ANSYS AUTODYN在水下爆炸模拟中的应用

2013-08-07 by:广州CAE有限元应用中心来源:仿真在线

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软件是今年1月份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。

ANSYS AUTODYN水下爆炸仿真技术特色

    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:

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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

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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。

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图3 ANSYS AUTODYN的 Remap技术在水下爆炸中的应用

3、部件(PART)激活、抑止技术
舰载设备抗冲击安全性的强弱直接影响舰船的战斗力和生命力。冲击波和气泡脉动、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是很长的,达到几秒或十几秒;另一方面,当我们获得船体的冲击载荷后再研究设备的抗冲击性能,水的存在对计算结果的影响微乎其微。因此,我们有必要在某个时刻把流体这个部件抑止,不让其参与计算,从而提高计算效率。ANSYS AUTODYN利用这种激活技术以减少整个有限元模型的计算时间。图4为射流对靶板结构的冲击模拟,在射流形成前靶板被抑止,当射流形成并将到达靶板时,靶板被激活。

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图4 ANSYS AUTODYN的部件激活、抑止技术

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,比如:

    * 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
    * 复合材料破坏

根据不同问题,ANSYS AUTODYN 提供了状态方程、强度模型、失效/破坏模型、侵蚀模型等多种材料模型供用户来模拟材料的动态响应行为。

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、各种合金属、炸药、沙子、水、玻璃、橡胶、尼龙、混凝土等,这些材料均有现成的参数,无需用户再定义,为用户提供了极大的方便。

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及参数。

5、并行求解技术
ANSYS AUTODYN提供两种并行求解技术: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获得了广泛的应用。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来提高分析效率。

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
图5显示的是水下爆炸对水面舰艇的冲击仿真过程。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。

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图5 水下爆炸对舰艇的结构冲击

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、压缩和溃灭以及气泡收缩形成的射流。

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图6 气泡脉动时历云图

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图7 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,从而赢得了众多军工用户的好评。

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