水中爆炸作用机理及毁伤效应研究综述

伍　俊，杨　益，庄铁栓,2

(1. 总参工程兵科研三所，河南 洛阳 471023； 2. 解放军理工大学爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室，江苏 南京 210007)



水中爆炸作用机理及毁伤效应研究综述

伍俊1，杨益1，庄铁栓1,2

(1. 总参工程兵科研三所，河南 洛阳 471023； 2. 解放军理工大学爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室，江苏 南京 210007)

摘要：为深入揭示水中爆炸的作用机理及毁伤效应特性，从不同炸药水中爆炸机理、水中爆炸冲击波传播、水中爆炸气泡脉动、水中爆炸结构破坏效应与动态响应、水中爆炸测试试验技术、水中爆炸数值模拟与毁伤评估等6个方面，综述了国内外对水中爆炸作用机理及毁伤效应的研究进展。提出急需解决的关键技术问题为：非理想炸药水中爆炸能量释放与传播、冲击波/气泡耦合作用对结构的毁伤、水中爆炸结构毁伤评估方法、水中爆炸多尺度模拟技术等。附参考文献86篇。

关键词：水中爆炸；作用机理；毁伤效应；气泡脉动；非理想炸药；毁伤评估；综述

引言

水与空气两种介质的物理性质存在较大差异，导致炸药水中爆炸与空气中的爆炸特性有许多不同之处，不仅爆炸的物理现象和机理不同，爆炸荷载作用也各有特点。对水中爆炸的研究始于19世纪初，1860年，美国的Albort将军指导进行了早期舰船爆炸试验，并于1881年发表了对试验情况的总结报告[1]。水中爆炸研究在两次世界大战中得到了快速发展，在此期间，美国Cole[2-5]根据大量的水中爆炸试验，于1948年对水中爆炸的物理现象、爆炸机理和水中爆炸遵循的基本定律进行了研究和总结，使水中爆炸研究形成了比较系统的理论体系。在之后的几十年间，人们在水中爆炸基础理论研究方面并未取得突破性进展，仅局限于对Cole理论的修正和补充。20世纪70年代以后，随着计算机技术和计算方法的发展进步，水中爆炸数值模拟推动了水中爆炸研究的快速发展，当前的水中爆炸数值模拟结果可以指导并应用于工程实践[6-7]。

水中爆炸研究主要关注爆炸在水中产生、演变、传播以及与水下目标相互作用的理论、方法和手段，涉及兵器科学与技术、船舶与海洋工程、力学、材料科学等多个学科，现已成为支撑水中兵器及其对目标毁伤能力、水中工程技术创新发展的关键基础。国内外也有多个专职研究机构围绕水中爆炸现象、传播规律、结构破坏效应、试验技术及应用等方面开展了大量的研究工作，使水中爆炸研究得到了迅猛发展，本文对此进行总结及评述。

1不同炸药水中爆炸机理研究

水中爆炸及其冲击波物理学现象十分复杂，只有掌握不同炸药水中爆炸现象的机理才能正确理解动态冲击载荷在水中的发展和传播。张志江等[8]对高能炸药水中爆炸的能量输出特性进行了数值模拟研究，采用位标函数捕捉物质界面，用修正的虚拟流体方法处理界面问题，其中含能材料爆轰产物JWL状态方程系数通过Kihara-Hikita-Tanaka计算的等熵膨胀数据拟合得到，并实现了程序化，通过对TNT和PETN两种高能炸药在水中爆炸的能量输出特性进行计算，结果表明，计算结果与试验相似率计算结果比较吻合，误差在10%以内。

牛国涛等[9]对含纳米铝和微米铝炸药进行了水下爆炸试验，对比分析了二者在水下爆炸的冲击波峰值压力、冲击波能、气泡能。结果表明，在以RDX为基的含铝炸药水下爆炸试验中，微米铝质量分数在25%左右时，达到最大冲击波压力值；含纳米铝的炸药冲击波压力随铝粉含量呈线性变化，且最大值高于含微米铝炸药，在水下炸药纳米铝配方设计中，纳米铝粉质量分数不大于20%，可得到较高的冲击波能，纳米铝和微米铝的级配可以明显提高冲击波压力，但是含微米铝炸药冲击波能始终占优。史锐等[10]对TNT和3种新设计的含铝炸药进行了水中爆炸实验，比较了各炸药的爆炸性能。结果表明，冲击波峰值超压、比例冲量和比例能流密度等参数能较好地符合爆炸相似率；尽管含铝炸药的冲击波能随距离变化存在跳动性，但仍可以发现，设计的3种PBX炸药的冲击波能和气泡能较理想炸药都有大幅提高。

冯晓军等[11]以RDX为主炸药，通过添加不同含量的Al粉和AP制成6种RDX基复合炸药，采用水中爆炸实验，从冲击波参数和气泡参数等方面分析了Al粉和AP对复合炸药水中爆炸性能的影响，结果表明，主炸药含量不变时随着Al与AP摩尔比的增大，冲击波峰值压力、时间常数、冲量和能流密度都逐渐减小，当Al与AP的摩尔比约为3.8时，气泡半径或气泡脉动周期达到最大值。宋浦等[12]通过小型爆炸水池实验，研究了端面点起爆和中心点起爆状态下TNT装药水中爆炸能量输出结构的变化规律，并将两者进行了对比，结果表明，装药端面点起爆后，能量输出结构-冲击波压力峰值和比冲量有较大的变化，靠近起爆端方向的冲击波压力峰值和比冲量变化均较其他方位提高，端面点起爆状态比中心点起爆特定方位的冲击波压力峰值和比冲量增大约10%。得出在装药形状基本不变的条件下，改变起爆方式即可实现在水下特定方位处的爆炸能量输出结构变化。

