随着水下兵器精准度及威力的提升,鱼雷战斗部等武器可在舰艇近表面处发生爆炸,对结构造成毁灭性瞬态毁伤载荷,严重威胁舰艇的生命力。近场水下爆炸是一个强非线性的多场耦合问题,涉及多相强间断、结构撕裂损伤等强非线性问题,相比于中远场水下爆炸,由于舰艇结构的存在,近场水下爆炸载荷变得异常复杂,具有强间断、高密度比等特征。传统数值方法在模拟该类问题时存在一定的局限性,无网格光滑粒子流体动力学SPH方法具有拉格朗日粒子特性,本文拟利用其在处理非线性问题中的优势,得到冲击波载荷的产生机理,实现对近场水下爆炸冲击波载荷特性的认识。近年来,有关近场水下爆炸冲击波的研究取得了较多的研究成果,而国内外学者针对由于流场中稀疏波引起空化效应的研究较少。目前,对于近场水下爆炸冲击波在多层介质中的传播规律以及空化效应的产生和溃灭机制、冲击波-空化-结构相互作用的研究仍然存在很多的盲点以及不足,蕴含着诸多的科学问题亟待解决:如装药引爆产生的爆轰波、冲击波与结构的相互作用,空化效应以及爆轰产物-水-结构等多相介质剧烈耦合掺杂等。水下近场爆炸过程中,冲击波在不同介质传播的过程中,由于界面两侧的阻抗不匹配,将在界面反射和透射冲击波或者稀疏波。当冲击波从低阻抗介质传入高阻抗介质的过程中,反射波为压缩冲击波;当冲击波从高阻抗介质传入低阻抗介质的过程中,反射波为稀疏波。稀疏波会对结构表面的压力进行卸载,此时,界面附近流体的压力会急速减小,此区域可能会形成"空化区",进而结构会出现反向加速运动。在外部水压和反向运动的结构作用下,气穴非常容易溃灭,在结构表面产生二次加载,对结构产生响应甚至毁伤。因此,需计入结构等边界条件,研究空化效应对载荷特性的影响以及冲击载荷作用下结构的破坏。鉴于此,本文利用改进的SPH方法解决大密度比问题,建立计及空化效应的近场水下爆炸数学物理模型,精细捕捉冲击波载荷时空变化规律,并建立其与局部空化形成和演化的联系,探究水下近场爆炸局部空化产生的机理及其冲击载荷特性。下面主要阐述改进的SPH方法、边界处理方法、改进的Schmidt空化模型以及考虑空化效应的背空和背水弯板的近场水下爆炸过程。(1)修正的SPH方法标准SPH方法,在密度、动量方程、能量方程近似时容易产生物理量的失真,在解决多相流问题时,虽然当密度差较小时,标准的SPH方法可以满足精度;但是当密度差较大时,交界面的计算精度得不到保证,需要对SPH方程进行修正。本文拟基于多相物质粒子体积匹配思想,修正SPH近似公式处理多相物质密度梯度大问题,解决气-液-固的耦合作用问题。(2)边界处理方法固壁边界是SPH方法在解决流固耦合问题中常见的一种边界形式,粒子的边界截断效应会导致计算误差的产生,因此需要对固定边界进行处理。国内外很多专家学者建立多种数学模型,通过将单或多层粒子铺设至边界处,采用惩罚力、镜像虚粒子等多种办法克服边界缺陷问题。本文拟采用S.Adami等人提出的"Dummy"处理固定边界问题,在边界外部布置固定的虚粒子参与内部流体粒子的计算,得到边界粒子的压力。综上,本文将采用Dummy粒子边界法处理壁面边界,建立刚性、弹塑性结构近场水下爆炸模型,研究近场水下爆炸对结构的载荷特性,并通过分析流场中复杂的波系,总结载荷的变化规律。(3)改进的Schmidt空化模型冲击波或稀疏波会在爆轰气体(气泡)与壁面之间多次反射,形成复杂的冲击波与稀疏波的叠加效应,稀疏波的存在可能诱发空化区的产生,空化区可能会对壁面产生二次载荷作用。