王 瑩，秦業(yè)志，王志凱，姚熊亮

(哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

水下爆炸破冰是冰工程一個(gè)重要的研究領(lǐng)域，屬于典型的流固耦合問題，在軍事領(lǐng)域和民用領(lǐng)域都具有重要的研究意義[1-3]。在嚴(yán)寒地區(qū)某些江、河段的封凍期和解凍期容易形成冰凌災(zāi)害，如冰塞、冰排、冰壩等險(xiǎn)情，高效破冰技術(shù)是相關(guān)部門關(guān)注的重要課題，其中水下爆炸破冰技術(shù)被認(rèn)為是有效的破冰方式之一[4]。

由于水下爆炸破冰威力強(qiáng)，破冰效果顯著，效率高，引起了許多學(xué)者的關(guān)注和研究。Barash等[5-6]展開了一系列水下爆炸試驗(yàn)，總結(jié)了冰層破壞尺寸與藥量、爆距和冰厚的關(guān)系。梁向前等[7]對黃河段厚冰層展開了試驗(yàn)研究，分析了冰面爆炸和水下爆炸兩種爆破方式下冰層的破碎機(jī)理及水中沖擊波壓力特性。張明方等[8]對黃河地區(qū)某段展開了水下爆破破冰試驗(yàn)研究，分析了藥包入水深度、藥包質(zhì)量與破冰體積之間的關(guān)系。吳瑞波等[9]展開了大當(dāng)量水下爆炸破冰試驗(yàn)，研究了最優(yōu)水下爆破距離參數(shù)。采用試驗(yàn)方法可很好地展示爆炸破冰之后冰層的毀傷效果，展現(xiàn)破冰過程中的宏觀現(xiàn)象，但對于水下爆炸破冰過程的流固耦合作用過程及材料失效機(jī)理的揭示存在困難。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值仿真方法成為研究流固耦合問題的有效方法。張忠和等[10-11]采用LS-DYNA中的任意拉格朗日歐拉(arbitrary Lagrange-Eule,ALE)方法研究了水下爆炸沖擊波載荷作用下沖擊波傳播規(guī)律。Wang等[12]采用近場動(dòng)力學(xué)的方法研究了水下爆炸沖擊波載荷作用下的冰層損傷形態(tài)。王瑩等[13]采用試驗(yàn)和數(shù)值仿真相結(jié)合的方法，研究了沖擊波載荷作用下冰層的損傷模式及沖擊波傳播規(guī)律，同時(shí)研究了冰層損傷的影響因素。由于水下爆炸過程載荷的復(fù)雜性，包括沖擊波載荷和氣泡脈動(dòng)載荷，上述的研究成果把關(guān)注點(diǎn)放在沖擊波的載荷對冰層的損傷效果，而很少關(guān)注氣泡脈動(dòng)載荷引起的復(fù)雜載荷序列在冰層損傷過程中扮演的角色。本文通過數(shù)值仿真結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，研究水下爆炸過程中流體-冰層耦合的全過程，揭示水下爆炸沖擊波和氣泡載荷聯(lián)合作用下冰層的損傷機(jī)理。

對工程爆破效果的影響因素，前人研究成果主要研究了藥量、爆距和冰厚等因素對爆炸破冰效果的影響，而對炸藥類型對爆破效果的影響研究較少。本文中針對3種不同類型炸藥冰下爆破毀傷效果進(jìn)行了數(shù)值研究，依據(jù)沖擊波能和氣泡能在水下爆炸破冰過程中的不同作用機(jī)理及冰層的損傷形態(tài)，深入探究含能炸藥水下爆炸冰層的損傷特性，通過數(shù)據(jù)分析得出沖擊波能和氣泡能在冰層損傷過程中的毀傷比率，為工程中研究高效破冰型式如炸藥選型提供參考依據(jù)。

