《CMES - Computer Modeling in Engineering and Sciences》：Development of a Multi-Resolution SPH-PD Model for Simulating Ice Sheet Fragmentation under Underwater Explosion Loads
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本文针对水下爆炸破冰这一复杂多物理场问题，开发了一种光滑粒子流体动力学（SPH）与近场动力学（PD）的耦合数值模型。该模型通过引入粒子分裂技术（PST）和体积自适应方案（VAS），有效解决了爆炸产物大变形和粒子分布不均的难题，实现了水下冲击波传播、冰体结构动态响应及失效破坏过程的高精度模拟。研究结果表明，该耦合方法能够准确预测冰盖的破坏半径，与实验结果吻合良好（误差<10%），为极地工程安全评估和冰区航行设计提供了重要的数值分析工具。
在极地开发和冰区航行领域，海冰对船舶和海洋工程结构物构成严重威胁。传统破冰方法效率有限，而水下爆炸破冰技术因其高效性受到广泛关注。然而，水下爆炸破冰涉及冲击波传播、流体-结构相互作用、材料失效等复杂多物理场耦合过程，给数值预测带来巨大挑战。现有数值方法在模拟大变形、断裂扩展和多介质耦合方面存在不足，亟需发展高精度、高效率的数值模型来准确预测冰盖的动态响应和破坏模式。
为攻克这一难题，研究团队在《CMES - Computer Modeling in Engineering & Sciences》上发表论文，开发了一种创新的光滑粒子流体动力学（SPH）与近场动力学（PD）耦合数值模型。该模型通过引入粒子分裂技术（PST）和体积自适应方案（VAS），成功模拟了从炸药爆轰、冲击波传播到冰体破裂的全过程。
本研究采用了几项关键技术：首先建立了多分辨率SPH模型，通过粒子分裂技术（PST）处理爆炸产物的大变形问题，并采用体积自适应方案（VAS）动态调整粒子分布；其次开发了基于近场动力学（PD）的结构求解器，能够自然描述冰材料的断裂过程；最后构建了SPH-PD耦合算法，通过虚拟粒子边界实现流体与结构间的相互作用力传递。
2.1. 基于SPH的流体动力学控制方程
研究采用光滑粒子流体动力学方法求解可压缩Navier-Stokes方程，通过状态方程描述水和炸药的力学行为。该方法无需网格重构，天然适合模拟大变形问题。
2.2. 基于VAS的粒子分裂
针对爆炸过程中粒子体积急剧变化的问题，引入了体积自适应方案。当粒子体积超过阈值时自动分裂，保持数值稳定性和计算精度。
2.3. 适用于高可压缩流动的粒子移动技术
采用粒子移动技术（PST）改善粒子分布，通过微小位移调整避免数值不稳定，提高计算精度。
2.4. 基于PD的结构模拟
利用近场动力学理论描述冰材料的力学行为，通过键的断裂自然模拟裂纹萌生和扩展，避免了传统连续介质力学在处理不连续问题时的局限性。
2.5. PD失效准则
基于临界能量释放率建立了冰材料的失效准则，当键的拉伸超过临界值时发生断裂，准确描述了冰体的破坏过程。
2.6. 适用于FSI问题的SPH和PD模型耦合
通过虚拟粒子边界实现流体与结构间的数据交换，保证界面处物理量的连续传递，确保耦合计算的稳定性。
研究团队通过三个典型算例验证了模型的可靠性：自由场水下爆炸冲击波传播模拟显示，多分辨率方案在保证精度的同时大幅降低了计算成本；压力载荷作用下板壳结构的热力耦合响应分析表明，PD方法能准确预测结构的变形和温度场；水下爆炸破冰模拟结果与实验数据高度吻合，破坏半径预测误差小于10%。
研究结果表明，SPH-PD耦合模型能有效模拟水下爆炸冲击波传播、冰体动态响应和断裂全过程。冰盖破坏呈现明显的分区特征：中心区域为完全破坏区，外围是裂纹扩展区。破坏半径随爆心距增大先增后减，与实验现象一致。温度场分析揭示了冲击载荷下的热力耦合效应，为理解冰体破坏机制提供了新视角。
该研究发展的数值方法为极地工程安全评估提供了可靠工具，在冰区航道设计、海洋平台防护等领域具有重要应用价值。模型能准确预测不同装药量和爆心距下的破冰效果，为爆破参数优化提供理论指导。未来工作可进一步考虑冰的各向异性、温度效应等复杂因素，提升模型的工程适用性。