常见的空化模型包括:截断模型,Schmidt模型等。截断模型的优势为适用性广泛,可以用于多种数值方法;缺点为该模型会导致流场的计算不守恒,而且计算过程中未体现空化区与周围介质的转变与过渡。Schmidt模型虽然能够解决高压高速管口附近空化问题,但是其在模拟大密度比介质中的空化效应时,可能会在边界处产生数值震荡。鉴于此,本文采用改进的Schmidt空化模型,建立近壁面水下爆炸验证模型,探究冲击波在多种介质中的传播规律以及空化效应的产生和溃灭机理,并验证本文所采用的空化模型能够抑制甚至移除非物理高压空化区及数值震荡。3)考虑空化效应的背空弯板和背水弯板的近场水下爆炸过程近场水下爆炸过程中,多相介质的混杂直接影响局部空化的产生,目前,此方面的研究尚不充分。本文拟计及空化效应,建立近场水下爆炸SPH模型,验证考虑空化的SPH方法的有效性。在此基础上,建立背水弯板和背空弯板的近场水下爆炸模型,探究近场水下载荷特性以及空化机理,揭示冲击波在多层介质中的传播规律、空化的产生和溃灭以及载荷的时空不均匀分布规律。结果显示:对于背水弯板,由于爆轰气体的压力远大于周围水域的压力,此时其处于膨胀的状态,并向周围水域中传播一列冲击波(主波)。随后,主波到达背水弯板,由于钢板的阻抗大于水的阻抗,在水域中产生一列反射冲击波Ⅰ,同时,还在弯板背面水域中产生一列透射波Ⅰ。另外,在不同波系的作用下,结构瞬间具有一定的速度和位移,且其运动方向与主波的传播方向一致。随着反射冲击波Ⅰ在水域中的传播,后反射稀疏波形成,但是由于钢板的厚度及刚度较大,这列稀疏波并不明显。之后,水域中的反射冲击波Ⅰ传至气泡的上表面,并因为气泡的阻抗小于周围水的阻抗,向气泡的上表面水域中传播一列反射稀疏波Ⅰ,同时,还有一部分波会透射气泡。此后,气泡及结构表面反射的稀疏波在水域中相遇并发生叠加,形成低压区,并出现空化现象,同时反射稀疏波Ⅰ会有部分透射钢板,在弯板背面水域中形成一列透射稀疏波Ⅰ。随后,由于水域中反射的稀疏波Ⅰ在钢板处发生反射,在波的叠加作用下,空化区溃灭消失。在多列波的作用下,钢板已经发生明显的变形。对于背空弯板,起爆过程与背水弯板工况相似,在周围水域中形成主波,在气泡中心区域形成内聚稀疏波。随后,主波传播至弯板表面,因为钢板的阻抗较大,主波到达弯板表面之后会向水域中反射一列冲击波。随着反射冲击波在水域中传播,后反射稀疏波逐渐形成。此后,水域中的反射冲击波传播至气泡的上表面,并因为气泡的阻抗小于周围水的阻抗,会向气泡的上表面水域中传播一列反射稀疏波,同时,还有一部分波会透射气泡。之后,由于气泡及结构表面反射的稀疏波的叠加空化区逐渐形成。随着稀疏波的传播,空化区不断变大。此时,冲击波载荷使得结构产生明显的变形。与背水板工况对比,可以初步得出,背空板的空化面积、变形大于背水板工况。进一步对比背水和背空弯板中心的压力载荷以及位移随时间的变化,可以发现,在主波以及反射冲击波的作用下,弯板中心第一次产生的压力峰值相似。随后,两种工况下压力都呈现衰减的趋势,而且背空弯板工况下压力衰减的速度大于背水弯板,这是由于背水弯板的运动幅度小于背空弯板;在计算时间以内,背水弯板很快形成二次加载,然而背空弯板的空化区域较大,空化效应作用时间较长,弯板中心长期处于低载荷作用。对比位移时历曲线可知,在不同波系的叠加作用下,弯板都发生变形,而且随着时间的增大板的挠度呈现增大的趋势,进一步比较背空板和背水板的变形,可以看出前者大于后者。