《Marine Structures》：Sympathetic hydrostatic implosions and fluid-structure interaction of metallic cylinders in a semi-confined environment
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本研究基于LS-DYNA开发了实验验证的多尺度流体-结构相互作用模型，系统研究半封闭水下环境中金属圆柱体顺序连锁坍塌规律，重点揭示次级圆柱长径比（4-6）对坍塌时序、能量吸收（增幅＞14%）及压力波演化（峰值超压增10-15%，流体射流速度达130m/s）的影响机制，为簇状水下结构抗灾设计提供理论支撑。
Bolaji Oladipo|Helio Matos|Arun Shukla|Sumanta Das
罗德岛大学机械、工业与系统工程系，美国罗德岛州金斯顿，02881
摘要
本研究开发了一个经过实验验证的多方面流体-结构相互作用（FSI）模型，使用LS-DYNA来研究金属圆柱在半封闭水环境中的顺序性同步内爆现象。该数值模型首先通过实验进行了验证：在半封闭腔室内，依次排列的铝圆柱经历了静水压力下的坍塌，瞬态压力传感器记录了关键的响应指标。数值模拟再现了观察到的坍塌序列，在幅度和时机上都与实验结果一致，从而增强了人们对FSI框架准确性和预测能力的信心。在此成功验证的基础上，通过改变次级圆柱的长径比（L/D）进行了一系列参数研究，以探讨其对同步内爆动力学、能量吸收和压力波演变的影响。结果表明，将次级圆柱的L/D比从4增加到6会导致更早的同步坍塌，动能吸收增加超过14%，应变能量超过了主圆柱。压力记录和FSI剖面显示，随着细长的增加，峰值超压上升了10-15%，流体喷射速度翻倍（从约65 m/s增加到约130 m/s），压力反弹模式更加连贯。这些发现揭示了关键关系，包括更高的L/D比会加速能量传递、增强坍塌强度，并产生更强、更集中的压力波。相反，较短的圆柱表现出延迟的、冲击性的坍塌，能量吸收减少。总体而言，本研究为设计具有韧性的集群式海底系统提供了一个预测性框架，通过将结构几何形状、流体-结构相互作用和冲击动力学联系起来，以降低级联故障的风险。
引言
当浸没的封闭结构承受超过其结构极限的静水压力时，它们会向内部坍塌，这种故障事件被称为内爆[1]。当圆柱壁在过高的静水压力下迅速向内弯曲时，储存的弹性能量会突然以高幅度的冲击波形式释放[2]。这种故障涉及壁体的快速向内加速，几乎瞬间将弹性能量转化为动能[3]。内爆结构会突然排开周围流体，产生具有陡峭上升时间和超压的强大压力波[4,5]。这种能量的突然释放在结构动力学研究[6]和水下波传播[7]中引起了广泛关注，因为内爆为测试海洋系统提供了一种高度可控[8]、可重复的替代爆炸源[9,10]。内爆过程中释放的能量不会局限于坍塌体内，而是会辐射到周围流体中，并可能影响邻近结构[11]。这些圆柱在静水压力下的突然坍塌会发出强烈的压力脉冲冲击波，其能量足以损坏附近的组件[12,13]。在集群式装配中，单个内爆产生的压力波可以对相邻圆柱施加足够的力，引发一系列相邻结构的同步内爆[14,15]。一个典型的现实世界例子发生在2001年11月12日，当时日本Super-Kamiokande中微子观测站的一个50厘米的光电倍增管（PMT）发生故障，引发了连锁反应，导致大约7000个其他PMT破裂[16]。
关于金属圆柱的静水同步内爆的实验研究有限，大多数先前的工作集中在类似的中空结构上。Yongbo等人[17]表明，光电倍增管（PMT）上的保护装置可以降低内爆冲击强度和同步故障风险，而峰值压力随着静水压力的降低、撞击面积的减小以及流动角度的减小而降低。先前的实验和数值研究表明，自由场内爆的特点是压力波的快速几何扩散和初始坍塌脉冲后的超压单调衰减[18,19]。相比之下，半封闭环境限制了流体的膨胀，导致压力反弹增强和振荡载荷延长，这在封闭式水下内爆和冲击研究中得到了反复观察[4,20]。然而，目前还没有实验普遍研究在封闭或半封闭条件下金属圆柱的行为，其中流体-结构相互作用主导了坍塌和压力传播。已经进行了有[21]和没有[22,23]次级内爆的研究，在开放式封闭结构中，结果表明封闭尺寸、封闭体积和开口流动面积直接影响峰值压力和振荡频率[24]。使用铝圆柱在类似设施中的比较实验进一步证实了封闭可以延迟坍塌的开始，改变屈曲模式，并在流体减速时产生显著放大的压力峰值[25]。此外，实验研究表明，半封闭内爆表现出明显不同的现象和压力场特征[26]。Kishore等人[27]观察到，相邻圆柱的尺寸和间距的变化显著改变了次级结构的坍塌模式和故障阈值；然而，这些研究没有引入系统的封闭。虽然内爆引起的压力波的传播特性及其与结构几何形状的相关性已经得到了充分探讨，但对于这些流体-结构相互作用（FSI）波如何影响具有不同几何参数（如不同长径比L/D）的相邻结构的影响了解较少。由此产生的结构损坏潜力或附近组件中同步内爆的引发机制尚未得到充分量化。