1 水下爆炸破冰全耦合數(shù)值模型

1.1 流體-冰層全耦合模型

水下爆炸破冰過程是典型的流固耦合問題，冰層主要的輸入載荷為沖擊波載荷、氣泡射流引起的水冢沖擊載荷等。本文以冬季某海域的破冰試驗(yàn)為基礎(chǔ)，深入地開展水下爆炸破冰過程沖擊波與氣泡聯(lián)合作用下冰層的損傷機(jī)理。該現(xiàn)場試驗(yàn)在冬季1月份實(shí)施，海域平均氣溫在-4～-8 ℃。此區(qū)域的冰層特征為固定的平整冰，沿著海岸形成，冰面平整，為一年生冰，冰層內(nèi)部較為均勻，平均冰厚約30 cm,試驗(yàn)區(qū)域的冰層厚度經(jīng)測量為27 cm。該試驗(yàn)的海域?yàn)闇\水區(qū)，水深范圍為2～3 m,試驗(yàn)點(diǎn)范圍的水深測得為2.2 m。試驗(yàn)的炸藥為200 gTNT,位于爆炸中心區(qū)域，與冰面中心開孔布放炸藥形式不同，本試驗(yàn)采用曲桿一端固定炸藥，然后從距中心一定距離處開孔，將固定有炸藥一端的曲桿伸入冰面孔內(nèi)，延伸至爆炸區(qū)域中心位置，選擇恰當(dāng)?shù)谋?，該試?yàn)的爆距為45 cm,試驗(yàn)現(xiàn)場環(huán)境如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)現(xiàn)場

對于爆炸沖擊瞬態(tài)問題，本文暫時(shí)不考慮溫度梯度變化對冰層的力學(xué)特性影響。采用LS-DYNA軟件建立本文的冰-流體全耦合計(jì)算模型，計(jì)算模型尺寸為10.0 m×10.0 m×12.5 m,根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)條件，建立空氣層厚度為780 cm，水深為220 cm，土壤厚度為250 cm，冰層厚度為27 cm，裝藥質(zhì)量為0.2 kg，爆距為0.45 m，且炸藥、水、空氣及泥土層采用歐拉網(wǎng)格建模，中心區(qū)域歐拉網(wǎng)格尺寸為5 cm，外圍區(qū)域歐拉網(wǎng)格尺寸為10 cm,采用多物質(zhì)ALE單元算法，冰層采用拉格朗日網(wǎng)格建模，網(wǎng)格尺寸為6 cm流體材料和結(jié)構(gòu)冰層采用耦合算法，定義9.8 m/s2加速度場，計(jì)算模型具有對稱性，故采用1/4對稱計(jì)算模型，模型尺寸及邊界條件設(shè)置如圖2所示。

(a)幾何尺寸(cm)

1.2 材料模型

炸藥采用JWL(Jones-Wilkins-Lee)狀態(tài)方程，水采用Grüneisen狀態(tài)方程，土壤、空氣均采用Liner_Polynomal狀態(tài)方程。表1列出了本文所用到的材料本構(gòu)方程。冰層被認(rèn)為具有彈性、脆性等性質(zhì)，本文采用ISOTROPIC_ELASTIC_FLAIURE本構(gòu)模型來定義冰層材料屬性，在該本構(gòu)模型中屈服應(yīng)力是等效塑性應(yīng)變的函數(shù)

表1 材料本構(gòu)模型

(1)

(2)

表2 冰材料參數(shù)

2 沖擊波和氣泡載荷聯(lián)合作用冰層損傷機(jī)理

2.1 沖擊波-氣泡載荷聯(lián)合作用冰層損傷分析

圖3展示了典型時(shí)刻冰層的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，t=18 ms時(shí)，由于氣泡的膨脹作用，水面逐漸抬升，冰層隨著水面的抬升形成圓形的鼓包；t=72 ms時(shí)，由于后期的氣泡的收縮，一方面對冰層造成吸附作用;另一方面由于水冢的繼續(xù)運(yùn)動(dòng)對冰層損傷區(qū)域造成沖擊作用，使得損傷區(qū)域的冰層進(jìn)一步的形成拉伸和斷裂損傷。

(a)t=18 ms

水下爆炸過程中冰-水耦合的數(shù)值仿真結(jié)果，如圖4所示。早期的沖擊波已經(jīng)迅速的作用到冰層，對冰層造成初次損傷，形成環(huán)向和徑向的裂紋，冰層在沖擊波作用下的損傷機(jī)理在史興隆等的研究中作了詳細(xì)的討論。t=18 ms水下爆炸產(chǎn)生的氣泡已經(jīng)膨脹，水面隨著氣泡的膨脹而抬升，此時(shí)冰層受到水的抬升作用，形成鼓包過程(見圖4(a))。圖4(b)展示了t=72 ms冰層的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，由于冰層損傷區(qū)域產(chǎn)生破損，氣泡受到大氣壓作用，膨脹到最大之后開始收縮，形成沖向水底的射流。冰層此時(shí)受到了水冢的沖擊作用以及氣泡收縮時(shí)的吸附作用，對冰層造成拉伸、剪切損傷。

