ANSYS AUTODYN在水下爆炸模擬中的應用

2013-08-07 by:廣州CAE有限元應用中心來源:仿真在線

研究艦船水下爆炸的破壞效應對于提高艦船的生命力和戰斗力具有非常重要的工程應用價值。藥包在水中爆炸后首先產生沖擊波,沖擊波的壓力波峰以指數的形式衰減;同時,炸藥變成高壓的氣體爆炸生成物,氣泡在周圍水介質的作用下,膨脹和壓縮,產生滯后流和一次或多次脈動壓力;沖擊波到達自由面后,在一定的水域內產生很多空泡層,當上層的表面水層在大氣壓力和重力的作用下下落時,由于比其下層的空泡層的加速度大,便與空泡層相碰,并繼續下落,當表層水與下部的未空化的水發生碰撞時,便產生了水錘效應。試驗表明:氣泡水下爆炸沖擊波、氣泡脈動壓力和射流、以及空泡水錘效應是水下非接觸爆炸艦船破壞的三種主要載荷。

ANSYS AUTODYN軟件是今年1月份ANSYS收購的一個顯式有限元分析程序,用來解決固體、流體、氣體及相互作用的高度非線性動力學問題,它提供很多高級功能,具有濃厚的軍工背景,尤其在水下爆炸、空間防護、戰斗部設計等領域有其不可替代性。該軟件在國際軍工行業占據80%以上的市場。本文僅僅討論ANSYS AUTODYN軟件在艦船抗爆性能方面的特色功能。

ANSYS AUTODYN水下爆炸仿真技術特色

    1、高精度的Euler-Godunov、Euler-FCT求解器
    ANSYS AUTODYN早期的一階Euler方法是基于Hancock(1976)發展的,1995年,ANSYS AUTODYN引入了高階Euler求解技術:多物質Euler-Godunov(Van Leer 1977)和單物質Euler-FCT(Zalesak 1979)求解器,極大地豐富了ANSYS AUTODYN的流體求解功能。普通的一階Euler方法主要用于解決流固耦合、氣固耦合問題;而高階多物質Euler-Godunov求解器主要用于模擬爆轟波的形成、傳播以及對結構的沖擊響應等,還可以模擬氣泡的膨脹、壓縮和射流的形成以及空泡水錘效應、淺水效應等;高階單物質Euler-FCT求解器主要用來進行計算爆轟波的傳播,在計算效率上,由于不考慮物質的輸送所以要比Euler-Godunov快。

    由于ANSYS AUTODYN采用比普通一階Euler更精確的高階Euler求解技術,所以在水下爆炸模擬中能更接近試驗數據,計算結果如圖1、2所示:

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圖1 用Euler-Godunov求解器模擬水下爆炸沖擊波傳播及圓筒結構響應

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圖2 試驗值與數值計算結果比較

2、計算結果映射(Remap)技術
傳統的某些顯式有限元軟件雖然能夠模擬爆炸沖擊波與結構的相互作用,然而計算資源大量消耗在流體單元中,因此只能進行近場爆炸局部結構的破壞,對于遠場爆炸以及整船的爆炸動響應計算非常困難,難以在工程中應用。

ANSYS AUTODYN提供的Remap技術,可以把三維計算問題的某初始時間段在一維中模擬,然后把一維結果映射到三維數模中再繼續求解。

ANSYS AUTODYN的 Remap技術在水下爆炸中應用的具體思路是:由于炸藥爆炸后形成的沖擊波在自由場中的傳播是球對稱的(當沖擊波到達自由表面、底部或遇到結構時會形成反射區,此時,沖擊波的波陣面不再球面對稱),因此,炸藥的起爆以及沖擊波在自由場中的傳播可以在一維場中計算,當沖擊波將到達結構或界面時,再把一維的計算結果映射到三維模型中繼續計算,因此,避免計算資料過多地消耗在流體單元上,從而實現遠場爆炸及整船動態響應計算。

