ANSYS AUTODYN在水下爆炸模擬中的應(yīng)用

2013-08-07 by:廣州CAE有限元應(yīng)用中心來源:仿真在線

研究艦船水下爆炸的破壞效應(yīng)對于提高艦船的生命力和戰(zhàn)斗力具有非常重要的工程應(yīng)用價值。藥包在水中爆炸后首先產(chǎn)生沖擊波,沖擊波的壓力波峰以指數(shù)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(zhì)的作用下,膨脹和壓縮,產(chǎn)生滯后流和一次或多次脈動壓力;沖擊波到達(dá)自由面后,在一定的水域內(nèi)產(chǎn)生很多空泡層,當(dāng)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(xù)下落,當(dāng)表層水與下部的未空化的水發(fā)生碰撞時,便產(chǎn)生了水錘效應(yīng)。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(yīng)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(xué)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(zhàn)斗部設(shè)計等領(lǐng)域有其不可替代性。該軟件在國際軍工行業(yè)占據(jù)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(shù)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(fā)展的,1995年,ANSYS AUTODYN引入了高階Euler求解技術(shù):多物質(zhì)Euler-Godunov(Van Leer 1977)和單物質(zhì)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(zhì)Euler-Godunov求解器主要用于模擬爆轟波的形成、傳播以及對結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)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(yīng)、淺水效應(yīng)等;高階單物質(zhì)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(zhì)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(shù),所以在水下爆炸模擬中能更接近試驗數(shù)據(jù),計算結(jié)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(jié)構(gòu)響應(yīng)

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圖2 試驗值與數(shù)值計算結(jié)果比較

2、計算結(jié)果映射(Remap)技術(shù)
傳統(tǒng)的某些顯式有限元軟件雖然能夠模擬爆炸沖擊波與結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的破壞,對于遠(yuǎn)場爆炸以及整船的爆炸動響應(yīng)計算非常困難,難以在工程中應(yīng)用。

ANSYS AUTODYN提供的Remap技術(shù),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(jié)果映射到三維數(shù)模中再繼續(xù)求解。

ANSYS AUTODYN的 Remap技術(shù)在水下爆炸中應(yīng)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?qū)ΨQ的(當(dāng)沖擊波到達(dá)自由表面、底部或遇到結(jié)構(gòu)時會形成反射區(qū),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(dāng)沖擊波將到達(dá)結(jié)構(gòu)或界面時,再把一維的計算結(jié)果映射到三維模型中繼續(xù)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(xiàn)遠(yuǎn)場爆炸及整船動態(tài)響應(yīng)計算。

圖3為Remap技術(shù)在水下爆炸中的應(yīng)用,首先建立球?qū)ΨQ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(xù)計算沖擊波的傳播以及與結(jié)構(gòu)的相互作用。

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圖3 ANSYS AUTODYN的 Remap技術(shù)在水下爆炸中的應(yīng)用

3、部件(PART)激活、抑止技術(shù)
艦載設(shè)備抗沖擊安全性的強弱直接影響艦船的戰(zhàn)斗力和生命力。沖擊波和氣泡脈動、空泡水錘效應(yīng)等對艦船結(jié)構(gòu)的影響是瞬間的,而設(shè)備在沖擊載荷下的響應(yīng)時間卻是很長的,達(dá)到幾秒或十幾秒;另一方面,當(dāng)我們獲得船體的沖擊載荷后再研究設(shè)備的抗沖擊性能,水的存在對計算結(jié)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(shù)以減少整個有限元模型的計算時間。圖4為射流對靶板結(jié)構(gòu)的沖擊模擬,在射流形成前靶板被抑止,當(dāng)射流形成并將到達(dá)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(shù)

4、豐富的材料模式及材料庫
通常,材料在動態(tài)載荷下的響應(yīng)非常復(fù)雜,比如:

    * 非線性壓力響應(yīng)
    * 應(yīng)變及應(yīng)變率硬化
    * 熱軟化
    * 各向異性材料屬性
    * 拉伸失效
    * 復(fù)合材料破壞

根據(jù)不同問題,ANSYS AUTODYN 提供了狀態(tài)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(tài)響應(yīng)行為。

此外,ANSYS AUTODYN內(nèi)嵌有近300種軍工行業(yè)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(xiàn)成的參數(shù),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(jié)構(gòu)材料模型及參數(shù)。

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

ANSYS AUTODYN水下爆炸典型應(yīng)用

1、爆炸沖擊波的傳播及對艦船結(jié)構(gòu)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(zhì)中傳播,并與船體發(fā)生耦合,船體側(cè)舷在沖擊波的作用下發(fā)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(jié)構(gòu)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(chǎn)物形成的氣泡含有47%的能量,在周圍水介質(zhì)的作用下膨脹和壓縮,產(chǎn)生滯后流和脈動壓力,對艦船縱向總體產(chǎn)生屈曲破壞和大變形,并引起低頻安裝設(shè)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(jié)果映射Remap技術(shù)、部件激活技術(shù)以及完善的并行求解技術(shù)等,極大地提高了水下爆炸數(shù)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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