圖4 典型時(shí)刻水下爆炸冰層數(shù)值仿真運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

為了進(jìn)一步揭示沖擊波-氣泡聯(lián)合作用下冰層與水的全耦合過程，氣泡形態(tài)圖如圖5所示。圖5展示了水下爆炸沖擊波、氣泡、水冢等聯(lián)合作用下冰層損傷的全耦合過程。在水下爆炸早期t=2.5～15.0 ms，炸藥的爆轟形成強(qiáng)沖擊波，并以球面波開始向四周傳播，由于沖擊波的壓力峰值高、傳播迅速，當(dāng)強(qiáng)沖擊波作用到冰層下表面時(shí)，冰層將承受極大的壓縮應(yīng)力，導(dǎo)致冰層下表面形成一定范圍的壓縮損傷；此外，冰層內(nèi)部形成環(huán)狀的裂紋，沖擊波的作用使得冰層產(chǎn)生初始的損傷。同時(shí)，爆炸初期氣泡開始慢慢膨脹，水面逐漸的抬升，冰蓋的上表面中心區(qū)域首先會(huì)出現(xiàn)裂紋，冰層隨著水面的抬升而抬升，冰層出現(xiàn)了鼓包現(xiàn)象，展現(xiàn)了冰層一定的彈性性質(zhì)。此時(shí)，冰層的徑向裂紋開始萌生并逐漸擴(kuò)展。t=32.5 ms時(shí)，冰層由于受到極大的拉伸應(yīng)力和剪切應(yīng)力，造成冰層拉伸失效，冰層中心的頂部區(qū)域開始發(fā)生冰層的斷裂，冰層的底部由于垂向的拉伸作用，逐漸發(fā)生材料的斷裂現(xiàn)象；t=50 ms時(shí)，由于氣泡膨脹，水冢形成，開始對中心區(qū)域造成沖擊損傷，將中心區(qū)域的損傷冰層沖開，且冰層內(nèi)部的裂紋進(jìn)一步地延伸；t=67.5 ms時(shí)，由于冰層中間的破損，氣泡上表面遭受大氣壓作用，氣泡開始逐漸收縮，隨著氣泡的收縮，開始形成向下的氣泡射流，冰層會(huì)受到氣泡的吸附作用向下運(yùn)動(dòng)，此時(shí)冰層仍然受到拉伸作用；t=85 ms時(shí)，此時(shí)氣泡產(chǎn)生的射流明顯地朝向水域底部運(yùn)動(dòng)，同時(shí)水冢繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，冰層由于氣泡的收縮開始逐漸向下運(yùn)動(dòng)；t=102.5～150.0 ms時(shí)，氣泡經(jīng)歷了收縮、坍塌、分裂和膨脹等一系列的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，由于氣泡的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，冰層受到復(fù)雜的受力作用，在拉伸、剪切的作用下，冰層產(chǎn)生拉伸失效、剪切失效、材料的斷裂，冰層內(nèi)部的裂紋得到充分的擴(kuò)展，從而使得冰層形成一定范圍的破碎區(qū)；此外，在全耦合過程中，冰層受到復(fù)雜的載荷作用，冰層破碎區(qū)域周圍會(huì)形成一定范圍的損傷區(qū)域。

