模型分享011——水下爆炸冲击仿真

        二战时期各国对制海权的争夺达到了白热化阶段,鱼雷和深水炸弹的使用,更是将海战推向了二战的高潮。和平年代水下及船体发生爆炸的情况并不多见,然而海上一旦发生爆炸,将对附近的船体和深潜设备产生永久的破坏和损伤,严重时甚至可以将船体直接摧毁。

R-C.gif

        当炸药在地面发生爆炸时,爆炸产生的能量主要以两种形式进行传播,一种是爆炸产生的能量直接传入地面介 质中并形成直接的冲击,这方面属于是地下工程领域所要考虑的主要荷载;另外一种是以空气冲击波的形式在空气中传播,并且会在地表区域的介质中产生冲击波。对于水下炸弹的引爆,其过程大体可分为炸药爆轰、冲击波的形成和传播、气球的振荡和上浮等三个阶段。

        如图所示,建立了水下爆炸的几何模型,模型整体采用CEL方法建立欧拉区域,共分为空气、水体和炸药三部分,空气和水体的材料属性中分别对密度、Eos状态方程和粘度进行定义,密度和粘度参数大家可以直接在网上检索到,在此就不进行介绍了。以下参数仅供参考,状态方程中空气波速和水体波速c0分别设置为340和1483(单位制:m,下同)。对于炸药的参数,以TNT炸药的参数进行简单设置,材料需要定义JWL类型的EOS状态方程,TNT的密度为1583,爆炸波速为6930,A为438440000000,B为4445000000,omega为0.35,R1为4.15,R2为0.9,爆炸点根据实际的位置进行设置。材料属性设置好之后,创建截面属性时,需要将欧拉截面同时分配空气、水和炸药三种材料。

几何模型.bmp

        将模型倒入装配后,在Step模块中对分析类型进行设置,进行Explicit显示动力学(CEL分析只能用显示动力学)分析,分析时间为50s。在场输出中设置画面为100帧的动画,场输出变量与历史输出变量默认,此外场输出变量的默认输出项中就包括关于欧拉体的一些选项。

        在接触模块中,如果模型中还需要分析爆炸冲击波对舰船、船坞以及其他结构体造成的损伤,还需要设置通用接触,通用接触(CEL分析只能用通用接触)中摩擦属性分别为法向硬接触(Hard Contact)和切向的罚摩擦。

        在载荷模块中,首先设置的是模型整体的重力场,然后是对欧拉体的四个侧面进行单方向的位移约束,以及底面的完全约束,防止模型中的水体流出边界。最后是对整个欧拉体的材料属性进行分配,此步骤是完成仿真的关键。通过预定义场中的材料分配功能,如下图中所示,分别对欧拉体的材料进行分配,图中左侧的1表示欧拉体所赋予的材料属性。

载荷设置.bmp

        建模过程中,最后是对欧拉体的网格进行划分,网格尺寸根据需要进行设置,如果计算机性能较好可以适当的增加网格数量。

        最后对仿真模型进行计算,如下图所示为计算后的仿真结果,通过模型的后处理功能,可以得到不同角度、不同视图和不同物理场的仿真可视化结果。

模型分享011——水下爆炸冲击仿真的图4

水下爆炸点、爆炸气泡、空气域和水域图

炸药隐藏(主视图).gif

爆炸气泡、蘑菇云和空气场应力图(主视图)

炸药隐藏(斜视图).gif

爆炸气泡、蘑菇云和空气场应力图(斜视图)

空气隐藏(主视图).gif

水面应力波、波浪和水域应力图(主视图)

空气隐藏(斜视图.gif

水面应力波、波浪和水域应力图(斜视图)

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        仿真软件ABAQUS 6.14-1

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