【船舶】水下非接触爆炸舰船动响应数值模拟

一、研究背景

舰船作为重要的水面武器作战平台，易受水雷、炸弹等非接触式水下爆炸武器的攻击。水下爆炸产生的冲击波和气泡脉动载荷会对舰船结构造成严重损伤，研究舰船在水下爆炸载荷下的动态响应有助于深入了解舰船失效规律和损伤机理，为舰船损伤分析与技术保障系统的建立提供数据和技术支撑。

二、联合建模方法

2.1 Multigen Creator几何建模

采用Multigen Creator建立船体三维几何模型：

• 全船几何：186.5m舰船的完整外形
• 细节处理：甲板室、武器系统等
• 实时渲染：适合视景仿真

2.2 TrueGrid流体建模

应用TrueGrid建立流体三维几何模型：

• 水域范围：足够大的计算域
• 网格质量：高精度六面体网格
• 边界处理：流出边界条件

三、Ansys-LS-DYNA整合

3.1 模型整合

通过数据转换整合两种模型：

• 格式转换：从Creator到Ansys
• 网格重构：在Ansys中重新构网
• 混合模型：结构-流体耦合计算

3.2 数值精度对比

验证TrueGrid建模精度：

• 与Ansys自带工具对比
• 相同矩形板水域模型
• 冲击波传播计算对比

四、水下爆炸载荷

4.1 载荷特征

水下爆炸冲击波基本方程：

• 峰值压力：Pmax = K₁(W^(1/3))/R^α
• 时间衰减：P(t) = Pmax·e^(-(t-t₀)/θ)
• 比例距离：Z = R/W^(1/3)

4.2 载荷计算

典型工况：

• 装药量：13kg TNT
• 爆距：20m（水面正下方）
• 舰船响应：加速度、位移、应力

五、舰船动响应分析

5.1 加速度响应

分析船体加速度响应：

• 测点布置：甲板、舱室等关键位置
• 响应特性：峰值、频率成分、持续时间
• 沿船长分布：冲击因子曲线

5.2 结构损伤

评估结构损伤风险：

• 高加速度区域的识别
• 连接部位的应力集中
• 设备损坏评估

六、结论

Multigen Creator和TrueGrid混合建模方法能够有效提高LS-DYNA数值计算的精度，为舰船水下爆炸冲击响应分析提供了可靠的数值工具。

七、涉及图片

• 图1：建模仿真流程框图 — Multigen→TrueGrid→Ansys→LS-DYNA完整流程
• 图2：186.5m舰船几何模型 — Multigen Creator建立的三维线框模型
• 图3：TrueGrid与Ansys建模精度对比 — 矩形板水域模型网格对比
• 图4：13kg TNT水中爆炸压力时程曲线 — 仿真与公式计算对比
• 图5：船体加速度响应云图 — 不同时刻甲板加速度分布
• 图6：冲击因子沿船长分布曲线 — 舰船不同位置的冲击因子