圖5 氣泡和冰層變化形態(tài)圖

2.2 冰層動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性分析

距冰層表面距離中心2.5 m,5.0 m,7.5 m處冰層下表面的垂向速度響應(yīng)和垂向位移響應(yīng)圖，如圖6所示。圖6(a)為位移-時(shí)間響應(yīng)，圖6(b)為速度-位移響應(yīng)，從圖6可知，在距離爆炸中心2.5 m處，冰層在50 ms時(shí)位移達(dá)到最大值2.38 cm, 在150 ms內(nèi)速度響應(yīng)達(dá)到的最大值為0.122 m/s。距離爆炸中心較遠(yuǎn)處，冰層產(chǎn)生的最大位移量較小，距離5 m處時(shí)，產(chǎn)生的最大位移為0.607 cm,而距離7.5 m處,產(chǎn)生的最大位移為0.33 cm。由于冰層固有的屬性，冰層在爆炸中心區(qū)域產(chǎn)生了較大的破碎與飛濺，但是在超出破碎區(qū)之后，冰層的位移變化量較小，位移距離可以忽略不計(jì)。從速度響應(yīng)時(shí)歷曲線可知，冰層的響應(yīng)速度在爆炸初期產(chǎn)生的速度先迅速增加，隨后速度出現(xiàn)了波動(dòng)，在后期氣泡的作用下，冰層的響應(yīng)速度開始逐漸增大，但是速度的幅值沒有超過早期的速度峰值，持續(xù)的時(shí)間較長。由此可以看出，距離冰層爆心較遠(yuǎn)處的沖擊響應(yīng)較小，否則冰層會(huì)形成大范圍的破壞。本文的損傷范圍的半徑在1.27 m內(nèi)，冰層的破碎范圍半徑為1.02 m,而試驗(yàn)測得冰層破碎半徑為0.97 m,數(shù)值仿真誤差為5.155%，誤差在10%以內(nèi)，仿真模型計(jì)算尺寸如圖7所示。試驗(yàn)損傷尺寸圖如圖8所示。

圖7 數(shù)值冰層損傷尺寸圖

圖8 試驗(yàn)冰層損傷尺寸圖

3 不同類型炸藥水下爆炸冰層損傷特性分析

3.1 炸藥類型

含能炸藥水下爆炸時(shí)釋放的氣泡能和總能量較常規(guī)炸藥明顯增加。本節(jié)主要研究烈性奧克托今炸藥HMX和黑索金RDX含鋁炸藥對冰層結(jié)構(gòu)的損傷，從而實(shí)現(xiàn)提高爆炸目標(biāo)的毀傷效應(yīng)。TNT及含能炸藥的爆轟方程采用JWL方程描述，其形式描述如下式

(3)

式中:P為爆轟產(chǎn)物的壓力；A、B、R1、R2、ω為炸藥特征常數(shù)；V為相對比容；E為單位內(nèi)能。本文研究的含能炸藥及參數(shù)見表3[17]，其中編號(hào)2-HMX為奧克托今烈性炸藥，編號(hào)3～6RDX為不同鋁氧比黑索金含鋁炸藥。編號(hào)3中RDX(0)表示鋁氧比為0，編號(hào)4中RDX(0.16)表示鋁氧比為0.16,編號(hào)5中RDX(0.36)表示鋁氧比為0.36，編號(hào)6中RDX(0.63)表示鋁氧比為0.63。

表3 炸藥材料參數(shù)

3.2 不同炸藥類型冰下爆炸氣泡運(yùn)動(dòng)特性

本節(jié)分析基于200 g不同類型含能炸藥冰下爆炸時(shí)冰下氣泡的運(yùn)動(dòng)形態(tài)以及由此引起的冰層結(jié)構(gòu)的損傷變化形態(tài)。

