ANSYS AUTODYN在水下爆炸模拟里面地运用

    药包在水中爆炸后首先产生冲击波，冲击波的压力波峰以指数的形式衰减。同时，炸药变成高压的气体爆炸生成物，气泡在周围水介质的作用下膨胀和压缩，产生滞后流以及一次或多次脉动压力。冲击波到达自由面后，在一定的水域内产生很多空泡层，当上层的表面水层在大气压力和重力的作用下下落时，由于比其下层的空泡层的加速度大，便会与空泡层相碰，并继续下落，当表层水与下部的未空化的水发生碰撞时，便产生了水锤效应。试验表明，气泡水下爆炸冲击波、气泡脉动压力和射流以及空泡水锤效应是水下非接触爆炸舰船破坏的三种主要载荷。

    ANSYS AUTODYN软件可用来解决固体、流体、气体及相互作用的高度非线性动力学问题，它具有很多高级功能，有着浓厚的军工背景，尤其在水下爆炸、空间防护和战斗部设计等领域有其不可替代性。该软件在国际军工行业占据80%以上的市场。

一、ANSYS AUTODYN水下爆炸仿真的技术特色

1.高精度的Euler-Godunov、Euler-FCT求解器

    ANSYS AUTODYN早期的一阶Euler方法是基于Hancock(1976)发展的，1995年ANSYS AUTODYN引入了高阶Euler求解技术——多物质Euler-Godunov（Van Leer 1977）和单物质Euler-FCT(Zalesak 1979)求解器，极大地丰富了ANSYS AUTODYN的流体求解功能。普通的一阶Euler方法主要用于解决流固耦合、气固耦合问题。而高阶多物质Euler-Godunov求解器主要用于模拟爆轰波的形成、传播以及对结构的冲击响应等，还可以模拟气泡的膨胀、压缩和射流的形成以及空泡水锤效应、浅水效应等。高阶单物质Euler-FCT求解器主要用于计算爆轰波的传播，在计算效率上，由于不考虑物质的输送，所以要比Euler-Godunov快。
用Euler-Godunov求解器模拟水下爆炸冲击波传播及圆筒结构响应，如图1所示。

图1 用Euler-Godunov求解器模拟水下爆炸冲击波传播及圆筒结构响应

    由于ANSYS AUTODYN采用的是比普通一阶Euler更精确的高阶Euler求解技术，所以在水下爆炸模拟中能更接近试验数据，计算结果，如图2所示。

a）圆筒结构长度方向变形

b） 圆筒结构径向变形

图2试验值与数值计算结果比较

2.计算结果映射（Remap）技术

    某些传统的显式有限元软件虽然能够模拟爆炸冲击波与结构的相互作用，但因计算资源大量消耗在流体单元中，因此只能计算近场爆炸局部结构的破坏，对于远场爆炸以及整船的爆炸动响应计算困难非常，工程上难以应用。

    ANSYS AUTODYN所提供的Remap技术，可以把三维计算问题的某初始时间段在一维中进行模拟，然后把一维结果映射到三维数模中再继续求解。

    ANSYS AUTODYN的 Remap技术在水下爆炸中应用的具体思路是：由于炸药爆炸后形成的冲击波在自由场中的传播应该是球对称的（当冲击波到达自由表面、底部或遇到结构时，会形成反射区等，此时，冲击波的波阵面不再是球面对称），因此，炸药的起爆以及冲击波在自由场中的传播可以在一维场中进行计算，当冲击波将到达结构或界面时，再把一维的计算结果映射到三维模型中继续计算，从而避免计算资料过多地消耗在流体单元上，使远场爆炸及整船动响应计算得以实现。

Remap技术在水下爆炸中的应用，如图3所示。

图3 AUTODYN的Remap技术在水下爆炸中的应用

    首先建立球对称一维楔形爆轰模型，计算冲击波的传播，然后再利用Remap技术在三维模型中继续计算冲击波的传播以及与结构的相互作用，如图4所示。

图4 ANSYS AUTODYN的部件激活、抑止技术

3.部件（PART）激活、抑止技术

    舰载设备冲击安全性的强弱直接影响舰船的战斗力和生命力。冲击波、气泡脉动以及空泡水锤效应等对舰船结构的影响是瞬间的，而设备在冲击载荷下的响应时间却很长，达到几秒或十几秒。另一方面，在获得船体的冲击载荷后，再研究设备的抗冲击性能时，水的存在对计算结果的影响微乎其微，因此有必要在某个时刻抑止流体这个部件，不让其参与计算，从而提高计算效率。ANSYS AUTODYN利用这种激活技术减少整个有限元模型的计算时间。#p#分页标题#e#

4.丰富的材料模式及材料库

    通常，材料在动态载荷下的响应非常复杂，如非线性压力响应、应变及应变率硬化、热软化、各向异性材料属性、拉伸失效以及复合材料破坏。

    针对不同问题，ANSYS AUTODYN 提供了状态方程、强度模型、失效/破坏模型以及侵蚀模型等多种材料模型供用户模拟材料的动态响应过程，如图5所示。

图5 ANSYS AUTODYN材料库中材料的各种参数

    此外，ANSYS AUTODYN内嵌有近300种军工行业常用的材料，如空气、铝、铁、硅、铜、黄金、各种合金、炸药、沙子、水、玻璃、橡胶、尼龙以及混凝土等，这些材料均有现成的参数，无需用户再定义，为用户提供了方便。

    用户在进行水下爆炸分析时，可以在ANSYS AUTODYN材料库中选择合适的炸药、水、空气以及结构材料模型和参数，如图6所示。

图6 ANSYS AUTODYN材料库中的各种材料

5.并行求解技术

    ANSYS AUTODYN提供了两种并行求解技术，即SMP（共享内存式并行）和MPP（分布式并行）。经测试，其并行加速比和扩充性能良好，已在实际大规模工程仿真分析中得到了广泛应用。在解决远场水下爆炸等大规模问题时，可充分利用ANSYS AUTODYN优异的并行计算技术提高分析效率。

二、ANSYS AUTODYN水下爆炸典型应用

1.爆炸冲击波的传播及对舰船结构的冲击影响

水下爆炸对水面舰艇的冲击仿真过程，如图7所示。

图7 水下爆炸对舰艇的结构冲击

    爆轰冲击波在水和空气两种介质中传播，并与船体发生耦合，船体侧舷在冲击波的作用下发生了明显的变形，本次分析采用的是Euler-Godunov算法。

2.气泡脉动的模拟

    有研究表明，爆炸冲击波过后，爆炸产物形成的气泡含有47%的能量，在周围水介质的作用下膨胀和压缩，产生滞后流和脉动压力，对舰船纵向总体产生屈曲破坏和大变形，并引起低频安装设备的破坏。ANSYS AUTODYN的高阶Euler求解器能精确地模拟气泡的膨胀、压缩、溃灭以及气泡收缩而形成的射流，如图8所示。

图8 距爆心30cm测量点的压力时历曲线

    ANSYS AUTODYN高精度的Euler求解器、丰富的材料模式、完全的Euler-Lagrange耦合算法、结果映射Remap技术、部件激活技术以及完善的并行求解技术等，极大地提高了水下爆炸数值模拟的精度和效率，赢得了众多军工用户的好评。