基于Abaqus的水下爆炸仿真
编者按：
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。本文由我们团队的许工整理，如果你也有水下爆炸模拟方面的问题和建模需求，欢迎联系我们。
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：
炸药的爆轰，
冲击波的形成和传播，
气泡的脉动和上浮，
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
[参考文献]
宗智, 赵延杰, 邹丽. 水下爆炸结构毁伤的数值计算. 北京：科学出版社，2014.6