奧克托今炸藥(HMX)以及黑索金(RDX)炸藥都屬于含能炸藥，其中HMX炸藥的威力極強(qiáng)，而RDX炸藥可以通過調(diào)節(jié)不同的配方比改變沖擊波能和氣泡能的占比，使得與毀傷目標(biāo)相匹配。文獻(xiàn)[18-20]均表明含鋁配方炸藥在配方鋁氧比接近0.36時(shí)的沖擊波能占比達(dá)到最大，隨后沖擊波能占比開始減小，而氣泡能占比隨著鋁氧比的增加而持續(xù)增加。水下爆炸載荷對結(jié)構(gòu)的毀傷主要為此沖擊波載荷和氣泡載荷，不同類型炸藥對沖擊波載荷的差異衡量指標(biāo)為沖擊波峰值壓力，對氣泡載荷的差異衡量指標(biāo)為氣泡半徑。為了凸顯載荷的差異性，本文提取了不同類型炸藥水下爆炸條件下距離炸藥中心35 cm處的0～5 ms的沖擊波壓力時(shí)程曲線，如圖9所示。從圖9可知，不同類型炸藥條件下，沖擊波載荷變化趨勢基本一致，在沖擊波達(dá)到初次峰值之后開始迅速衰減，隨后會(huì)出現(xiàn)炸藥爆轟產(chǎn)生的二次輻射沖擊波，隨著沖擊波在海底的反射，以及冰面結(jié)構(gòu)的反射，導(dǎo)致出現(xiàn)不同幅度的反射沖擊波峰值，反射波的壓力相對較小。200 gTNT炸藥在35 cm處的沖擊波峰值為89.8 MPa(見圖9),比水下爆炸cole經(jīng)驗(yàn)公式[21]計(jì)算的峰值壓力小5.4%，誤差范圍在10%以內(nèi)，可以驗(yàn)證數(shù)值模型計(jì)算沖擊波載荷的有效性。此外，烈性炸藥奧克托今(HMX)產(chǎn)生的沖擊波峰值壓力最高，達(dá)到112.5 MPa,較TNT產(chǎn)生的峰值壓力89.8 MPa增加了25%。而黑素金(RDX)炸藥產(chǎn)生的沖擊波峰值隨著鋁氧比的增加先增大后減小，當(dāng)鋁氧比為0.36時(shí)，沖擊波壓力峰值達(dá)到了最大值。產(chǎn)生的原因可能是當(dāng)鋁氧比含量低時(shí)，爆炸不能夠充分反應(yīng)，導(dǎo)致沖擊波峰值壓力較低。

圖9 距離炸藥中心35 cm處不同炸藥沖擊波時(shí)歷曲線

淺水冰下爆炸氣泡半徑隨時(shí)間的變化曲線圖，如圖10所示。衡量氣泡載荷的差異主要體現(xiàn)在氣泡半徑，從圖10可知，HMX炸藥產(chǎn)生的水下爆炸氣泡半徑最大。對于RDX炸藥隨著鋁氧比的增加，氣泡最大半徑呈現(xiàn)增大趨勢，產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因可能是含鋁炸藥爆轟后產(chǎn)生高溫高壓的氣體，此時(shí)未完全參與爆轟的鋁粉會(huì)二次燃燒，產(chǎn)生的熱量將輔助氣泡膨脹做功，氣泡能增加，因此氣泡半徑相應(yīng)地會(huì)增加。鋁氧比為0.63時(shí)的氣泡最大半徑與烈性炸藥HMX產(chǎn)生的最大氣泡半徑幾乎相等，達(dá)到87 cm, 當(dāng)鋁氧比為0.36時(shí)氣泡最大半徑為81.4 cm(見圖10)。