周霖等[13]通过典型炸药爆炸的性能参数分析，计算了不同类型水中兵器用混合炸药水中爆炸的冲击波能、气泡能、冲击波峰值压力方程中的系数k和α以及水中爆炸冲击波峰值压力，研究表明，铝氧比在0.38左右时，炸药水中爆炸的冲击波能达到最大，气泡能则随着铝氧比的增加而增大，此时提高炸药爆热，可获得较大的冲击波能，从而得到较大的作用冲量，实现对目标的有效毁伤；铝氧比接近1，即铝粉质量分数约40%时，气泡能达到最大值，再增加铝粉，气泡会降低；炸药水中爆炸的冲击波峰值压力依赖于超压方程中系数k和α，k越大α越小，炸药水中爆炸冲击波峰值压力就越高；爆热和密度的乘积决定k值大小，爆热和密度乘积越大，k值就越大，反之k值越小；冲击波损失系数、爆热和爆压影响α值大小，爆热越小、爆压越大、冲击波损失系数越大，α值就越大，反之α值就越小。

闫伟杰等[14]通过测定某PBX型高能炸药的水中爆炸能量输出参数，给出了水中兵器用该PBX型炸药的水下爆炸能量输出特性；对大药量带壳PBX炸药水中爆炸冲击波的远场压力进行了测量，探讨了钢质壳体对水中爆炸的冲击波能及气泡能产生的影响，并用数值计算结果进行了验证。结果表明，同种炸药质量的装药，带钢壳炸药所产生的冲击波峰值压力在近场大于裸炸药，而在远场两者的峰值压力的差距逐渐变小；带钢质壳体炸药所产生的冲击波能要大于裸炸药，而气泡能则小于裸炸药。

2水中爆炸冲击波传播研究

水的密度比空气的大很多，因此爆炸产物的膨胀在水中比在空气中慢很多。因为水的密度大，可压缩性小，这就使得水下冲击波的初始压力比空气中大得多，由于水的特殊性质，开展水中爆炸冲击波传播规律研究对深化毁伤效应认识具有重要作用。赵根等[15]对水中冲击波传播规律的公式形式进行了探讨，通过对4次水中冲击爆破试验及对监测资料的分析，得到了高能、普通乳化炸药水中爆炸冲击波的传播规律。结果表明，相同药量条件下，炸药水中爆炸产生的冲击波大小与炸药类型有关，大小关系是：TNT炸药>高能乳化炸药>普通乳化炸药。李金河等[16]采用PCB138压力传感器测量了TNT、RS211、HLZY-1和HLZY-3等几种炸药水中爆炸冲击波远场的压力—时间历程，计算得到这几种炸药水中爆炸冲击波性能参数及其相似常数。结果表明，含铝炸药水中爆炸冲击波远场的传播服从指数变化的相似率，含铝炸药的水中爆炸冲击波时间常数大，比冲量和比能流密度较高，其冲击波性能比TNT优越。刘志[17]通过试验研究了水中爆炸冲击波的传播特性，通过现场试爆及其现象分析，得出了药包布置原则；利用高速摄影技术再现了水中爆炸冲击波波阵面的动态传播过程，得出波阵面传播速度及其传播规律；根据水冲击波波阵面传播速度，得出不同距离处的峰值压力，并对水中冲击波峰值压力、传播距离及药量关系进行分析。

杨莉等[18]研究了沉底装药水中爆炸冲击波的传播规律，结果表明，自由场和沉底爆炸冲击波压力均呈现出指数衰减规律，但自由场水中爆炸由于气泡脉动作用存在明显的二次压力波，其峰值压力约为冲击波峰值压力的1/4，而沉底爆炸则无明显的二次压力波情况，但在装药正上方位置处较自由场爆炸出现显著波动。项大林等[19]为了研究装药壳体厚度对水中爆炸冲击波特性的影响，对1.0 kg柱形含铝炸药分别在厚度为6.0 mm的钢壳或硬铝壳装药下进行了水中爆炸实验与数值模拟研究，结果表明，相对硬铝壳，钢壳装药的冲击波冲量、衰减时间常数以及冲击波能都偏大，而冲击波峰值相差不大；针对不同厚度钢壳装药的数值模拟表明，随着壳体厚度的增加，冲击波参数明显增强，当壳体厚度超过最优值时这种效应减弱；金属壳的存在导致冲击波峰值爬升产生滞后效应；对一定质量的炸药，存在可有效提高冲击波压力峰值的最优壳厚，填装比可作为衡量效果的重要指标。

盛振新等[20]研究了两发炸药水中爆炸冲击波之间的相互作用，利用AUTODYN模拟软件，计算了同时起爆和延时起爆两种情况下两发炸药水中爆炸冲击波峰值压力，并与单发炸药水中爆炸冲击波进行对比，通过分析峰值压力和冲击波到达延时，得出在两发炸药同时起爆的情况下，炸药爆炸产生的气泡会对临近炸药的爆炸冲击波产生衰减作用；两发炸药延时起爆且不会引起殉爆的情况下，在距先起爆炸药较近处，先起爆炸药产生的气泡会对后起爆炸药的冲击波产生衰减作用，并且使冲击波的传播速度变慢；在距后起爆炸药较近处，后起爆炸药的爆炸会对先起爆炸药的冲击波产生增强作用，并使冲击波的传播速度变快。

