LS-Dyna 水下爆炸之流固耦合应用

01舰船水下爆炸项目背景：

    鱼雷作为一种典型水中兵器,可从水面舰艇、潜艇、飞机等平台发射,通过水下爆炸产生的冲击波、气泡脉动、气泡射流、金属射流等单一或耦合载荷毁伤敌水中作战平台,在历次海战中都发挥了举足轻重的作用。水面舰船在执行任务中，难免会遭受水下各种武器的袭击，近场水下爆炸产生的冲击波，气泡脉动等载荷将会导致舰船局部结构或整体结构受损。局部结构受损又多集中于舷侧、舭部和底部，受损典型结构为板架结构。所以对于局部结构遭受载荷后响应过程的分析有重要意义。在水下爆炸数值模拟环境正确的基础上，利用已有载荷环境，建立某舰船的三舱段模型，研究不同工况下舱段在近场水下爆炸冲击波载荷下的舰船动响应过程，根据舰船结构的抗冲击评判标准，分析近场水下爆炸冲击波载荷作用下的结构变形，重要部位特征点的速度和加速度响应情况，以及结构吸能特性，探究近场水下爆炸冲击波载荷对舰船结构造成的损伤和其自身的抗冲击能力。

02舰船水下爆炸数值计算仿真模型：

    本文选取某舰船中部三舱段位置进行有限元建模，单个舱段长为９ｍ，宽为16.7ｍ，型深为12.8ｍ，吃水为８.８ｍ。综合考虑结构网格与流体网格的大小关系，以及整体模型计算效率，本文舱段结构网格采用0.2ｍｘ0.2ｍ的面单元模拟，舱段网格总数量为３０万,部分舱段模型如下图所示。舰船材料采用高强度钢，屈服应力为5.9e8Ｎ／ｍ２，密度为７８００ｋｇ／３，弹性模量为2.1e11Ｎ／ｍ２，泊松比０.３。

03材料和数值模型简介

    方形水域流场（欧拉域）大小为３０ｍｘ２０mx２０.６ｍ，水域中间长９ｍ范围内局部加密,兼顾计算效率和计算精度网格尺寸的研宄过程，确定此处流场和炸药的最小网格单元尺寸为0.2ｍｘ0.2ｍｘ0.2ｍ，两端网格尺寸为0.4ｍｘ0.4ｍｘ0.4ｍ，为使数值模拟更接近真实爆炸场景，水域上方建立高为0.４ｍ的空气层，炸药位于船体的正下方。此外，欧拉域边界设置为无反射边界条件，以模拟无限流场防止材料流出，根据相同的方法建立炸药位于舷侧爆炸时的数值模型。

    料参数及一般设置见K文件。下图为工况示意图，舱段为三段式，第一层为膨胀仓，内有横竖隔板，中间仓水域填充，主要对膨胀仓（左一）产生的碎片进行缓冲，由于项目涉密，仅提供接触式炸点K文件，模型经简化脱密处理，但对于研究水下爆炸机理，流固耦合作用还是够的。

04仿真模拟结果（K文件见下）

05水下爆炸流－固耦合接触算法及ｋ文件设置

    水下爆炸研究中的流－固耦合问题一直是重难点问题，该问题既包括炸药的爆轰和冲击波在水中的传播过程，又包含有舰船结构大变形，两者需有机的结合在一起。船体结构变形外力来源于炸药爆轰后通过流体介质传播到船体表面的冲击波载荷，水下的船体表面不仅是载荷作用表面，也是流体流动的边界，所以针对这类问题进行建模计算时，必须要考虑流－固耦合问题。

    ＬＳ－ＤＹＮＡ程序通过ＡＬＥ方法在流固耦合界面处定义ＡＬＥ面，计算过程中欧拉网格可以随着结构的变形而移动，Ｅｕｌｅｒ材料流动引起的压力载荷变化通过耦合算法自动作用到结构的有限元网格上，在流体压力作用下，结构网格发生变形，同时结构的变形也反过来影响流体材料的流动和压力值，通过以上流体与结构间的相互作用可以得到完全耦合的流体－结构响应。由于网格可以随着结构的变形而移动，所以计算过程中不需要每一步对耦合面进行检查，提高了整个计算的求解率。下图为流场和结构接触面耦合算法示意图。

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    相关ｋ文件关键字设置：为使仿真效果更接近真实场景，通过调整板材的法线方向，使得壳体能与欧拉域充分耦合。通过设置ＩＮＡＴＡL－ＶＯＬＵＭＥ－ＦＲＡＣＴＩＯＮ－ＧＥＯＭＥＴＲＹ卡片，实现ＬＳ－ＤＹＮＡ计算过程中船体结构、水域、炸药和空气的多物质耦合；船体结构破损后的接触，使用ＣＯＮＳＴＲＩＮＥＤ－ＬＡＧＲＡＮＧＥ－ＩＮ－ＳＯＬＩＤ中的罚函数接触和ＣＯＮＴＡＣＴ－ＡＵＴＯＭＡＴＩＣ－ＳＵＲＦＡＣＥ－ＴＯ－ＳＵＲＦＡＣＥ关键字中的面与面接触参数，以避免计算过程中结构受到载荷发生变形之后，结构单元相互穿插接触产生畸变，而导致计算停止。

              有关流固耦合关键字设置可参见K文件，需要调试参数以及参数意义的同学可以私信我。