圖10 200 g不同炸藥類型條件下氣泡半徑時(shí)程曲線

不同含能炸藥條件下氣泡的形態(tài)變化和冰層結(jié)構(gòu)的變化圖，如圖11所示。從圖11可知，在0～15 ms時(shí)間段，此時(shí)，爆炸產(chǎn)生的氣泡還未充分的膨脹，不同類型炸藥下水下爆炸載荷對冰層的毀傷模式相似，主要是由于爆炸初期強(qiáng)沖擊波的作用導(dǎo)致冰層產(chǎn)生局部損傷區(qū)域，且冰層中產(chǎn)生徑向裂紋和橫向裂紋。產(chǎn)生徑向裂紋的原因是：隨著壓縮應(yīng)力波在冰層中的傳播，它會(huì)在切線方向上產(chǎn)生拉伸應(yīng)力和拉伸變形。由于冰層的極限抗拉強(qiáng)度比極限抗壓強(qiáng)度小得多，當(dāng)拉伸應(yīng)力超過冰層的破壞抗拉強(qiáng)度時(shí)，冰材料發(fā)生失效，因此冰層形成徑向裂紋，并且在拉伸波的作用下很容易破壞。在爆炸后很短的時(shí)間內(nèi)，損傷冰面的壓縮波發(fā)生卸載，從而使冰蓋在徑向上承受拉伸應(yīng)力。因此，當(dāng)拉伸應(yīng)力超過冰在徑向上的破壞拉伸強(qiáng)度時(shí)，將進(jìn)一步產(chǎn)生圓形裂紋。因此可以推斷出，在早期主要由沖擊波載荷作用的階段，冰的破壞類型主要是形成裂隙損傷區(qū)。從不同類型炸藥在t=15 ms時(shí)對冰層的毀傷圖可以看出，由于炸藥的類型不同，沖擊波強(qiáng)度存在差異，HMX炸藥和RDX(0.36)對冰層中心區(qū)域的初始損傷比其他幾組的損傷要強(qiáng)。t=50 ms時(shí)，從炸藥對冰層的損傷形態(tài)可以看出,除RDX(0)炸藥類型對冰層的損傷較弱，而其他幾組對冰層的中心區(qū)域都造成了很強(qiáng)的拉伸斷裂失效。在氣泡載荷作用階段，由于不同類型的炸藥氣泡能不同，爆炸產(chǎn)生的熱量不同，導(dǎo)致爆炸產(chǎn)生的氣泡最大半徑不同。具體在與冰層耦合過程中，HMX炸藥產(chǎn)生的氣泡最大半徑最大，對冰層形成的沖擊作用力最強(qiáng)，形成的水冢沖破冰層導(dǎo)致冰層的損傷更充分，在氣泡收縮作用階段，在臨近冰層破壞面形成大面積氣穴，吸附冰層，使得冰層受到進(jìn)一步的拉伸斷裂失效(見圖11)。對于RDX炸藥，隨著鋁氧比的不同，產(chǎn)生的氣泡載荷不同，隨著鋁氧比的增加，氣泡系列載荷與冰層的作用強(qiáng)度在增加，產(chǎn)生的水冢沖擊力增強(qiáng)，且氣泡產(chǎn)生的氣穴區(qū)域增大，這是因?yàn)殇X粉的增多使得爆炸產(chǎn)生的熱量增加，導(dǎo)致氣泡能量增強(qiáng)(見圖11)。圖11標(biāo)記了HMX炸藥和RDX(0.36)爆炸過程中的氣泡與冰層的損傷過程。

(a)HMX

3.3 不同炸藥類型水下爆炸冰層損傷特性

200 g不同類型含能炸藥在冰厚27 cm冰下爆炸距離冰層中心2.5 m,5.0 m,7.5 m處的相對加速度峰值，如表4和圖12所示。從表4和圖12可知，含能炸藥HMX對冰層造成的加速度峰值要高于其他幾種類型的炸藥，鋁氧比為0時(shí)冰層的加速度在三處的峰值最小，表明其沖擊響應(yīng)相對其他幾組是最小的。當(dāng)鋁氧比為0.36時(shí)，其加速度峰值較HMX沖擊峰值較弱，但是相比其他3組鋁氧比炸藥沖擊峰值要大。其產(chǎn)生的原因是當(dāng)鋁氧比為0.36時(shí)沖擊波能占比最大，從而造成冰層的加速度峰值較大。

圖12 不同參考點(diǎn)處相對加速度峰值

表4 200 g不同類型炸藥條件下不同參考點(diǎn)處相對加速度峰值

200 g不同類型炸藥條件下水下爆炸冰層損傷應(yīng)力云圖，如圖13所示。從圖13可知，冰層出現(xiàn)了典型的圓形破壞模式，破壞顯示典型的破碎區(qū)和裂隙區(qū)。破碎區(qū)的形態(tài)不一樣的原因是因?yàn)闅馀菽苷急炔煌?，造成冰層下的氣泡運(yùn)動(dòng)形態(tài)存在差異，從而引起的冰層的破碎形態(tài)出現(xiàn)不同的現(xiàn)象，但總體的規(guī)律是氣泡能占比越大的破碎區(qū)碎裂更明顯。不同類型炸藥條件下冰層的破碎區(qū)和裂隙區(qū)的尺寸，如表5所示。從表5可知，HMX炸藥產(chǎn)生的破碎區(qū)和裂隙區(qū)尺寸最大，其破碎區(qū)半徑達(dá)到132.36 cm較TNT產(chǎn)生破碎區(qū)半徑增大29.76%，裂隙區(qū)的半徑達(dá)到161.13 cm較TNT產(chǎn)生的裂隙區(qū)的半徑增長27.46%。后4組RDX炸藥，隨著鋁氧比的增加破碎區(qū)的半徑隨之先增大后減小，裂隙區(qū)半徑處RDX(0.36)明顯增大以外，其他3組裂隙區(qū)半徑相差不大。從冰層損傷尺寸結(jié)合冰層2.5 m處加速度響應(yīng)峰值可以推斷出，RDX(0.36)和TNT在2.5 m處對冰層的沖擊響應(yīng)加速度接近，而兩者造成的冰層損傷尺寸也最接近，通過其他幾組的沖擊加速度響應(yīng)分析，冰層的損傷范圍主要取決于沖擊波對冰層的損傷，尤其是冰層的破碎區(qū)尺寸大小跟沖擊波占比呈正比關(guān)系。而氣泡脈動(dòng)載荷以及由此引起的水冢等對沖擊波造成的初始損傷區(qū)域造成冰層的拉伸、剪切等作用，使冰層損傷區(qū)域形成鼓包、折斷、反彈、掀起等一系列現(xiàn)象，而對損傷區(qū)域的破碎尺寸起主要影響作用的是沖擊波載荷。

