• 中国科技核心期刊
  • JST收录期刊

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

水下爆炸冲击波数值仿真精度研究

敖启源 卢熹 姜智雅 康珀阁

敖启源, 卢熹, 姜智雅, 等. 水下爆炸冲击波数值仿真精度研究[J]. 水下无人系统学报, 2024, 32(2): 1-8 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0098
引用本文: 敖启源, 卢熹, 姜智雅, 等. 水下爆炸冲击波数值仿真精度研究[J]. 水下无人系统学报, 2024, 32(2): 1-8 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0098
AO Qiyuan, LU Xi, JIANG Zhiya, KANG Poge. Numerical Simulation Accuracy Study of Underwater Explosion Shock Waves[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0098
Citation: AO Qiyuan, LU Xi, JIANG Zhiya, KANG Poge. Numerical Simulation Accuracy Study of Underwater Explosion Shock Waves[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0098

水下爆炸冲击波数值仿真精度研究

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0098
详细信息
    作者简介:

    敖启源(1999-), 男, 在读硕士, 主要研究方向为水下爆炸

  • 中图分类号: TJ630.2; U674

Numerical Simulation Accuracy Study of Underwater Explosion Shock Waves

  • 摘要: 在水下爆炸数值模拟研究中, 网格尺寸和一次项人工粘性系数对冲击波峰值压力计算结果有较大影响。在预定计算精度条件下, 快速确定网格尺寸及人工粘性对数值计算意义重大。为此, 本文基于LS-DYNA有限元软件, 建立78 g三硝基甲苯(TNT)二维水下爆炸数值计算模型, 重点分析网格尺寸和一次项粘性系数对水下爆炸冲击波峰值压力和整体计算误差的影响规律。结果表明, 随着网格密度因子的增大计算峰值压力对网格的敏感性降低, 且网格密度较大时, 过小的一次项系数会导致计算峰值压力与经验公式值的相对误差增大。在此基础上获得20%范围内误差与网格尺寸、粘性系数之间的关系, 并构建出可用于快速确定网格尺寸和一次项人工粘性系数的误差预估模型, 通过0.2 ~5 000 kg范围内的TNT柱形装药(长径比为1)和球形装药的水下爆炸计算, 验证了预估模型的普适性, 可为二维中近场范围内的水下爆炸冲击波数值仿真计算研究提供参考。

     

  • 图  1  数值计算模型

    Figure  1.  Numerical calculation model

    图  2  不同λPm随比例爆距的变化

    Figure  2.  Variation of Pm with scaled distancde for different λ

    图  3  不同比例爆距处Pmλ的变化

    Figure  3.  Variation of Pm with λ at different scale distances

    图  4  λPm上升速度影响

    Figure  4.  Effect of λ on the rate of increase of Pm

    图  5  不同Q2Pm随比例爆距的变化

    Figure  5.  Variation of Pm with scaled distance for different Q2

    图  6  不同比例爆距处PmQ2的变化

    Figure  6.  Variation of Pm with Q2 at different scaled distances

    图  7  峰值压力平均误差

    Figure  7.  Average peak pressure error

    图  8  限定区间后峰值压力误差曲线

    Figure  8.  Peak pressure error curve after bounding interval

    图  9  lgEP和lgλ的关系

    Figure  9.  The relationship between lgEP and lgλ

    图  10  截距-对数粘性系数线性拟合

    Figure  10.  Intercept-log viscosity coefficient linear fit

    图  11  峰值压力平均误差拟合结果

    Figure  11.  Peak pressure average error integration curve

    表  1  TNT状态方程参数[15]

    Table  1.   Equation of state parameters for TNT[15]

    $ {A / {{\text{GP}}a}} $$ {B / {{\text{GP}}a}} $$ {R_1} $$ {R_2} $$ \omega $$ {E / {{\text{GPa}}}} $
    371.23.234.150.950.307.0
    下载: 导出CSV

