速射流也會對艦船產(chǎn)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(jié)構(gòu)總縱強(qiáng)度造成一次性毀傷或嚴(yán)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(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的毀傷。因此，只有當(dāng)氣泡毀傷效應(yīng)可控時，才能發(fā)揮其巨大的毀傷效應(yīng)。其本質(zhì)原因在于氣泡運動不是孤立的［71－74］，氣泡運動對船體結(jié)構(gòu)的毀傷與船體固有特性、海底、自由液面等環(huán)境參數(shù)密切相關(guān)。因此，深入研究氣泡載荷作用下的艦船結(jié)構(gòu)毀傷機(jī)理以及各環(huán)境參數(shù)對毀傷效果的影響有著重要的現(xiàn)實意義。

5 總結(jié)

水下爆炸沖擊波、氣泡及其對艦船結(jié)構(gòu)的毀傷特性是目前國際上研究的前沿和熱點。縱觀國內(nèi)外，在艦船中遠(yuǎn)場水下爆炸、沖擊波的傳播特性、氣泡的運動形態(tài)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(wěn)定性等方面尚需進(jìn)一步深入研究。通過分析國內(nèi)外研究進(jìn)展，將水下爆炸對艦船結(jié)構(gòu)損傷特征總結(jié)如下：

1）近邊界爆炸呈現(xiàn)自由液面飛濺、物面撕裂等強(qiáng)非線性特征，氣泡出現(xiàn)不穩(wěn)定、破碎、融合等特殊物理現(xiàn)象，導(dǎo)致流體載荷呈間斷、突變特性。

2）接觸爆炸產(chǎn)生的瞬態(tài)強(qiáng)沖擊載荷可達(dá)到GPa，在這種載荷條件下，固體材料承受剪應(yīng)力的能力可以忽略，這時結(jié)構(gòu)可以視為“固體”流體。

3）入射沖擊波與結(jié)構(gòu)相互作用，產(chǎn)生反向加載拉伸波，出現(xiàn)局部或片空化現(xiàn)象，在物面存在氣、液混合薄層，破壞了原有物面力平衡、質(zhì)點運動連續(xù)條件。

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

5）水下爆炸氣泡運動不是孤立的，氣泡運動對船體結(jié)構(gòu)的毀傷與船體固有特性、海底、自由液面等環(huán)境參數(shù)密切相關(guān)。

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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(xué)基金項目（10976008，50809018，51009035，50939002）；國庫基本科研業(yè)務(wù)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(xué)。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(xué)。E-mail：shipingwang316@gmail.com