表5 不同類型炸藥條件下冰層損傷尺寸

圖13 不同炸藥類型條件下冰層損傷圖

4 結(jié) 論

本文通過ALE法開展了冰層在水下爆炸沖擊波載荷、氣泡脈動(dòng)載荷、水冢沖擊載荷等復(fù)雜載荷作用下冰層的損傷機(jī)理研究，在此基礎(chǔ)上，研究了不同類型含能炸藥造成冰層損傷的影響。通過研究可以得出以下結(jié)論：

(1)通過與文獻(xiàn)中的試驗(yàn)對比驗(yàn)證了ALE方法在計(jì)算水下爆炸氣泡動(dòng)力學(xué)的有效性，通過與海上水下爆炸破冰試驗(yàn)對比驗(yàn)證了ALE法在計(jì)算水下爆炸流固耦合破冰問題的有效性，二者的數(shù)值仿真結(jié)果均與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，表明了本文的數(shù)值模型可以有效地進(jìn)行水下爆炸冰層損傷響應(yīng)研究。

(2)水下爆炸冰層受沖擊波與氣泡聯(lián)合作用損傷機(jī)理過程如下。①水下爆炸早期由于沖擊波的強(qiáng)沖擊作用，對冰層造成初始損傷區(qū)，包括冰層迎爆面的高壓壓碎破壞，冰層內(nèi)部形成環(huán)向和徑向的初始裂紋。②水下爆炸中期，由于氣泡的持續(xù)膨脹及收縮，導(dǎo)致水面上升，形成水冢，冰層受到水面對冰層的沖擊作用，使得冰層抬升，由于冰層的抗拉強(qiáng)度小，冰層的初始裂紋得到充分?jǐn)U展，當(dāng)水冢持續(xù)作用時(shí)，將沖破冰層，炸藥威力越大，冰層將被掀翻，冰層受到拉伸、剪切破壞，可以明顯看到冰層凸起根部發(fā)生折斷現(xiàn)象。③水下爆炸后期，由于氣泡的收縮、坍塌、二次膨脹作用，對冰層產(chǎn)生吸附作用，使得冰層損傷區(qū)域產(chǎn)生進(jìn)一步的拉伸破壞和折斷損傷，在損傷區(qū)域形成破碎區(qū)。經(jīng)過復(fù)雜的水下爆炸沖擊波載荷，氣泡膨脹、收縮、坍塌、二次膨脹、水冢等作用，在冰層產(chǎn)生典型的破碎區(qū)和裂隙區(qū)。

(3)通過不同類型含能炸藥水下爆炸冰層損傷特性分析，得出沖擊波能是造成冰層損傷區(qū)域的主要元素，冰層的損傷范圍主要取決于沖擊波對冰層的損傷，尤其是冰層的破碎區(qū)尺寸大小跟沖擊波占比呈正比關(guān)系。而氣泡能在冰層損傷過程中主要造成了損傷區(qū)域的冰層破碎形態(tài)不同，氣泡能越大，越容易形成較破碎的破碎區(qū)。

(4)在本文研究的幾種類型的炸藥中，HMX對冰層造成的損傷最大，較TNT爆炸損傷增強(qiáng)達(dá)29.76%，而RDX(0.36)次之，RDX(0)對冰層損傷的威力最弱，RDX(0.16)和RDX(0.63)與TNT造成的冰層損傷較接近，沖擊波能可以用來作為衡量冰層損傷的參考指標(biāo)。