师华强等[21]通过求解球形一维流体动力学方程，模拟了水下爆炸冲击波的产生和传播过程。研究表明，水下爆炸冲击波近场压力变化剧烈，对水的状态方程要求高，Two-phase状态方程不仅能描述水或水蒸气的单一状态，还能很好地描述水和水蒸气的混合状态，适合模拟水下爆炸冲击波的产生和传播过程。当网格大小为1.5mm时，计算精度满足要求，并验证了冲击波在近场也满足相似定律。

3水中爆炸气泡脉动研究

由于冲击波形成的气泡射流速度高达每秒几千米，对其附近结构会造成严重损伤，研究水中爆炸气泡脉动对工程设计及应用具有重要意义。黄超等[22]采用高速摄影技术研究了水下爆炸气泡的动态特性，分别从定性和定量的角度分析了水箱边界影响产生的误差，研究了小当量PETN 的水下爆炸气泡现象，结果表明，在钢制实验水箱中建立的实验室尺度水下爆炸气泡的实验方法是科学可行的，考虑到边界对气泡运动的影响随着药量的增大而增加，因此，实验时需要控制使用的药量。汪斌等[23]在实验水箱中采用高速摄影技术获得了炸药水中爆炸气泡脉动过程图像，结果表明，短长径比为1.05的PENT炸药柱水中爆炸产生的气泡形状近似球形，气泡脉动周期和半径随炸药质量的增加而增大；在膨胀阶段，气泡中心位置保持不变，随着气泡半径的不断缩小，气泡上浮越来越明显；受重力影响，气泡下表面收缩速度高于上表面，在收缩至气泡半径最小时下表面向上冲顶，气泡溃灭形成水射流。

张阿漫等[24]研究了自由场水中爆炸气泡的物理特性，将水中爆炸气泡运动阶段周围流场假设为无粘、无旋、不可压缩的理想流体，运用边界元法模拟自由场中气泡运动；在气泡运动模拟过程中引入数值光顺技术及弹性网格技术，避免因网格扭曲而导致的数值发散，并开发了计算程序。计算值与试验值吻合良好，误差小于10%。张阿漫等[25]进一步研究了三维水下爆炸气泡动力学，结果表明，位于目标结构附近的水下爆炸气泡，在多种情况下可向结构形成喷射，喷射会对目标结构产生严重破坏；在气泡附近正确的位置，在自由表面和重力的作用下，气泡产生的喷射可能直接撞击到结构上，或者完全错开，因此研究气泡动力学对于提高水下结构生存能力具有重要意义。黄超等[26]研究了柱形装药水中爆炸气泡的形态演变，采用高速摄影方法在实验水箱中获得了长径比为3.35~6.75的柱形PETN炸药水中爆炸气泡脉动的图像，进而结合真实的爆轰过程和Rayleigh气泡运动方程，研究了气泡的形态演变规律。结果表明，柱形装药在水中爆炸时，形成的初始气泡形状为非球对称形，这种非对称特征随着长径比的增加而增大。气泡表面的运动也表现出明显的非球对称特征，气泡表面在装药径向的膨胀运动呈指数衰减，在装药轴向两端的膨胀运动更接近于分段线性衰减；气泡表面的不对称运动与柱形装药水下爆炸的能量输出结构不均有关，与冲击波的有效能量分布规律相似；当柱形装药水平安装时，水中爆炸气泡形成偏射流，射流的方向指向起爆端上方，而垂直安装时气泡射流与球形装药的类似，在气泡底部中心形成，方向垂直向上，但射流速度可能更高。

赵生伟等[27]研究了小当量水中爆炸气泡的脉动现象，设计了用于小当量(不大于10g TNT)水中爆炸研究的爆炸水箱，在爆炸水箱装置中进行了多次0.125、1.000、3.370、8.000g TNT当量的PETN球形炸药水中爆炸试验，采用高速摄影系统获得了气泡脉动图片；试验结果给出了试验范围内气泡脉动过程中气泡直径、速度及加速度随时间变化的拟合曲线，通过对气泡脉动周期进行分析，对气泡直径进行了归一化处理，数据能较好地符合爆炸相似率。

金辉等[28]采用高速摄影光学测量和自由场压力电学测量两种方法对球形装药的水下爆炸气泡脉动过程进行实验研究，基于势流理论，假设爆炸气泡周围是不可压缩、无粘、无旋的流场，采用边界积分法对炸药水中爆炸气泡脉动情况进行数值模拟，实验结果和模拟结果吻合，炸药在自由场工况下爆炸时，气泡脉动规律与现有水下爆炸理论一致；炸药在近水底爆炸时，水底对气泡脉动影响较大，爆炸产生的气泡能大部分被水底吸收，二次脉动压力较自由场时小，二次脉动周期增加；近水底爆炸气泡在边界的作用下，在膨胀阶段下表面呈扁平状，在坍塌阶段指向壁面的射流形成较早，回弹阶段会形成背离壁面的反向射流。金辉等[29]针对不同边界条件下炸药水下爆炸的能量输出结果，设置自由场、沉底、近水底和近水面等不同边界条件的水下爆炸实验，结果表明，炸药在距水底、水面一定距离时爆炸，边界条件对冲击波影响较小，对气泡脉动影响较大；当炸药与水底距离小于1倍最大气泡半径处爆炸时，由于水底边界影响，不能形成完整的气泡脉动；当炸药在距水面小于1倍最大气泡半径处爆炸时，气泡直接滋出水面，不能形成气泡脉动压力；当炸药在距水面1～1.5倍最大气泡半径处爆炸时，部分气泡滋出水面，气泡脉动压力较自由场爆炸时小；气泡在膨胀和收缩过程中，由于气泡不断上升，水面对气泡脉动的影响范围要大于水底。黄毅等[30]基于势流理论，建立考虑气泡迁移效应、自由表面效应的水下爆炸气泡脉动模型，通过不同药量和气泡深度的计算，对迁移效应和自由表面效应这两种影响因素进行比较，讨论两种因素对气泡脉动的影响，将气泡脉动载荷的数值计算结果与经验公式进行对比和验证，结果吻合良好，计算结果也表明，考虑迁移效应、自由表面效应的气泡脉动模型可以对水下爆炸气泡脉动载荷提供较准确的预测。

