AUTODYN 软件在舰船抗爆性能方面的特色功能

研究舰船水下爆炸的破坏效应对于提高舰船的生命力和战斗力具有非常重要的工程应用价值。

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，产生滞后流和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 软件是 ANSYS 收购的一个显式有限元分析程序，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，它提供很多高级功能，具有浓厚的军工背景，尤其在水下爆炸、空间防护、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。本文仅仅讨论 ANSYS AUTODYN 软件在舰船抗爆性能方面的特色功能。

1. 高精度的求解器   

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 求解器主要用来进行计算爆轰波的传播，在计算效率上，由于不考虑物质的输送所以要比 Euler-Godunov 快。

由于 ANSYS AUTODYN 采用比普通一阶 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 1、2 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

图 2 试验值与数值计算结果比较

2. 计算结果映射（Remap）技术

传统的某些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，然而计算资源大量消耗在流体单元中，因此只能进行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非常困难，难以在工程中应用。

ANSYS AUTODYN 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，此时，冲击波的波阵面不再球面对称），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，因此，避免计算资料过多地消耗在流体单元上，从而实现远场爆炸及整船动态响应计算。

图 3 为 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以计算冲击波的传播，然后再 Remap 到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。