壳体对水下爆炸冲击波与气泡能量输出的增强效应及优化设计研究

为解决水下武器能量输出优化问题，研究人员采用耦合欧拉-拉格朗日(CEL)方法系统研究了壳体厚度比n和材料对水下爆炸(UNDEX)冲击波与气泡载荷特性的影响，揭示了壳体参数对载荷时空演化规律的调控机制，为水下武器设计提供了重要理论依据。

　　

水下爆炸(UNDEX)是水下武器毁伤目标的主要方式，其产生的冲击波和气泡脉动压力分别通过瞬时冲击和持续作用对舰船结构造成破坏。然而，传统研究多聚焦裸装药爆炸，对壳体约束条件下能量输出特性的认识存在明显不足。壳体作为水下武器的关键部件，其厚度分布和材料特性如何影响冲击波强度与气泡动力学行为，一直是制约武器效能提升的技术瓶颈。

为攻克这一难题，哈尔滨工程大学的研究团队在《Applied Ocean Research》发表了创新性研究成果。该研究通过耦合欧拉-拉格朗日(CEL)数值模拟方法，结合水下爆炸实验验证，系统分析了变厚度壳体对载荷特性的增强效应。关键技术包括：建立二维轴对称CEL模型模拟500m水深环境；采用多项式状态方程描述水体动力学；应用JWL状态方程模拟TNT爆轰产物；通过Shock状态方程和Steinberg-Guinan本构模型表征壳体材料特性；设计厚度比n=1-8的变厚度壳体构型；采用双向方差分析(ANOVA)评估载荷空间分布规律。

研究结果部分：

1. 冲击波载荷特性
   通过对比n=1-8的壳体模型发现，当厚度比n≥5时，垂直方向冲击波压力在δ=14（无量纲距离参数）处出现16.32%的峰值增强。双向ANOVA分析证实，变厚度壳体使冲击波压力呈现显著的非均匀空间分布（p<0.01），在仰角小于60°的区域内形成明显压力增强带。

2. 材料优化选择
   对比Ti6%Al4%V、Cu-OFHC、Al 6061-T6和Q235四种材料发现，Ti6%Al4%V壳体因更高的声阻抗（Z=ρc）表现出最优的冲击波反射能力，在δ=10-18范围内压力值较其他材料提高8%-12%。

3. 气泡动力学行为
   变厚度壳体导致气泡呈现"水母形"非对称膨胀，底部壳体碎片吸引形成气泡分叉。n=5时气泡上移距离达最大半径的23%，压力中心上移使等压线呈卵形分布。ANOVA分析显示角度因素对脉动压力影响显著（F=12.49，p<0.01）。

4. 材料-性能关联
   Ti6%Al4%V凭借高密度（ρ=4419 kg/m³）和高剪切模量（G₀=41.9 GPa），使气泡上移速度较铝壳体提高15%，脉动压力增强12%。

该研究创新性地提出变厚度壳体设计策略，首次量化了壳体参数对UNDEX能量输出的调控规律。理论层面，揭示了壳体约束引起的冲击波叠加机制和气泡迁移规律；应用层面，证实Ti6%Al4V作为壳体材料可实现冲击波压力16.3%、气泡脉动压力12%的双重增强，为新一代水下武器研制提供了关键设计依据。这项成果不仅突破了传统均匀壳体设计的性能瓶颈，更为复杂环境下武器毁伤效能评估建立了新的分析框架。