4水中爆炸结构破坏效应与动态响应研究

近场水中爆炸结构破坏效应与动态响应研究，对于目标结构威胁分析、毁伤评估具有重要作用，也是开展结构防护设计的重要依据，因而加强近场水中爆炸结构破坏效应与动态响应研究很有必要。顾文彬等[31]用水下爆炸冲击分析(USA)方法，研究浅层水中爆炸冲击波与混凝土墩的相互作用。结果表明：(1)在冲击波作用下，迎爆面压力响应是入射冲击波压力的2倍以上，最大可达到2.26倍，在迎爆面上沿表面，由于水中冲击波入射角增大，表面压力响应的增加倍数更高；(2)爆炸作用过程中，混凝土墩顶面、侧面及背爆面也会受到冲击波压力作用，顶面及侧面压力响应可达3MPa以上，该压力对墩体的破坏也有贡献；(3)在迎爆面及墩体内部，节点的加速度变化是随机的，有时发生很大震荡，表明在强冲击波载荷作用下，结构内部及表面材料的受力状态是复杂的，这是流-固耦合算法把爆炸冲击波、流体介质、混凝土结构变形与运动作为一个系统来研究的结果；(4)在平行于水平面的横截面上、沿冲击波作用方向，混凝土材料的加速变化很大，表明冲击波作用引起的墩体内部压应力波衰减较快；(5)由于迎爆面及墩体内部加速度的振荡，其速度响应也有振荡，但振荡频率、幅度等变化规律不同，这是由结构材料动态阻尼特性决定的，因此，结构物的动态破坏不仅与材料的强度有关，还与材料的微观结构、加载速率等因素有关。

贾宪振等[32]研究了深水环境中水下爆炸冲击波作用下圆柱壳动态响应，基于通用有限元程序ABAQUS，运用静力分析和动力分析相结合的方法，分析了深水中圆柱壳动态响应的影响因素，研究了圆柱壳的破坏随深度而变化的规律。结果表明，在同样的冲击波载荷作用下，圆柱壳的毁伤程度随着所处深度的增大而逐渐加重；爆距不变时，不同爆心方位所对应的圆柱壳的响应不同；预应力的存在使圆柱壳毁伤程度有所增加，并且预应力对圆柱壳响应的影响与爆心方位有关；能够导致圆柱壳破坏的炸药质量随深度增加而迅速减小；圆柱壳在浅水中和深水中的破坏机制不同，前者是由于冲击波的作用，而后者是冲击波和静水压力联合作用的结果。

徐俊祥等[33]针对水下爆炸的物理过程以及由此引起的混凝土重力坝的动力响应的复杂性，建立了全耦合的模型，考虑了炸药的爆炸、爆炸波的水中传播、水介质与坝体结构的相互作用，对混凝土重力坝的动力响应进行了模拟，结果表明，计算的爆炸荷载下水中的峰值压力和Cole的经验公式具有较好的一致性，表明全耦合分析模型是正确的；坝基加速度远小于坝体加速度值，在简化计算中忽略由于爆炸冲击荷载引起的基础震动对结构动力响应的影响是可行的；水中爆炸荷载下，坝体水平方向的加速度均大于坝体垂直方向的加速度，水平方向的作用对坝体的动力响应起控制作用。

Zhu Feng等[34]利用LS-DYNA软件对拱形坝水中爆炸响应进行了数值模拟研究。结果表明，水下爆炸冲击波荷载作用下，坝体水平方向的响应大于垂直方向的响应；响应程度与装药点的距离有关，距离装药点越远，响应程度越小。顾文彬等[35]研究了浅层水中爆炸冲击波对混凝土墩斜碰撞作用，得出：(1)单个装药爆炸对混凝土墩作用时，迎爆面以反射超压破坏作用为主，背爆面以绕射作用冲量为主，JHL-3装药在比例距离小于5.3时，迎爆面反射作用因数大于2.7，且随比例距离的增加而减小；(2)两个装药关于混凝土墩对称设置同步起爆时，混凝土迎爆面先后受到直达冲击波、背爆面冲击波的透射波和绕射波作用；装药间隔足够大时，迎爆面首先受前驱波作用；绕射波使迎爆面受到负压拉伸作用；(3)回归得到的迎爆面冲击波反射超压计算半理论半经验公式，在试验比距离范围内具有足够精度；(4)两个装药对称和非对称设置同时爆炸作用时，在两个装药对混凝土墩侧面和顶面的先后作用仍然有显著的破坏叠加效应。

