1。 目前对于三维气泡研究采用四面体拉格朗日网格的研究较多，但由于气泡和流体的严重变形，导致模拟结果并不是很精确。

2。 在三维模拟气泡脉动的研究中，对于气泡第一周期内的动态特性模拟得很好，但对于第一周期后得气泡运动的研究并不是很深入。 

3。 有关气泡脉动引起的脉动冲击波、滞后流以及射流对水中结构的破坏研究的文献还比较少，比较多的方法就是将气泡脉动压力按照一定比例换算成爆炸冲击波的一部分进行结构毁伤的数值模拟，而对于滞后流和射流的影响并没有过多地研究。 

4。 很多文献对于单个气泡的脉动研究比较深入，并且成果丰富，但对两个以上的气泡之间相互作用的研究比较少。

5。 对于气泡自由面和刚性壁的耦合研究更多，对于气泡与弹性边界或者自由面与结构联合作用下的耦合研究并不多见。

1。4本文主要研究的内容

本文针对以上问题，从水下爆炸气泡的基本现象入手，利用ABAQUS有限元软件对水下爆炸气泡进行数值模拟，旨在揭示爆炸气泡在自由场、近自由面和刚性界面附近的运动特性，为研究水下爆炸气泡脉动提供另一种方法。具体研究工作如下：

(1) 掌握水下爆炸气泡数值模拟方法；

(2) 利用ABAQUS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。

第二章 水下爆炸气泡数值模拟

2。1引言

随着计算机的高速发展，数值模拟成了研究结构复杂变形的一种重要方法。商业化的水下爆炸计算软件，大大推进了这个领域的发展。计算水下爆炸的软件有很多，而且各有千秋。

LS-DYNA采用显示动力分析程序，基于完全的计算流体力学和有限元方法，既可以模拟近场和远场爆炸，还可以来模拟气泡脉动过程。但是，LS-DYNA中的网格尺寸和网格质量对计算结果影响太大，会导致结果严重不符。其欧拉算法中的人工和数值黏性也会导致分析过程中材料的耗散和色散，因此会引起结果与真实情况差别过大。综上，LS-DYNA由于其本身的算法问题以及计算时间和硬件成本过高，导致其并不适合于流体以及气泡数值模拟，如贾宪振等[29]模拟水下爆炸冲击波。论文网

DYTRAN所使用的欧拉分析中有限体积法计算水下爆炸问题，比较适合冲击波压力的模拟计算。再者，DYTRAN对网格尺寸和质量的要求并没有LS-DYNA高，因此比较适合模拟一维情况下的自由场水下爆炸气泡脉动，其第一周期内的模拟情况比较接近实际情况，第二周期及以后的气泡脉动情况差别较大，如张振华等[26]利用DYTRAN模拟水下爆炸冲击波传播规律和压力变化，方斌等[27]利用DYTRAN研究水下爆炸冲击波影响参数。

AUTODYN拥有多种二维和三维求解器，并且多个求解器之间可以做互相耦合的结构计算，如欧拉-拉格朗日直接的耦合计算，对于气泡和刚性壁之间的流固耦合计算可以选择该有限元软件。但是这需要很高的硬件要求，如肖秋平等[28]模拟水下爆炸冲击波。

ABAQUS近几年在模拟远场水下爆炸冲击波载荷对结构毁伤研究的应用比较广泛，将流体描述成声学介质，通过定义声学阻尼的方法来模拟冲击波在流体中的衰减，模拟的结果与真实的结果吻合得相当好。ABAQUS里的欧拉求解器和CFD求解器很适合模拟流体运动，但是用ABAQUS模拟气泡脉动的研究较少。

2。2 ABAQUS的欧拉数值模拟方法

在ABAQUS有限元软件中，主要有两种模式，拉格朗日求解器和欧拉求解器。