摘要 本文运用数值计算与水下爆炸试验相结合的方法研究了水下爆炸冲击波作用下小型多舱圆柱壳的弹性响应。文章应用国际通用软件ABAQUS的声固耦合算法分析了小型多舱圆柱壳在水下爆炸冲击波作用下的弹性变形，并进行了水池试验验证。

　　Abstract This paper studies the plasticity response of the cylindrical shell subjected to underwater explosion with the test and numeric calculate method. It analyzes the elasticity response of the cylindrical shell subjected to underwater explosion with the sound-solid coupling arithmetic, and validated the result in the test.

　　关键词 水下爆炸 圆柱壳 弹性响应

　　Key Words Underwater explosion, cylindrical shell, Elasticity response 0 引言[2-4]研究小型圆柱壳在水下爆炸冲击波作用下的弹塑性响应对于无人深潜器的抗爆设计具有重要意义。由于该问题包含强非线性的结构大变形及流固耦合作用，纯粹的理论分析十分复杂，难以得到解析解，因此主要采用试验方法进行研究。

由于水下爆炸试验存在成本高、测试难度大且所得数据有限，所以基于通用有限元程序的水下爆炸数值计算越来越普遍。本文在ABAQUS软件环境下，应用声固耦合算法研究了水下爆炸冲击波作用下小型多舱圆柱壳的弹性响应，并通过水下爆炸试验进行了试验验证，效果良好。 1 水下爆炸冲击波压力场[4,5]对于水下小型目标，其冲击载荷主要表现为爆炸冲击波能量。根据Cole关于水下爆炸气泡脉动过程的讨论，结合Zamyshlyayev的研究成果，我们可得铸装TNT球形药包的水下爆炸冲击波压力的半经验、半解析公式：

式中，

式中：为时间();为装药量();为爆心距观察点的距离(m);为药包的初始半径();为标准大气压();为药包爆炸的初始深度();为水中的声速();为流体密度();为峰值压力();、、、、为计算过程量，单位随输入量。

　　应用上述模型计算出水下爆炸载荷的时间历程曲线，作为ABAQUS软件壳体响应计算的载荷输入，其曲线如图1所示。同时，进行水下爆炸试验，测量自由场中水下爆炸冲击波载荷，形成时间历程曲线(如图2)，并将计算结果与试验数据加以比较。

　　图1计算的冲击波载荷历程曲线 图2测得的冲击波载荷历程曲线

通过对冲击波压力峰值的比较，我们可看出：对于1kg，3m爆距的爆炸工况，由经验公式计算的冲击波载荷时间历程曲线与测试结果误差很小(0.3%)，可作为仿真计算的输入。 2 小型圆柱壳体模型[4,6]如图2-1小型圆柱壳体主体外径230mm，长1100mm，分为2个舱段，两端及舱段连接处采用圆形端盖(直径250mm);壳体黄色舱段厚度为2mm，蓝色舱段厚度为3mm，端盖厚度6mm;壳体圆筒部分的材质为采用20#钢，端盖部分为A3钢。

　　图3 小型圆柱壳模型 图4有限元模型

　　根据图3所示的小型圆柱壳模型，在有限元前处理软件中建立如图4所示的有限元模型：水体模型采用中间圆柱段、两端半球形结构;圆柱形水体半径为0.6m，为圆柱壳半径的5倍，划分为4面体网格;为了准确模拟壳体和周围水体的相互耦合作用，外部水体采用非均匀网格划分，靠近壳体的网格较密，单元尺寸约为1cm，远离壳体的网格相对稀疏，单元尺寸约为2cm，圆柱壳体全部采用四边形壳体单元划分。 3计算结果及试验验证[2]基于上述小型圆柱壳及水体有限元模型，用ABAQUS软件计算了1kg铸装球形TNT炸药作用下(正横距离3m)的动响应，并选取腹部位置A和迎爆点B作为关注点(A和B的位置分别见图5)，计算并测试出两个位置三个方向的应变数据(见图6和图7)。

　　图5 测试点位置示意图

　　图6数值仿真迎爆测量点A的应变(从左到右依次是环向、45°方向和轴向)

　　图7 数值仿真迎爆测量点B的应变(从左到右依次是环向、45°方向和轴向)

　　表1 试验与仿真结果比较 结果分类 最大应变(με) A-环向 A-45°方向 A-轴向 B-环向 B-45°方向 B-轴向 仿真结果 1987 1480 788 1820 120 1290 试验结果 2045 1502 894.3 2063 — 1213 计算误差 2.84% 1.47% 11.9% 11.8% — 6.35% 从仿真计算结果及试验结果可以看出，水下爆炸冲击波(1kgTNT，3m爆距)冲击作用下，壳体处于弹性阶段，计算结果与试验结果较吻合。 4 结论应用通用有限元软件ABAQUS的声固耦合算法，可较好的模拟水下爆炸冲击波作用下小型多舱圆柱壳的弹性响应。

　　参考文献： R.Rajendran，Reloading effects on plane plates subjected to non-contact underwater explosion[J], Journal of materials processing technology, 2008(206) 姚熊亮，张阿漫等. 基于ABAQUS软件的舰船水下爆炸研究[J]. 哈尔滨工程大学学报，2006，27(1) 姚熊亮，张阿漫等. 声固耦合方法在舰船水下爆炸中的应用[J].哈尔滨工程大学学报，2005，26(6) 姚熊亮，舰船结构振动冲击与噪声[M]，国防工业出版社，2007 谌勇，华宏星等，静水压对加筋圆柱壳受水下爆炸冲击载荷作用的影响，噪声与振动控制，2007(3) 姚熊亮，徐小刚等，流场网格划分对水下爆炸结构响应的影响，哈尔滨工程大学学报，2003. 24(3)