    表  2  水的状态方程参数[15]

    Table  2.   Equation of state parameters for water[15]

    C/(m/s)$ {S_1} $$ {S_2} $$ {S_3} $$ \alpha $$ {E_0} $$ {V_0} $
    14832.106−0.1740.011.0
    下载: 导出CSV

    表  3  空气的状态方程参数[15]

    Table  3.   Equation of state parameters for air[15]

    E/(J/kg)$ {C}_{0}、{C}_{1}、{C}_{2}、{C}_{3}、{C}_{6} $$ {C_4} $$ {C_5} $
    2.5E+0600.40.4
    下载: 导出CSV

    表  4  峰值压力对比

    Table  4.   Comparison of peak pressure MPa

    比例爆距Z /(m/kg1/3)
    0.751.171.882.8
    试验值70.139.623.315.3
    数值解75.542.022.713.6
    经验值72.643.825.716.4
    下载: 导出CSV

    表  5  不同比例爆距处冲击波峰值压力

    Table  5.   Different scaled burst distances peak pressure of shock waves MPa

    比例爆距Z/(m/kg−1/3)
    0.3270.40.50.70.750.91.11.171.51.7
    λ=6_Q2=0.0225318913892.884.367.552.848.835.730.7
    λ=6_Q2=0.0623517312781.873.958.344.941.529.825.4
    经验值235.8174.3124.778.472.559.047.143.933.128.8
    下载: 导出CSV

    表  6  lgEp关于lgλ的拟合参数

    Table  6.   Fitting parameters for λ in EP

    范围Q2
    0.030.040.050.060.070.080.10
    k−0.69−0.79−0.59−0.51−0.53−0.53−0.49
    b1.301.421.411.411.501.551.61
    R 0.940 40.967 60.963 30.985 80.996 10.999 30.999 9
    R20.884 30.936 30.927 90.971 70.992 20.998 60.999 8
    下载: 导出CSV

    表  7  b关于Q2拟合参数

    Table  7.   Fitting parameters for b in Q2

    k1b1RR2
    0.5862.180.9 7160.9 441
    下载: 导出CSV

    表  8  不同工况的峰值压力平均误差

    Table  8.   Mean error of peak pressure for different operating conditions

    装药质量/kg装药形状误差/%
    平均误差预估误差
    0.2柱形9.7510.36
    0.2球形10.79
    5.0柱形9.45
    5.0球形10.45
    50.0柱形10.83
    50.0球形10.30
    500.0柱形9.62
    500.0球形10.18
    1 500.0柱形9.57
    1 500.0球形9.89
    5 000.0柱形9.58
    5 000.0球形9.76
    下载: 导出CSV
  • [1] 蔡尚. 水下爆炸作用下舰船毁伤效能评估及水雷布阵策略优化研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2018.
    [2] 田影. 不同边界条件下近场水下爆炸载荷特性研究[D]. 大连: 大连理工大学, 2022.
    [3] 辛春亮, 秦健, 刘科种, 等. 基于LS-DYNA软件的水下爆炸数值模拟研究[J]. 弹箭与制导学报, 2008(3): 156-158.

    Xin Chunliang, Qin Jian, Liu Kezhong, et al. Research on UNDEX numerical simulation based on LS-DYNA[J]. Journal of Projectiles Rockets Missiles and Guidance, 2008(3): 156-158.
    [4] Huang H, Jiao J Q, Nie X J, et al. Numerical modelingof underwater explosion by one-dimensional A-NSYS-AUTODYN[J]. Journal of Energetic Materials, 2011, 29(4): 292-325. doi: 10.1080/07370652.2010.527898
    [5] Wang G, Wang Y, Lu W, et al. On the determination of the mesh size for numerical simulations of shock wave propagation in near field underwater explosion[J]. Applied Ocean Research, 2016, 59: 1-9. doi: 10.1016/j.apor.2016.05.011
    [6] 胡亮亮, 黄瑞源, 李世超, 等. 水下爆炸冲击波数值仿真研究[J]. 高压物理学报, 2020, 34(1): 102-114.