赖鸣等[36]采用LS-DYNA软件对不同加筋强度和不同加筋位置筋板结构的水中接触爆炸进行了数值模拟，定义描述不同加筋强度、位置的强度因子和距离因子，建立不同强度因子的6种加筋模型和不同距离因子的3种加筋模型；通过对水中接触爆炸下典型加筋结构破损过程分析和不同模型纵、横破口长度和破口面积的对比，得到了加筋板在水中接触爆炸下强度因子、距离因子对破口形状和大小的影响规律。

李裕春等[37]利用试验方法研究浅层水中冲击波与混凝土结构的相互作用，探讨混凝土结构受水中冲击波作用的破坏机制。结果表明，浅层水中爆炸冲击波对混凝土结构的作用体现在冲击压缩和拉伸两个方面。由于水介质的流动性和各向同性，混凝土结构受冲击波的围压作用，使混凝土材料处于多向应力状态，多轴应力状态是导致混凝土材料失效和断裂的最根本原因。李万等[38]基于某水下目标的抗水下爆炸实验数据，利用小波变换良好的时频局部化性质对监测的水下目标内部装置冲击加速度信号进行时频特征分析，得到了不同频带上冲击信号振动分量的时间历程曲线和能量分布。结果表明，基于冲击信号小波时频特征分析的频带能量可以同时反映冲击振动的强度、频率和持续时间对目标损伤的影响，同时结合不同频带的时间历程曲线可以获得冲击波和二次压力波在不同频带上分布和衰减的细节信息，由此可确定冲击波和二次压力波对目标毁伤的影响。韦灼彬等[39]采用数值模拟方法研究了港口水下爆炸荷载的冲击特性。研究表明，港口水下爆炸气泡膨胀荷载不可忽略，由比冲量可知，大部分区域气泡膨胀荷载大于冲击波荷载；自由水面对冲击波荷载与气泡膨胀荷载均有较大影响，越接近水面二者比冲量越小，气泡膨胀荷载衰减越快，在水面附近其冲量甚至会小于冲击波荷载。水底对气泡膨胀荷载影响不大，但对冲击波荷载影响较大；受水底反射波影响，冲击波作用时间缩短，导致比冲量迅速减小；水底有淤泥层时，冲击波在泥层与水体交界面反射不显著，水底反射冲击波主要来自淤泥底部与岩石层分界面。

C.F.Hung等[40]对圆筒壳结构水下爆炸的动态响应进行了研究，3种圆筒壳结构分别是未强化、内部强化和外部强化，圆筒壳结构水中爆炸响应试验在爆距35～210cm下进行，冲击波荷载由小药量爆炸产生，爆炸距离小于50cm的试验能够观察到圆筒壳结构的塑性变形，其他条件下的测试用于观察圆筒的线性响应。Mark Riley等[41]采用一种Eulerian计算流体动态程序对刚性结构附近水下爆炸荷载进行了数值计算，将模拟结果与试验测试结果进行了对比。研究表明，二维分析可以获得良好的气泡历程以及相对于试验数据更容易理解的脉冲荷载；气泡塌陷和射流出现的时间与网格关系显著，同时网格的细化并不一定获得好的计算结果，二维计算方法可以更好地理解计算中存在的问题，三维计算可以获得改善的脉冲预测结果，同时对数值计算获得的气泡扩展时程与实际时程进行了对比。

Kenji Murata等[42]研究了水下冲击波和气泡脉冲荷载对模型钢圆筒的作用，结果表明，第一次气泡脉冲荷载对目标的影响要高于冲击波荷载，虽然冲击波荷载峰值要高于第一次气泡脉冲压力，目标变形程度与冲击波脉冲和第一次气泡脉冲呈线性增加关系。Erin Gauch等[43]通过数值模拟对水下爆炸载荷作用下预应力薄复合材料板的响应进行了研究，考虑了直接压应力、非直接压应力、直接拉应力3种平面预应力的影响。通过板中心点曲度、材料破坏和剥落来评估预应力条件的影响，结果表明，水下冲击波荷载作用下，薄复合材料板受预应力的影响最小，板的响应或损伤和剥落量基本保持不变。

Jian Li等[44]对水下爆炸作用下结构的动态响应进行了试验及数值模拟研究，结果表明，人工容积黏性系数对冲击波峰值压力影响显著；冲击波峰值压力、气泡脉动周期以及圆柱的变形位移试验结果和有限元分析结果相似；讨论了圆柱爆炸的长径比和冲击波峰值压力角的影响；测量了不同爆距下的塑性变形量，获得了总的变形曲线。

5水中爆炸测试试验技术研究

水中爆炸测试试验技术可为毁伤机理研究提供科学有效的数据支持和研究手段，其中水中爆炸参数测量的传感器技术影响至关重要。美国NOL实验室、英国NCRE实验室[45]及J.B.Dempesy[46]等在20世纪50年代至70年代对晶体的涂覆材料进行了研究，发现蜡、硅胶、橡胶等会不同程度地影响传感器的线性度及频响，研究发现油封效果最好，可使传感器的性能得到很大改善，也消除了蜡封传感器得出的尺寸效应和峰压平台效应。

ROUND.B.Tussing[47]对电气石传感器的涂覆材料作了系统的研究和阐述，提出采用装满硅油的聚乙烯塑料管进行密封被证明是最稳定、连续的可靠方法。美国PCB公司作为全球最大的传感器生产商之一，生产的138系列水下爆炸冲击波传感器延续了这项研究成果。138系列传感器具有较好的密封性，且具有体积敏感性，对安装方向没有要求，现在已经被众多国家和机构广泛用于水下爆炸压力测试中。目前除了PCB公司138系列外，英国DRA生产的AWETR2-5000、美国NSWC生产的NOL系列及德国MOD生产的WTD-4000也是自由场压力传感器。

