为了研究近海底水下爆炸气-液-固多相耦合作用下的气泡脉动及水射流特性,采用欧拉方法建立不同底质/水深条件下近海底水下爆炸数值模型,对泥底条件下的近海底爆炸全物理过程进行了仿真,并与实验结果进行了对比,结果吻合良好,验证了算法在求解近海底水下爆炸气泡问题的有效性; 在此基础上,探讨了海底底质及水深对近海底水下爆炸气泡形态、半径、周期及水射流的影响。结果表明,在气泡能够分裂的计算结果当中,海底底质越硬,气泡分裂越快,水深越深,气泡分裂越慢; 气泡形态也受底质和水深影响,海底底质越硬,水深越深,气泡在收缩阶段形态将由圆棋子状转变为尖棋子状,气泡最大半径和周期越小,分裂瞬间上方气泡在总气泡体积中占比越大,因分裂产生的两股水射流速度峰值越小; 下方水射流演化过程中会形成反向水射流,底质越硬,反向水射流速度峰值越大,在所有计算工况中,深度参数(H_ref)在250～750范围内,反向水射流速度峰值与H_ref正相关,H_ref在750～1000范围内,两者负相关。

为了提高水中兵器爆炸毁伤能力评估的准确性,解决现有技术方法无法准确反映近场爆炸能量的问题,开展基于聚偏氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride, PVDF)的爆炸能量近场测试技术研究; 利用PVDF薄膜优异的压电性能设计近场压力传感器,并开展水下爆炸试验验证了冲击波压力采集系统的可行性。结果表明,所设计的传感器具有优良的绝缘防护和隔热效果,实现了亚吉帕级压力测量,适用于装药水下爆炸能量的近场测量; 压力测量系统能在3.4倍装药半径位置处采集到峰值达500MPa的完整压力时程曲线,测量结果与Josef Henrych经验公式计算结果的最大偏差为7.3%,最小偏差为0.3%; 基于试验测量的近场压力时程曲线,得到TNT炸药在3.4倍装药半径处的平均比冲击波能为0.991MJ/kg,验证了设计的PVDF压电薄膜传感器适用于精确测量装药的近场水下爆炸能量。研究成果可为装药水下爆炸能量精确测量提供重要方法。

为研究不同尺度非理想炸药水中爆炸载荷的相似性,采用LS-DYNA软件的S-ALE算法,构建了基于JWL-Miller状态方程描述的非理想炸药水中爆炸载荷数值计算模型; 利用典型试验数据对计算模型参数进行了标定,匹配设置了典型RDX基非理想炸药的JWL-Miller状态方程参数; 通过不同尺度炸药在不同水域环境条件下的爆炸过程模拟,分析了爆炸载荷特征参数的相似性。结果表明,影响非理想炸药水中爆炸冲击波压力峰值相似律的主要因素是其自身的非理想特性; 水域环境因素(如自由面及静水压力梯度等)会对气泡脉动周期与半径的相似律产生较大影响。对于15%允许误差范围的工程仿真而言,0.53～5.30m/kg^1/3比例距离(约10～100倍炸药半径)范围内,非理想炸药自由场水中爆炸载荷参数相似律可近似满足,与理想炸药的相似律特征基本一致,工程可用。基于JWL-Miller状态方程统一参数描述的非理想炸药默认其后燃反应是稳定且完全的。在实际中,由于水下非理想炸药受到复杂的化学反应动力学的控制,几何尺寸效应仍有可能导致非理想成分释能过程的较大差异,因此,精细化数值仿真需要针对不同比例距离或不同尺度模型来匹配不同的Miller模型参数,爆炸载荷相似律也可能在更有限的尺度范围内成立。

针对水下爆炸强冲击载荷作用下结构塑性永久变形问题,建立流固耦合数值计算模型,采用二阶双重渐近法(DAA2)对流固耦合模型解耦,流体和结构数值模型利用分部法交错计算。流体部分对结构湿表面建立边界元模型,通过Newmark时间积分法求解二阶DAA方程; 结构部分基于考虑弹塑性效应的任意参考构型理论建立了有限元运动方程,采用前增量位移时间积分法进行显式求解,避免流固耦合数据交互过程中的迭代修正以简化求解流程。对水下爆炸结构动响应问题进行数值模拟,并与理论及试验结果进行对比。结果表明,在水下爆炸产生的强冲击载荷作用下结构会发生永久塑性变形,本研究方法计算得到的位移、速度、应力等结构响应量与相关参考结果相吻合。表明发展的水下爆炸流固耦合求解方法可准确模拟强冲击载荷作用下的结构弹塑性动响应,拓展了DAA2方法的应用范围。

为了精确计算某RDX基含铝炸药近场水下爆炸对舰船结构的毁伤特性,提出了一种基于水下爆炸试验和OPTIMUS的炸药JWL-Miller状态方程参数标定优化方法,建立了该型炸药水下爆炸载荷计算模型及对舰船结构毁伤的有限元模型。通过任意拉格朗日-欧拉方法(ALE)和引入JWL-Miller模型数值模拟研究不同爆距、不同攻角工况对舰船结构的毁伤特性,分析冲击波载荷和气泡载荷传播过程,计算得到爆距、攻角对局部结构毁伤影响规律,给出了断裂部位破口尺寸和外板最大凹陷距离。结果表明,运用优化得到的炸药状态方程仿真计算的冲击波压力峰值、冲击波能量结果与试验结果吻合较好; 船体结构随着气泡的膨胀和收缩会呈现先中拱弯曲、后中垂弯曲的运动变形过程,随着近距爆距的改变,结构的破坏模式逐渐从冲塞形破口、四周花瓣开裂向长条形撕裂状破口再向外板向内凹陷改变; 随着近距攻角的增加,舰船舷侧外板边界处剪应力在冲击波和气泡脉动载荷作用下达到应力衡准,破口面积进一步增加,气泡的溃灭速度随药包与结构之间攻角的增大而加快。