    Hu Liangliang, Huang Ruiyuan, Li Shichao, et al. Shock wave simulation of underwater explosion[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2020, 34(1): 102-114.
    [7] 张社荣, 李宏璧, 王高辉, 等. 水下爆炸冲击波数值模拟的网格尺寸确定方法[J]. 振动与冲击, 2015, 34(8): 93-100.

    Zhang Sherong, Li Hongbi, Wang Gaohui, et al. A method to determine mesh size in numerical simulation of shock wave of underwater explosion[J]. Journal of Vibration and Shock, 2015, 34(8): 93-100.
    [8] 杨坤, 陈朗, 伍俊英, 等. 计算网格与人工粘性系数对炸药水中爆炸数值模拟计算的影响分析[J]. 兵工学报, 2014, 35(S2): 237-243.

    Yang Kun, Chen Lang, Wu Junying, et al. The effects of computing grid and artificial viscosity coefficient on underwater explosion numerical simulation[J]. Acta Armamentarii, 2014, 35(S2): 237-243.
    [9] 闫秋实, 常松. 水下爆炸三维数值模拟特征参量敏感性分析[J]. 北京工业大学学报, 2023(10): 1099-1108.

    Yan Qiushi, Chang Song. Underwater explosion 3d numerical simulation characteristic parameter sensiti-vity analysis[J]. Journal of Beijing University of Te-chnology, 2023(10): 1099-1108.
    [10] 马腾, 王金相, 刘亮涛, 等. 不同长径比柱形装药水下爆炸冲击波演化规律[J]. 振动与冲击, 2022, 41(8): 149-157+222.

    Ma Teng, Wang Jinxiang, Liu Liangtao, et al. Shock wave evolution of cylindrical charge with different slender ratios[J]. Journal of Vibration and Shock, 2022, 41(8): 149-157+222.
    [11] 孟龙, 黄瑞源, 王金相, 等. 小当量梯恩梯水下爆炸气泡脉动的数值模拟[J]. 兵工学报, 2020, 41(S1): 64-71.

    Meng Long, Huang Ruiyuan, Wang Jinxiang, et al. Numerical simulation of bubble pulsation of small scaled TNT in underwater explosion[J]. Acta Armamentarii, 2020, 41(S1): 64-71.
    [12] Huang C, Liu M, Wang B, et al. Underwater explosion of slender explosives: directional effects of shockwaves and structure responses[J]. International Journal of Impact Engineering, 2019, 130(8): 266-280.
    [13] Jie W, Lei Y, Zhizhou X, et al. Numerical simulation on underwater explosion in small-sized containers[J]. Mathematical Modelling of Engineering Problems, 2016, 3(3): 151-156. doi: 10.18280/mmep.030307
    [14] 高源. 炸药深水爆炸载荷研究[D]. 北京: 北京理工大学, 2021.
    [15] 辛春亮. 有限元分析常用材料参数手册[M]. 北京: 机械工业出版社, 2022.
    [16] Ls-Dyna Key Word User’s Manual, Version 13.0[Z]. LSTC, September 2021.
    [17] COLE R H. Underwater Explosions[M]. New York: Dover Publications, 1965.
    [18] Zamyshlyaev B V, Yakovlev Y S. Dynamic loads in underwater explosion[R]. Washington, D. C.: Naval Intelligence Support Center, 1973.
  • 加载中
图(11) / 表(8)
计量
  • 文章访问数:  4
  • HTML全文浏览量:  3
  • PDF下载量:  0
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2023-08-18
  • 修回日期:  2023-09-10
  • 录用日期:  2023-09-18
  • 网络出版日期:  2024-01-18

目录

    /

    返回文章
    返回
    服务号
    订阅号