GerryRude等[48]用AWETR2-5000G传感器在深度为2m的小型爆炸容器中进行了爆炸测试。虽然得到了完整的压力时程曲线，但水面截断后压力负值达到了近-1MPa，认为是传感器自身原因引起的非正常现象，但没有具体分析。John E.Slater等[49]对上述各种水下爆炸自由场压力传感器进行了测试比较，测试的内容包括热幅射灵敏度、热传导灵敏度、灵敏度压力标定、水下爆炸冲击波参数等；发现John E.SlaterPCB138系列、US/NOL系列和UK/AWETR2-5000G系列测试结果具有较好的重复性和可比性，德国的WTD-4000传感器较其他传感器测量峰值低10%～15%，并且出现共振现象，说明碳阻传感器在自由场压力测试中的局限性。

Kenji Murata和Daiki Hasegawa等[50-51]对PVDF压电薄膜应用于自由场压力测量进行了一系列研究。测得水下爆炸自由场压力波形与使用电气石测得的结果有较好的一致性。国内利用PVDF压电薄膜进行近场压力测量，并取得了一定的成果。池家春等[52]利用在高压范围内能有效工作的锰铜压阻压力计和PVDF压电压力计两种测试系统进行了TNT/RDX炸药球水中爆炸的探索性研究，在10倍药包半径的范围内测量了冲击波峰值压力的衰减规律。赵继波等[53]用PVDF计测量了水中爆炸条件下0.7~3.0倍药包半径范围内的近场压力，在冲击波峰压小于4GPa的情况下，得到了冲击波的压力衰减历程和近场压力剖面曲线。

在高速摄影测试技术方面，Akio Kira[54]利用高速摄影技术，获得了大剂量球形爆炸物水中爆炸时的现象及水下冲击波的传播轨迹，并利用非线性曲线拟合技术和Arbitary Lagrangian-Eulerian方法进行模拟实验，获得了很好的模拟结果。H.G.Snay[55]通过判读水下爆炸高速摄影所获得的气泡产生和脉冲过程图片，对半无限水介质水下爆炸的流体力学进行了深入研究；由于冲击波的传播速度与波头压力存在着兰金-苟果尼欧条件关系，因此可以通过光学方法测量冲击波传播速度来获得冲击波压力值。Bruceton[56]利用照相机进行过压力测量，测量结果和理论计算结果较接近。Menon S[57]、Lee J J[58]、Klaseboer E[59]和Huang C F[60]等人的研究表明：采用小当量装药，在有限水域(如水箱或水池)中进行水下爆炸气泡的实验是可行的，而且，装药方式直接采用凝聚态炸药比采用玻璃球充可燃气体的效果要好，与实际情况更相符。

在水中爆炸实验装置研制方面，伍俊等设计和研制了具有多种功能的水中爆炸大型实验装置[61-62]，运用一维弹性平面波理论，对该实验装置结构设计的主要问题和抗爆隔震性能进行了分析，并采用气泡帷幕消波技术，对降低水中爆炸冲击波防护措施的可行性进行了初步试验和探讨；验证了该水中爆炸实验装置结构设计的合理性和降低水中冲击波防护措施的有效性。

6水中爆炸数值模拟与毁伤评估研究

与试验研究相比，数值计算不仅省时省力，节约高昂的试验费用，而且很容易避免试验研究中由于外界干扰及人为因素的影响而出现意想不到的误差，对于推动水中爆炸作用机理及毁伤效应的研究都至关重要。

A.Abe等[63]采用流体程序ANSYS AUTODYN模拟了水下爆炸及气泡脉冲，结果表明，利用AUTODYN程序可以精确模拟气泡脉冲现象，JWL-Miller模型可以成功给出非理想爆轰的相关现象。陈娟[64]以舰船近场水下爆炸为研究背景，对近场和近边界水下爆炸问题进行了研究。近场和近边界水下爆炸问题涉及流场或结构的极大变形、运动物质交界面、冲击波与边界的相互作用和自由表面等特性，应用传统的基于网格的数值方法对此类问题进行模拟研究可能会由于网格发生严重的畸变而导致计算崩溃。陈卫东等[65]认为水下爆炸数值模拟中大变形、运动物质交界面和多介质耦合等问题，给基于网格的数值算法带来了很大的困难和挑战，并通过对TNT球形炸药一维水下爆炸和TNT炸药二维水下爆炸过程进行了数值模拟，计算了冲击波强度，分析了水下爆炸流场参量的空间分布和变化规律，并分别与AUTODYN、COLE经验公式和SPH方法计算结果进行了比较，结果吻合较好，为工程应用提供了参考。

