第 1 章 绪论
1.1 引言
Liu 及其合作者采用 SPH 方法对一维装药爆轰、二维水下爆炸等问题进行了模拟[22-29]，然而其模拟均是针对自由场爆炸等比较理想的模型，仅能对算法的稳定性、精度、收敛性等进行验证，不能得到有益于工程应用的规律性结论。此外，SPH 方法在解决具有高度非均匀性的问题时，粒子的不均匀分布或材料性质的较大差异均会使近似出现较大误差，严重时会导致计算结果的错误[30-34]。以上原因使得 SPH 方法难以解决许多工程问题，例如：舰船接触爆炸、舰船防雷舱爆炸的模拟对舰船防护结构设计具有重要意义，但其涉及 TNT 装药、空气、水、钢等性质差异较大的物质的相互作用，且钢板厚度远小于水域和 TNT 装药的尺度，使其粒子难以均匀分布，材料和粒子的高度非均匀性使 SPH 方法模拟接触爆炸存在较大困难；近自由面爆炸和沉底爆炸的模拟是研究自由面和海底对水下爆炸冲击波反射效应的重要途径，但其亦涉及 TNT 装药、水、海底泥沙等材料非均匀性；工程中常用的圆柱形和方形 TNT 装药爆炸均属于三维问题，而当前的研究仅局限于二维水下爆炸的模拟，难以解决实际工程问题。以上问题均是 SPH方法实现水下爆炸工程应用的瓶颈，严重限制了该方法在水下爆炸领域的发展。
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1.2 舰船水下爆炸研究进展
水下爆炸是近年来研究的热点，根据水下爆炸的研究目的，可将其分为水下爆炸载荷、水下爆炸作用下舰船结构响应和舰船防护结构三项研究内容。下文重点阐述三项研究内容的研究进展情况。
1.2.1 水下爆炸载荷
水下爆炸载荷分为爆炸前期的冲击波载荷和后期的气泡载荷。冲击波的压力大、时间短，呈现高频特征，对舰船结构造成严重局部损伤。气泡载荷相比冲击波载荷压力小、时间长，呈现低频特征，对舰船造成总体毁伤。
1.2.1.1 水下爆炸冲击波载荷
在早期的研究中，主要采用试验和理论相结合的方法研究水下爆炸冲击波载荷，其中具有代表性的研究成果是美国科学家 Cole 的专著《Underwater Explosion》[35]和前苏联科学家 Zamyshlyayev 的专著《Dynamic Loads in Underwater Explosion》[36]。这两本专著均给出了自由场水下爆炸冲击波载荷的经验公式，公式经过大量试验验证具有较高的精度，至今仍应用于水下爆炸工程计算和数值算法有效性验证等研究中。随着计算机硬件的发展和数值技术的兴起，国外许多学者采用 Eulerian 网格方法[37-38]模拟水下爆炸的冲击波载荷及其传播过程，但这种算法非常复杂，且难以捕捉物质交界面。为避免网格方法求解水下爆炸时的缺陷，Liu 等学者[22,25,26]采用 SPH 无网格方法模拟了水下爆炸冲击波的传播过程，该方法形式简单，但其计算量过大，且在物质交界面和自由面处近似精度较低。目前，LS-DYNA 等通用软件均集成了 Eulerian 网格方法和 SPH 无网格方法计算水下爆炸的冲击波载荷。
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第 2 章 修正 SPH 方法数值模型
2.1 引言
水下爆炸会在毫秒时间内产生压力可达数 GPa 的冲击波，并驱动周围流体产生较大变形，采用传统的网格方法对其进行模拟时会出现网格畸变、物质运动追踪及强间断捕获等困难，而具有拉格朗日性质和粒子性质的 SPH 方法在处理以上问题时具有较大优势，国内外学者已将其应用于水下爆炸的模拟[22-29,139,153,154]。目前用 SPH 方法模拟水下爆炸主要集中于自由场水下爆炸，仅涉及到炸药和水等密度差别较小的物质，而工程中应用的防雷舱接触爆炸等为水、空气、爆炸气体、钢、海底泥沙多种密度差异较大物质混合的多相流问题，应用标准 SPH 方法对其进行模拟时存在较大困难，因此，大密度比多相流问题的模拟成为 SPH 方法实现水下爆炸工程应用的主要技术瓶颈。
