水下爆炸空化效应作用下水面舰船的动态响应数值研究-大连理工.docxVIP

水下爆炸空化效应作用下水面舰船的动态响应数值研究

叶帆，宗智

大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室船舶与海洋工程学院,辽宁大连116024

摘要：船舶等水面结构受到水下爆炸作用时，其附近水域会产生空化现象，包括局部空化和片空化。本文以某船为对象，

数值模拟了水下爆炸冲击波产生的空化区域的膨胀扩大、收缩溃灭，结果表明空化效应会对船舶等水面结构的响应造成影响，特

别是片空化区域闭合溃灭处附近水质点会受到较大的二次冲击，从而对结构产生较大二次加载。利用高性能计算机并行计算，比

较了水域网格的疏密对空化效应计算的影响。

关键字：水下爆炸；空化效应；数值模拟；并行计算

SimulationofCavitationEffectsontheResponseofSurface

VesselsSubjectedtoUnderwaterShock

YeFan,ZongZhi

SchoolofNavalArchitectureEngineering,StateKeyLaboratoryofStructuralAnalysisforIndustrialEquipment,Dalian

UniversityofTechnology,Dalian116024,China

Abstract:Cavitation,includinglocalcavitationandbulkcavitation,canoccurinwaterareanearthesurfaceshipssubjectedto

underwatershock.Bychoosingasurfaceshipastheobjectsubjectedtounderwatershock,thedevelopmentandclosureofcavitationis

numericallysimulated.Itisshownthatcavitationhasaverysignificanteffectontheresponseofsurfaceships.Asecondarypressure

waveisproducedinthefluidnearthebulkcavitationclosurepoint,andasignificantreloadingonthestructurewilloccur.Theeffectof

waterelementsizeoncavitationcalculationisinvestigatedbyusingparallelcomputers.

Keywords:underwaterexplosion;cavitation;numericalsimulation;parallelcomputation

1引言

当船舶等水面结构遭受水下爆炸冲击时，除了受到冲击波和气泡脉动载荷外，在冲击波作用初期还会受到空

化效应对结构的影响。空化效应具体可以分为局部空化(localcavitation)和片空化(bulkcavitation)。局部空

化是由于水下爆炸冲击波接触结构物表面后发生反射，入射波和反射波叠加形成负压区，当负压力达到水的空化

压力时在流固耦合面出现的空化现象。片空化则是由于冲击波到达水面后产生反射稀疏波，稀疏波与入射波叠加

后形成负压区，当负压值达到水的空化压力时在水域形成的空化现象。空化区域溃灭时会对结构产生二次加载作

用，特别是当结构附近较大的片空化区域溃灭时，会对结构造成较大的二次加载

【1—2】。

国内外学者既有通过理论方法或实验对水下爆炸产生的空化效应进行研究的

【3—5】，也有运用一些大型商业有

限元程序来模拟空化效应的【6—8】。船舶遭受水下爆炸作用是非常复杂的流固耦合过程，进行精确的理论求解非常

困难。目前以整艘实船为对象，数值模拟空化效应对整船结构影响的还很少。本文运用大型商业有限元程序

ABAQUS，分别用普通单机和高性能计算机比较计算模拟了水下爆炸产生的片空化区域的膨胀扩大、收缩溃灭，并

以某实船为对象，计算了该船受水下爆炸冲击波作用时的动态响应，验证了空化效应会对结构响应产生较大的影

响，且清晰捕捉到了片空化区域溃灭时对结构的二次加载。

2空化效应的模拟及其对结构响应的影响

人们从实验以及实际经验中得出水下爆炸产生的空化区域溃灭时会产生脉冲激励，对结构响应有较大的影

响。A