杨文山等[66]对SPH方法模拟舰船水下爆炸的主要技术问题及其研究现状进行了分析，结果表明，SPH方法作为一种新兴的数值方法，在模拟大变形问题时较网格方法有重大优势，已成功应用于水下爆炸的模拟。S.K.Chan[67]通过改进有限元网络模型，在计算无限水下爆炸的冲击效应时，提高了计算精度，缩短了计算时间；张振华等[68]应用商业有限元程序MSC.DYTRAN数值模拟了球形药包在无限水域中爆炸产生的冲击波，采用合理的计算参数和有限元模型，较好地模拟了水下爆炸冲击波的传播过程，通过调整水的状态方程参数，达到了提升冲击波峰值应力的效果，有效降低了单元数和计算时间。J.R.Britt等[69]运用线性球体波动理论编写了计算水下爆炸冲击波在弹性水底反射变化的BOTREF程序；R.Willianson[70]通过修正CONGRATS程序和TRANSV程序，编写了计算水下爆炸冲击波折射效应和最大移动速度的计算程序；对于半无限水介质水下爆炸情况，主要存在自由水面对冲击波的反射影响，Whitham方法使计算自由水面对水下爆炸冲击波反射影响变得比较简捷。M.Kamegai等[71]采用CALE程序对WIGMAM水下爆炸实验和近自由面水下爆炸现象进行数值模拟，计算结果均与实验结果一致；符松等[72]采用位标函数计算法及NND计算格式对近水面水下爆炸进行数值模拟，比跟踪自由面的方法简洁实用；郑哲敏[73]采用变分法计算浅水中爆炸时水的运动过程，计算结果与实际相符。田跃华等[74]根据实验结果，应用最小二乘法、冲量等效、能量等效方式，得到两种浅水爆炸有效破坏半径的计算公式，柏劲松等[75]采用三阶精度的PPM方法和VOF方法相结合，运用Lagrange-Remapping算法，计算爆轰产物、水、空气多种介质之间的相互作用过程，建立了近水面水下爆炸3种介质相互作用的二维数值计算模型，该方法可以用来处理界面两边高密度比可压缩流动以及强剪切滑移运动等问题。

陈菲等[76]在Fedkiw研究的基础上采用二阶迎风TVD求解欧拉方程得到流场解，采用五阶WENO求解lever set方程追踪多流体界面，采用GFM方法处理流体内界面，在此基础上，对运动激波和气泡串相互作用过程进行了数值模拟，得到了不同时刻运动激波和圆管内的两个气泡作用后的演化图像。计算结果表明，运动激波经过气泡串后，激波强度会不断衰减，说明利用多个低密度气泡会有效降低作用在目标表面的载荷。

吴国民等[77]研究了水中爆炸的数值模拟技术，基于MSC.Dytran软件，通过一维球对称数值模型，模拟了水下爆炸冲击波传递以及第一次气泡脉动过程，其计算结果与经验公式计算结果吻合较好；在此基础上讨论了网格划分方式、网格密度以及计算区域大小对计算结果精度的影响。周章涛等[78]应用AUTODYN 软件对冲击波与水背圆柱壳、气背圆柱壳的相互作用进行了分析，在此基础上对双层圆柱壳内外冲击波场的演化过程进行了数值模拟，分别在内外壳表面附近水域设置了多个测点以记录各点的压力时程曲线，对冲击波场的演化过程及衰减、汇聚现象进行了研究。在水中爆炸毁伤效应评估方面，侯晓峰等[79]为合理确定水中爆炸条件下作用在水中结构上的荷载及其毁伤特性，通过分析比较现有理论及方法，提出了不同工况下的荷载计算方法、水中结构毁伤等级划分标准以及两种毁伤评估工程方法。

李万等[80]针对水下目标抗水下爆炸实验数据，利用小波包良好的时频局部化性质，对被监测水下目标内部装置的冲击加速度信号进行了能量分析，得到了冲击信号的时频分布和不同频带上的能量分布。冲击信号的频带能量分布与目标毁伤的关系密切，选用冲击信号峰值、冲击信号主振频带能量、水下目标内部装置自振频率所在频带能量作为判别因子，建立距离判别模型，对水下目标毁伤情况进行了预测。陆路等[81]用经验公式计算了大当量炸药水下爆炸时作用在坝体上的冲击波压强，用ANSYS 软件模拟了大坝作为弹性体在冲击波作用下的应力和应变场，从计算结果判断坝体在所有高度将可能贯穿性断裂，同时对断裂后坝体运动作了定量估计。张伦平等[82]对某金属材料制成的圆筒形试件进行水下近距爆炸试验，得到水下近距爆炸条件下材料的动态断裂应变，结合能量方法，给出水下近距爆炸时材料的动态屈服强度，并与静态拉伸试验及霍普金森拉杆试验(SHTB)结果对比，比较屈服强度、极限拉伸应变和能量吸收率等参数，进而探讨了SHTB试验所得失效判据在水下爆炸条件下的适用性。R.Rajendran等[83]对水下爆炸作用下高强低合金钢的性能进行了评估，通过增加冲击波强度，开展了直径290mm、厚度4mm圆板和300mm×250mm矩形板的水下爆炸隆起测试，以研究材料的塑性变形和断裂诱因，并利用经验模型来预测板隆起的高度；研究了具有不同装药和爆距的新型测试方法，证明了该方法与模型具有很好的一致性。F.Vanden Abeele等[84]对海底管道水下爆炸的损伤情况进行了有限元分析，通过建立有限元模型来模拟水下爆炸条件下海底管道的瞬时响应，评估海底管道在水下爆炸作用下的行为和安全性，并将数值结果与试验结果进行了对比。

7结语及展望

由以上研究现状可知，水中爆炸经过多年的研究发展，在水中爆炸作用机理、传播规律、气泡脉动、破坏效应、试验技术、数值模拟及毁伤评估等方面都有了很大进展。但由于水中爆炸作用机理和毁伤效应是一个复杂的物理过程，其爆炸冲击波具有压力峰值大、持续时间短等特点，同时又涉及气泡脉动荷载及气泡射流耦合等问题，因而水中爆炸产生的破坏作用比在空气中强烈得多，更容易造成水中结构的破坏，因此，对水中爆炸作用机理及毁伤效应研究还存在如下问题迫切需要解决：