圖3為Remap技術在水下爆炸中的應用,首先建立球對稱一維楔形爆轟模型以計算沖擊波的傳播,然后再Remap到三維模型中繼續計算沖擊波的傳播以及與結構的相互作用。

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圖3 ANSYS AUTODYN的 Remap技術在水下爆炸中的應用

3、部件(PART)激活、抑止技術
艦載設備抗沖擊安全性的強弱直接影響艦船的戰斗力和生命力。沖擊波和氣泡脈動、空泡水錘效應等對艦船結構的影響是瞬間的,而設備在沖擊載荷下的響應時間卻是很長的,達到幾秒或十幾秒;另一方面,當我們獲得船體的沖擊載荷后再研究設備的抗沖擊性能,水的存在對計算結果的影響微乎其微。因此,我們有必要在某個時刻把流體這個部件抑止,不讓其參與計算,從而提高計算效率。ANSYS AUTODYN利用這種激活技術以減少整個有限元模型的計算時間。圖4為射流對靶板結構的沖擊模擬,在射流形成前靶板被抑止,當射流形成并將到達靶板時,靶板被激活。

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圖4 ANSYS AUTODYN的部件激活、抑止技術

4、豐富的材料模式及材料庫
通常,材料在動態載荷下的響應非常復雜,比如:

    * 非線性壓力響應
    * 應變及應變率硬化
    * 熱軟化
    * 各向異性材料屬性
    * 拉伸失效
    * 復合材料破壞

根據不同問題,ANSYS AUTODYN 提供了狀態方程、強度模型、失效/破壞模型、侵蝕模型等多種材料模型供用戶來模擬材料的動態響應行為。

此外,ANSYS AUTODYN內嵌有近300種軍工行業常用的材料,如:空氣、鋁、鐵、硅、銅、黃金、各種合金屬、炸藥、沙子、水、玻璃、橡膠、尼龍、混凝土等,這些材料均有現成的參數,無需用戶再定義,為用戶提供了極大的方便。

用戶在進行水下爆炸分析時,可以在ANSYS AUTODYN材料庫中選擇合適的炸藥、水、空氣以及結構材料模型及參數。

5、并行求解技術
ANSYS AUTODYN提供兩種并行求解技術:SMP(共享內存式并行)和MPP(分布式并行)。經測試其并行加速比和擴充性能良好,已在實際大規模工程仿真分析中獲得了廣泛的應用。在解決遠場水下爆炸等大規模問題時,可充分利用ANSYS AUTODYN優異的并行計算技術來提高分析效率。

ANSYS AUTODYN水下爆炸典型應用

1、爆炸沖擊波的傳播及對艦船結構的沖擊影響
圖5顯示的是水下爆炸對水面艦艇的沖擊仿真過程。爆轟沖擊波在水和空氣兩種介質中傳播,并與船體發生耦合,船體側舷在沖擊波的作用下發生了明顯的變形,本次分析采用的是Euler-Godunov算法。

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圖5 水下爆炸對艦艇的結構沖擊

2、氣泡脈動的模擬
有研究表明,爆炸沖擊波過后,爆炸產物形成的氣泡含有47%的能量,在周圍水介質的作用下膨脹和壓縮,產生滯后流和脈動壓力,對艦船縱向總體產生屈曲破壞和大變形,并引起低頻安裝設備的破壞。ANSYS AUTODYN的高階Euler求解器能精確地模擬氣泡的膨脹、壓縮和潰滅以及氣泡收縮形成的射流。

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圖6 氣泡脈動時歷云圖

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圖7 距爆心30cm測量點的壓力時歷曲線

ANSYS AUTODYN高精度的Euler求解器、豐富的材料模式、完全的Euler-Lagrange耦合算法、結果映射Remap技術、部件激活技術以及完善的并行求解技術等,極大地提高了水下爆炸數值模擬的精度和效率,從而贏得了眾多軍工用戶的好評。

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