与文献中的实验工作类似，关于在封闭环境中金属圆柱的静水同步内爆的数值研究也非常有限。Zheng等人[14]开发了一个基于可压缩多相流的三相流体-结构相互作用模型，用于模拟两个钛合金球体之间的同步内爆。Sun等人[28]提出了一个基于可压缩多相流理论的陶瓷壳体阵列中的链式内爆数值框架。尽管有这些进展，但目前还没有研究提供半封闭环境中金属圆柱结构的完全耦合FSI分析。本研究通过实验验证基于LS-DYNA的FSI模拟，并系统地探讨了几何参数（特别是长径比）对同步内爆的开始、能量传递和压力波传播机制的影响，填补了这一关键空白。数值模拟同步静水内爆需要一个能够解决可压缩流体与薄壁金属结构之间强烈耦合、高度瞬态相互作用的模拟框架。LS-DYNA的ALE-FSI框架独特地捕捉了本研究所需的三个关键物理机制。首先，它能够解决大变形壳体的屈曲和不稳定性的增长[29]，使坍塌的开始和模式演变自然地从耦合解中显现出来，而不是强加的。其次，它明确模拟了密封圆柱内的困气压缩，这对坍塌动力学、压力反弹和能量释放有显著影响[30]。第三，它捕捉了封闭条件下的波-结构反馈，包括反射[31]、聚焦和压力波在周围封闭空间内的放大。这些能力对于准确模拟级联内爆至关重要，其中每个结构故障都成为相邻组件的新的动态载荷源。此外，本研究引入了几项关键改进，直接解决了已识别的研究空白，并在设计安全性、预测建模和系统优化方面提供了实际益处。本研究的方法提供了第一个完全验证的、高保真的基于LS-DYNA ALE的流体-结构相互作用模型，适用于半封闭环境中金属圆柱的同步静水坍塌。早期的工作[14,28,32]主要关注使用简化多相框架的球体或陶瓷阵列，但即使使用其他数值模拟工具，也没有捕捉到细长金属壳体与部分封闭域内流体之间的复杂耦合。通过将精细网格化的数值模拟与受控实验相结合，本研究在计算理解和实证理解之间架起了一座桥梁，提供了机制洞察和预测能力。此外，本研究系统地改变了次级圆柱的L/D比（4、5、6），揭示了坍塌行为和能量吸收的非线性变化。研究结果揭示了由几何形状驱动的屈曲模式转变和流体耦合的能量传递，这在金属圆柱在同步载荷下是以前未曾报道的。此外，将全场动能和应变能量跟踪与平均FSI压力-时间图和速度场相结合，使得能够多方面地了解坍塌动力学。这种方法揭示了高速度喷射、压力波聚焦、应力波反射和不同细长比下的坍塌模式反馈循环等现象。通过捕捉这些时空相互作用，该模型旨在揭示结构特征如何控制能量重新分配，超越了简单的峰值压力指标，朝着更深入的流体-结构耦合理解迈进。总体而言，本研究旨在通过调整次级圆柱的L/D比来提供设计洞察，以防止水下系统的级联坍塌，从而延迟故障或减少超压。它还旨在建立一个经过验证的基于LS-DYNA ALE的FSI框架，用于模拟半封闭条件下的细长壳体的坍塌。这些发现预计将支持系统级优化，通过几何调整和保护间距来提高韧性，因为同步静水内爆的物理特性对海底压力容器、传感器外壳、集群式壳体系统和封闭载荷舱具有直接和深远的影响，在这些系统中，多个薄壁结构在高外部压力下紧密排列。在半封闭几何形状（如压力容器、保护外壳或结构框架）中，这种风险尤为突出，因为波反射和压力聚焦会放大流体-结构相互作用效应。通过阐明几何形状、封闭和动态压力传递如何控制同步内爆，本研究为设计更安全的海底系统提供了关键的机制基础，优化了组件间距，并实施了缓解策略，以防止海洋工程应用中的灾难性连锁故障。
部分摘录
数值模拟方法
本节概述了生成金属圆柱及其周围流体域的计算几何形状的程序，详细介绍了流体-结构相互作用方法、应用的边界和加载条件，以及模拟中使用的几何和材料参数。请参阅补充材料中的S1节，其中提供了说明半封闭域内同步静水内爆各阶段的ALE-FSI模拟流程图。
结果与讨论
本结果与讨论部分首先通过在相同条件下将数值模型与实验数据进行基准测试来严格验证模型的准确性，确保模拟能够捕捉到关键的坍塌特征。在此基础上，深入探讨了次级圆柱的L/D比变化对内爆动力学的影响，研究了屈曲模式、坍塌时间和压力释放的变化。
结论
本研究使用同步动态压力测量、基于能量的指标和完全耦合的FSI模拟，研究了铝圆柱壳在半封闭流体环境中的静水和顺序性同步内爆。系统地检验了次级圆柱的细长比（L/D比为4、5和6）对坍塌时间、能量重新分配和压力波演变的影响。
动能分析显示了明显的
作者贡献声明
Bolaji Oladipo：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件、方法论、调查、正式分析、数据管理。Helio Matos：撰写——审阅与编辑、验证、方法论、调查。Arun Shukla：撰写——审阅与编辑、验证、方法论、调查。Sumanta Das：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资源管理、项目管理、方法论、调查、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。
致谢
本研究在罗德岛大学的多尺度与多物理力学实验室进行。作者还感谢URI的Andromeda高性能计算集群提供的计算支持，使得本研究中的模拟工作成为可能。
