基于Abaqus的水下爆炸仿真研究

水下爆炸问题非常适合用数值仿真手段来进行研究,Abaqus提供了专门的水下爆炸计算方法。


水下爆炸问题介绍


水下爆炸指的是在水中很小的区域有大量的能量(爆炸源)突然释放的过程,从而对周围的物体产生巨大的毁伤。水下爆炸大致可以分为四个主要过程:
   

  1. 炸药的爆轰,
  2. 冲击波的形成和传播,
  3. 气泡的脉动和上浮,
  4. 以及冲击波在与自由水面和结构的相互作用下产生的空化,由此对结构造成的二次加载。

简而言之,水下爆炸主要是通过直接接触的爆轰,以及后续产生的三种主要非

接触的爆炸载荷冲击波、气泡和空化对周围物体造成的毁伤。
   

水下爆炸往往会引起非常严重的后果,因此,对比试验,数值仿真是非常安全高效的研究方法。

Abaqus中提供了两种计算水下爆炸问题的方法:“散波”法和“总波”法。“总波”法爆炸点须位于水域模型的外部,且它可以考虑到空化效应的影响,所以总波法比较适合模拟中远场爆炸。在近场爆炸中,由于爆炸时间短,气泡脉动和空化产生的加载可以忽略,主要是考察冲击波造成的结构毁伤效应,所以可以采用“散波”法进行模拟。



有限元模型建立

本文使用SolidWorks创建一艘简易的交通艇3D模型,并且创建半径近似船半宽6倍的水域模型,以此模型分别采用“散波”法和“总波”法模拟炸药在不同爆距下,交通艇毁伤情况。前处理采用HyperWorks对模型进行网格划分,后续再导入Abaqus进行设置和计算。船体的主要材料部分参数和炸药的部分参数如下:图1. 交通艇3D模型图


图2. 网格模型图


表1. 船、水域和炸药参数信息


图3. 爆炸点位置



在近场爆炸中,从5米到30米,每隔一段距离设置一个爆炸点,采用“散波”法模拟,得出不同爆距下的船体毁伤情况,以下列出3种典型的毁伤模式。



近场爆炸仿真结果

从数值仿真结果可以看到,在爆距5米的工况下,冲击波的波前到达船底的时候,船底外板迅速拱起,发生极为明显的塑性变形,此变形为塌底变形,是一种局部的大变形,由于变形非常剧烈,极易引起船体结构上的撕裂和破洞,如图4所示。

图4. 爆距5米下,塌底变形毁伤模式


在爆距为15米的情况下,随着爆距的增大,船体外板变形减小,但依然有微微拱起和外板明显的内凹现象,如图5可见,船体内部横舱壁和纵舱壁的轮廓都清晰可见印在船体外板上,形成类似船舶焊接过程中出现的“瘦马现象”变形

图5. 爆距15米下,瘦马变形毁伤模式


在爆距为30米的工况下,距离已经较远了,船体由于冲击波的作用下,出现了内凹现象的毁伤模式,产生了部分船体的塑性变形,如图6所示。


图6 爆距30米下,内凹变形毁伤模式





考虑空化效应的仿真结果

随着爆距的不断增大,空化效应对结构毁伤的影响不再是不可忽略,对此,采用“总波”法模拟在爆距40米的工况下,模拟出船体毁伤情况。从图7所示可见,船体结构产生了一定程度的塑性变形,此变形与内凹变形非常相似。从图8所示可见,在爆炸的瞬间,冲击波瞬间达到船体,从而对船体产生毁伤。


图7.爆距40米下,船体毁伤模式


图8 冲击波动画(截面)


图9 通过等值面显示的冲击波动画



在仿真中定义空化压力为零,即当绝对压力为零时,此区域为空化区域,如图10所示可见,在船体周围会产生空化效应,然后随着时间的增加,空化开始溃灭,空化溃灭时,会对结构产生二次加载,且此压力可以达到和冲击波相同量级。


图10 爆距40米时,产生的空化效应



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