AUTODYN针对水雷战斗部的解决方案

一、前言
      水雷是布设在水中的一种爆炸性武器,它可由于舰船碰撞或进入其作用范围而起爆,用于毁伤敌方舰船或阻碍其活动。水雷具有隐蔽性好、布设简便、造价低廉等特点,按水中的状态区分,有触发水雷,非触发水雷和控制水雷。

AUTODYN针对水雷战斗部的解决方案的图1

                 图1 水雷战斗部类型
      从物理过程分析,水雷战斗部的触发过程是一个典型的水下爆炸问题,该问题从时间顺序来看可分为以下几个子过程:
1,装药的爆轰过程
2,冲击波的产生和传播
3,冲击波与结构的相互作用(流固耦合)
4,气泡的二次脉动
      水雷战斗部的战斗效能的发挥主要体现在冲击波对结构的冲击以及气泡的二次脉动造成水下结构附近流场发生压力梯度变化。


二、水下爆炸及CAE仿真必要性
      水下爆炸问题在传统上积累了一些经验性的计算公式、水下爆炸的试验研究方法及其破坏作用过程等。但是这些通过试验数据分析获得的半经验半理论公式难以完整揭示水下爆炸现象的本质,都有其适用的条件局限。
      通过试验手段可以获得一定实际工况条件下的结果,但是测试技术的限制又使我们难以了解这些数据的整个时间历史变化过程,无法了解水下爆炸的详细过程,而且试验的耗费很大。
      随着计算方法和硬件技术的进步,通过数值计算方法研究爆炸现象已经成为可能并在实际应用中成为一种重要的研究手段,目前在计算爆炸力学方面通过成熟的分析软件对水下爆炸过程进行仿真可以获得与实际情况相符的结果。
      因此,在水雷战斗部的设计和研发过程中,必须充分利用CAE仿真技术来进行多方案仿真分析,从而优化战斗部设计,在降低成本的同时可以显著缩短研发周期。

三、ANSYS/AUTODYN对水雷战斗部仿真分析的解决方案
      ANSYS/AUTODYN是一个高度非线性动力学程序,主要用于解决爆轰的发生、冲击波的传播以及对结构的冲击问题,还可以描述结构间的冲击碰撞问题。在国际军工行业占据80%以上的市场。
      ANSYS/AUTODYN针对水雷战斗部的水下爆炸问题主要有以下优势:
      1、军工材料数据库
      ANSYS/AUTODYN里面含有多种高爆炸药以及军工行业常用的金属、非金属材料数据,用户可以根据实际情况选择合适的材料,从而给用户提供了极大的方便。
   在水雷设计中,用户可以在ANSYS/AUTODYN材料库中选取合适的炸药及结构材料数据,并可以根据实际情况对某些参数进行修改。
      2、爆轰过程
      程序可以模拟多种引爆方式,如冲击起爆,多点引爆,延迟引爆等,提供了多种状态方程来描述不同炸药的爆轰过程,如JWL,Lee-Tarver以及Slow-burn等。设计人员可以根据水雷设计的触发方式选取适合的状态方程来模拟不同的爆轰过程。
      3、爆轰波传播及气泡二次脉动问题
      ANSYS/AUTODYN提供了多种Euler算法,不仅提供了常用的一阶Euler算法,还提供了两种二阶精度Euler算法:Euler-FCT和Euler-Godunov。
      这些高精度Euler算法可以精确的模拟水雷引爆后爆轰波的发生和传播过程,并且可以适用于多物质(如水、炸药、空气等介质)环境,模拟冲击波在不同介质中的传播。
      ANSYS/AUTODYN可以在水下爆炸分析中考虑重力加速度的影响,从而可以利用上述高精度欧拉算法模拟爆炸气泡的二次脉动现象。见下文应用案例。

      4、流固耦合问题
      ANSYS/AUTODYN提供了流固耦合功能(FSI),用于描述流体和结构相互作用。水雷引爆后产生强大的冲击波会对水下结构,如潜艇、舰艇等的龙骨产生冲击作用,造成结构的变形甚至破坏,结构的变形也会对冲击波的传播产生影响,形成一个互相作用的过程。
      ANSYS/AUTODYN里面可以方便的定义流体介质和结构的耦合关系,通过高精度的Euler算法可以精确描述水雷爆炸冲击波对结构的冲击和破坏。见下文应用案例。
      5、爆距较大问题
      某些水下爆炸问题中,爆心距离结构距离较远,这样在数值分析时会产生模型规模问题,造成求解时间增加很大。

ANSYS/AUTODYN对于这样的问题提供如下解决方法:
1)映射技术
      里面独有的结果/求解器映射技术在求解大规模问题时具备很强的优势,其思想如下:
      首先建立较小的分析模型(如1D模型模拟爆轰球面波产生),可以将网格充分加密,获得精确的爆轰波初始载荷条件,然后逐渐增大流场区域,并同时将前面的爆轰波通过映射技术(1D-2D-3D)将应力波传递到新的模型中,利用边计算边扩充分析区域的方法保证对超大规模问题求解的效率和精度。
2)并行技术
      ANSYS/AUTODYN提供完善的并行算法:SMP和MPP。采用并行算法,可以极大的提高对大规模问题的求解效率,经实例测试表明,ANSYS/AUTODYN的并行效率较高,对某些问题接近线性。
   通过上述分析可知,ANSYS/AUTODYN进行水雷战斗部仿真分析具备完善的功能,可以反应水下爆炸过程中各种相关物理过程及其变化过程。

四、ANSYS/AUTODYN对水雷战斗部仿真分析的应用案例

1、水下爆炸对潜艇外壳的冲击破坏仿真分析
      下图是模拟浅水环境水雷爆炸过程中冲击波对潜艇外壳的冲击和破坏过程,计算条件:装药距艇身90mm,潜艇距水面202mm。
      计算结果表明,潜艇外壳发生了明显的变形。

AUTODYN针对水雷战斗部的解决方案的图2

      图2 水下爆炸对潜艇外壳的冲击

2、水下爆炸过程气泡的产生和演变过程
下面几个图例显示了水下爆炸过程中气泡的产生和演变规律,利用ANSYS/AUTODYN的高精度欧拉算法,考虑重力因素,可以完整地描述水下爆炸过程气泡从产生、脉动、破裂、分离和上升全过程。
      图3-a显示的重力作用下流场的压力分布。
 

AUTODYN针对水雷战斗部的解决方案的图3
AUTODYN针对水雷战斗部的解决方案的图4

图3 水下爆炸过程气泡的产生和演变过程

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