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2.2 修正 SPH 方法数值模型
2.2.1 标准 SPH 近似方法
在 SPH 方法中，函数 f ( x )的积分表达式定义为：
式中： 为包含 x的积分体积， ( x -x' )函数的性质为：
用光滑函数 W ( x - x' ,h)代替 ( x -x' )函数便完成了SPH方法的核近似过程，此时 f ( x )的积分表达式可写为：
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第 3 章 单、双层壳结构水下接触爆炸模拟.........33
3.1 引言.................. 33
3.2 单层壳结构接触爆炸模拟.................... 33
3.3 双层壳结构接触爆炸模拟............................37
3.4 本章小结....................... 41
第 4 章 舰船防雷舱防护机理..................43
4.1 引言........................ 43
4.2 膨胀舱衰减冲击波机理.................. 43
4.3 吸收舱衰减高速弹片机理.........................50
4.4 本章小结............... 56
第 8 章 SPH 法和边界元法的结合及应用
8.1 引言
水下爆炸可产生冲击波、高温高压脉动气泡及气泡形成的高速射流，冲击波压力可达几十 GPa，爆炸气泡温度可达 3000K，气泡射流速度可达数百米/秒，物理现象极为复杂，其物理过程涉及瞬态、高温高压、大变形、多介质流等多种复杂问题。目前已形成了基于 SPH 方法的二维水下爆轰、基于边界元方法（Boundary Element Method，以下简称 BEM）的爆炸气泡脉动等数值模拟方法对水下爆炸过程进行数值模拟，然而，鱼雷等水下攻击型武器多为圆柱形装药，其爆炸属于三维问题，对其整个爆炸过程的数值模拟的文献很少见诸发表。从炸药起爆至形成高压初始气泡阶段通常采用 SPH 方法进行模拟。Liu 及其合作者基于 SPH 方法对一维炸药爆轰及二维自由场水下爆炸问题进行了数值模拟[24-28]，其后又开发了 DSPH 程序以提高计算的精度[23]，然而，目前对水下爆炸爆轰阶段的模拟仅限于二维，由于 SPH 算法过大的计算量，使其很难解决三维水下爆炸问题。圆柱形装药爆炸等很多三维水下爆炸问题均是轴对称的，对其进行模拟时需采用基于轴对称的 SPH方法将其转化为二维问题。
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结 论
水下爆炸可产生冲击波、高温高压脉动气泡及气泡形成的高速射流，冲击波压力可达几十 GPa，爆炸气泡温度可达 3000K，气泡射流速度可达数百米/秒，会使舰船等水中结构物发生毁灭性破坏。西方海军强国对水下爆炸的研究非常重视，投入了大量的人力物力财力研究水下爆炸理论及相关数值技术，形成了比较成熟的水下非接触爆炸数值分析方法，并集成于 ABAQUS 等商业软件中。然而，水下接触爆炸等具有大变形、运动物质交界面、高度非均匀性特征，采用上述软件集成的网格算法对其进行模拟时容易因网格的高度畸变导致计算结果的错误。为此，本文充分利用 SPH 方法的粒子性和拉格朗日性，并对标准 SPH 方法进一步改进，模拟了水下接触爆炸等基本现象，重点研究了舰船结构接触爆炸毁伤机理、舰船防雷舱的防护机理、自由面与海底对水下爆炸冲击波的反射效应以及三维水下爆炸的数值模拟。概括而言，本文工作的主要结论及建议如下：
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参考文献（略）