（2）数值模拟的模型过大，计算时间较长，同时还会受到网格划分的影响，因 此水下爆炸的数值模拟难以实现大装药量、远距离的数值模拟。

（3）气泡的脉动研究大多为发生在简单的自由场深水、自由界面以及刚性固壁 附近的水下爆炸，实际情况更加复杂多变，还可能受到复合材料及其复杂结构的影响。

（4）对在水下爆炸冲击波与气泡脉动联合作用下的结构响应研究，大多忽略了 两者相互之间的影响，且多以理论分析为主，数值模拟研究非常少。

1。4 本文主要研究内容

水下爆炸的试验研究需要花费大量人力、物力和财力，因此目前多数研究人员都 将数值模拟作为研究方法的首选。本文首先对水下爆炸进行理论分析，其次利用非线 性有限元软件 AUTODYN 数值模拟的方法，对水下爆炸中冲击波的产生和传播以及 气泡的脉动过程进行数值模拟研究，实现对不同药包质量、不同爆心到测点的距离、 不同边界条件下的数值模拟，并与相关的试验数据进行对比。主要工作有以下几方面：

（1）总结水下爆炸气泡运动的特点；

（2）利用 AUTODYN 有限元软件对水下爆炸气泡进行数值模拟；

（3）利用有限元软件建立气泡与边界耦合分析模型；

（4）对气泡与边界相互作用数值模拟研究，研究边界作用下气泡的动态运动特 性。

本文第一章为前言，综述立题背景、研究意义和水下爆炸研究领域发展的历史和 现状；第二章是水下爆炸的基本理论、研究方法以及数值模拟软件的使用；第三章是 对无限水域中的水下爆炸进行数值模拟；第四章是对不同边界条件下的水下爆炸进行 数值模拟，主要为近自由液面、刚性边界、弹性边界三种情况。

第2章  水下爆炸基本理论

早期的水下爆炸研究始于 19 世纪下半叶，主要是为了迎合军事战争的需求。第 一次世界大战时期，研究者开始系统地对水下爆炸进行研究，自第二次世界大战以来 取得了巨大的发展,各个国家的研究者将球型炸药在水中爆炸产生的冲击波和气泡脉 动作为主要研究对象，并通过试验和大批量实战应用进行验证，对水中爆炸冲击波的 产生传播、气泡的形成脉动以及对水中目标的毁伤程度进行了系统而深入的研究。

2。1 水下爆炸基本现象

水下爆炸是一种同时涵盖化学和物理变化的复杂过程，在很短的时间内，在水里 非常小的区域内突然释放出巨大能量的过程，大体可以分成三个阶段：首先为装药的 爆轰，其次为冲击波的产生和传播，最后则为气泡的形成和脉动。

当炸药在水中爆炸时，爆轰产物具有高温、高压、高速的特点，这些特点导致爆 轰产物会直接影响周围介质。由于爆轰产物的初始压力远远高于周围水的静压力，所 以会产生爆轰产物突然以极快的速度发生膨胀的现象，使得周围水的温度、密度和压 力也因受压而迅速上升，从而在水中产生冲击波。R。H。 Cole[38] 研究了在离爆心不同 距离处时，137kg 的 TNT 球形炸药在水下爆炸时所测得的压力分布波形，如图 2。1 所 示，波阵面压力在离球形药包较远距离处则比较慢，而较近距离处下降比较快。

图 2。1 137 kg 球形 TNT 炸药离爆心不同距离的压力分布波形文献综述

水中爆炸初始阶段的冲击波形成后，爆轰产物迅速向水中传播并且继续膨胀，由 此产生了气泡，水也会因气泡的推动开始以小于声速的速度向外扩散。气泡快速膨胀， 气泡内部的压力不断减小，直到低于周围水介质的压力时，气泡还会由于惯性继续膨 胀直到达到最大。经过一段时间，气泡因惯性运动过度膨胀形成而负压状态，周围的