针对水下爆炸过程中产生的空化效应会对舰船板结构产生二次加载作用,对结构的毁伤不可忽略,并且空化特性与爆炸的方位角和板的曲率等情况显著相关。采用实验与数值模拟相结合的方法,研究了不同爆炸方位角和不同板曲率对空化特性以及板的动态响应的影响; 通过对比不同爆距下的气泡和空化演化过程,验证了数值方法的准确性。结果表明,爆炸方位角在0°～90°之间时,空化区域的体积随方位角的增大先减小后增大,气泡和射流的方向受板的影响向板偏移; 气泡脉动水射流和空化的耦合作用对板的动态响应占主导作用,方位角等于60°时可达总应变的73.15%; 爆炸方位角会影响板的动态响应,临界方位角在45°附近,此时板的位移和等效塑性应变最大; 板的曲率会显著影响空化现象,曲率越大空化现象越难发生,空化区域体积越小,板的动态响应随曲率的增大而减小,且减小率也随之减小。

为了研究复合材料层合结构的水下抗冲击特性,基于水下爆炸冲击波等效加载装置,结合三维数字图像相关方法,开展了碳纤维增强复合材料层合板动态响应以及失效特征的试验研究; 讨论了水下冲击波载荷下复合材料层合板计及流固耦合效应的动态响应过程; 分析了水下冲击波载荷水压峰值、衰减时间以及板厚度变化对复合材料层合板失效特征产生的影响。结果表明,水下冲击波载荷作用下层合板的动态响应过程因涉及板的面内弯剪波传播与流体空化二次加载的相互作用,响应阶段可划分为面内波传播、边界控制响应、二次加载3个阶段; 当层合板发生破坏,层合板边界处纤维剪切破坏及靠近边界范围的纤维拉伸破坏均出现在响应第一阶段,响应第二阶段中破坏现象不明显,响应第三阶段则受板厚和载荷的影响可能在板中心因弯折出现纤维断裂; 当层合板受较小冲量水下冲击波加载时,外表面不会出现明显失效,但响应过程中结构内部的纤维及基体破坏引起了气背面的残余变形,也降低了结构剩余强度影响承载能力。

为降低水下全淹没发射过程中射弹的附加质量,提高射弹初速,基于水下气幕式发射原理,提出了一种气幕的新型形成方式,即通过在发射管内壁开设沟槽,引导射弹后的火药燃气在发射管内汇聚形成气幕; 建立了气幕式发射流体动力学模型,对该气幕形成方式下的发射过程进行了数值模拟,分析了装填参数对发射内弹道性能的影响。结果表明,与全淹没式发射相比,气幕式发射可将最大膛压降低89.4%,射弹初速提高53.3%; 推进用包覆火药的包覆层燃速指数从0.75增大到0.78时,气幕排水时间缩短,弹丸启动时管内燃气体积分数大幅降低,弹丸初速降低,但内弹道全过程大幅缩短,发射频率提高; 包覆层厚度的微小变化对内弹道性能影响较小。

基于水下爆炸理论,采用耦合欧拉-拉格朗日(CEL)方法,建立了CL-20基含铝炸药水下爆炸模型,分析了冲击波载荷和气泡动力学特性; 在此基础上探究了双发CL-20基含铝装药水下爆炸冲击波时空分布规律及气泡融合特性,讨论了不完整刚性边界附近双发CL-20基含铝装药水下爆炸气泡动力学特性,得到了装药种类、破口尺寸和爆距3种关键因素对双发装药水下爆炸气泡载荷特性的影响。结果表明,与TNT装药相比,CL-20基含铝装药水下爆炸气泡半径和脉动周期更大,气泡最大半径增大了27%,脉动周期提高了65%,但气泡脉动压力小于TNT。双发CL-20基含铝装药在水平和垂直位置具有特征尖锐波峰-波谷载荷曲线和特征双峰曲线,冲击波峰值压力大于单发装药,最大增长率可达48.26%。不完整刚性边界破口尺寸、爆距增大会增加双发装药气泡射流宽度和持续时间,CL-20会加剧不完整边界对气泡动力学的影响。

为了探索水中爆炸初始冲击波近场的传播特性和衰减差异,扩展水箱法测爆压试验的研究范围,采用高速摄影狭缝扫描测试方法,对3种典型的柱状炸药(TNT、JH-14、JO-9159)水中爆炸过程进行了测试研究,测量获得了一维正平面水中初始冲击波传播的时间历程演化曲线; 由此拟合计算出柱状炸药的水中初始冲击波传播速度随时间的变化曲线,进一步由水的冲击雨果尼奥方程和冲击波动量方程、界面上压力和质点速度连续的条件及声学近似理论,计算得到了水中爆炸初始冲击波阵面压力的衰减曲线和炸药试样的爆压、多方指数等爆轰参数。结果表明,水中爆炸初始冲击波阵面压力近似以指数形式衰减,初始阶段衰减极快; 当炸药爆压为20～37GPa时,水中冲击波初始速度处于5.66～6.81km/s的范围,波阵面初始压力与炸药的爆压近似成线性关系; 虽然JO-9159的爆速和爆压均高于JH-14和TNT,但其水中初始冲击波传播仅在7μs后,其冲击波速度与波阵面压力下降至最低,说明以HMX为基的理想炸药水中爆炸初始冲击波速度和波阵面压力的衰减率要高于以RDX为基的理想炸药和TNT,高爆速、高爆压类理想炸药在水中初始冲击波性能方面优势不显著。