(1)新型非理想炸药水中爆炸能量释放与传播规律研究。

目前，水中爆炸能量释放与传播规律的相关研究主要存在以下问题：炸药水中爆炸试验技术还比较单一，试验的有效性和准确性尚需提高；对水中炸药非理想爆轰的研究还不充分；对炸药能量输出结构与炸药组成及装药结构关系不明确；对炸药和水中兵器战斗部在不同爆炸界面的爆炸效应、水中爆炸冲击波传播和气泡脉动规律不清楚；对传统炸药在水中自由场状态下的能量输出特性研究比较充分，而对不同边界条件下水中爆炸特性研究相对较少[85]。

(2)冲击波/气泡耦合作用对结构毁伤及动态响应研究。

研究冲击波/气泡的相互作用对工程应用具有重要意义。如水中爆炸，尤其是中近场爆炸所产生的冲击波会在结构物、海底以及自由面处发生反射，反射波在其传播历程中会遭遇爆炸气泡，研究反射冲击波与气泡的相互耦合作用有利于分析爆炸产生的两种主要载荷间的耦合作用，进而深入揭示水中爆炸载荷对结构的破坏作用[86]。由于这类耦合作用影响因素复杂、边界条件不确定，目前对该方面深入的研究报道较少，爆炸现象难以观察和测量，并且由于与目标强烈的耦合效应，近场水中爆炸混凝土等非均质材料结构动态响应的试验，以及精细化数值模拟研究也较少。因而加强近场水中爆炸混凝土结构动态响应研究很有必要，可为水中爆炸毁伤机理研究提供有效的分析工具。

(3)水中爆炸结构毁伤评估方法研究。

水中爆炸毁伤研究不仅在军事上十分重要，而且对民用工业也很有意义，因而必须充分了解水中爆炸毁伤现象及机理。目前还没有建立科学、统一的水中爆炸毁伤评估验证试验方法和评估标准，长期以来缺少炸药水中爆炸、武器战斗部水中爆炸威力和水中目标毁伤效果的试验方法及其评估标准，严重影响了水中爆炸毁伤评估研究。需要加强研究的关键问题包括：水中爆炸毁伤作用及水中爆炸荷载的能量输出规律研究；目标对于炸药水中爆炸近场能量输出结构荷载分布和动态响应过程的影响研究；水中爆炸对目标毁伤判据的确定等。

(4)水中爆炸多尺度数值模拟技术研究。

水中爆炸试验研究消耗巨大，而爆炸试验也会对人员及周围环境产生很大危险，考虑到水中爆炸的复杂性，水中爆炸试验研究的准确性和效率也有待提高，开发精确高效的水中爆炸研究方法成为水中爆炸研究面临的问题之一。从当前我国水中爆炸数值模拟的研究现状来看，主要存在以下几个问题：缺乏自行开发的、成熟有效的大型水中爆炸数值模拟软件以及多尺度混合单元高效算法，材料本构模型及状态方程的构建还不完善，主要涉及桩基混凝土材料损伤模型、新型炸药燃烧模型及能量输出特性；水中爆炸边界效应的处理方法等还需深入研究。

总之，水中爆炸作用机理及毁伤效应研究涉及学科领域面广，需要解决的关键技术问题较多。长期以来，由于研究重点的不同，水中爆炸研究重点多以舰船安全防护为主，而针对水中工程结构毁伤机理与效应评估的问题研究还相对较少。因此，进一步加强水中爆炸作用机理及结构破坏效应研究，对于拓展研究思路，创新水中结构防护措施和方法，提高水中结构的保障能力及工程应用水平具有重要意义。

参考文献：

[1]Pusey H C. Technical information support for survivability[J]. The Shock and Vibration Bulletin, 1983, 53(3):21-31.

[2]Zong Z, Lan K Y. Dynamic plastic response of a submarine oil pipeline to an underwater explosion bubble[J].Journal of Applied Mechanics, 2000,67(4):758-762.

[3]Zong Z. Dynamic plastic response of a submerged free-free beam to underwater gas bubble[J]. Acta Mechanica, 2003,161(3):179-194.

[4]Zong Z, Lam K Y. The flexural response of a submarine pipeline to an underwater explosion bubble[J]. Journal of Offshore Mechanics and Engineering, 2000,122(3):194-199.

[5]库尔 P.水中爆炸[M].罗耀杰，等译.北京：国防工业出版社，1960.

Cole P. Underwater explosion [M]. LUO Yaojie, et al. Translate. Beijing: Publish of National Defense, 1960.

[6]金辉，蒋国岩.某爆炸试验场论证报告[R].大连：中国人民解放军91439部队，2008.

JIN Hui, JIANG Guo-yan. Demonstration reports of certain explosion testing field [R]. Dalian: Army 91439 of PLA, 2008.

[7]张庆明，金辉. 某爆炸国防重点实验室论证报告[R].北京：北京理工大学，2008.

ZHANG Qing-ming, JIN hui. Demonstration reports of certain major defense laboratory[R]. Beijing: Beijing Institute of Technology, 2008

[8]张志江，徐更光.高能炸药水中爆炸能量输出特性数值分析[J].含能材料，2008,16(2)：171-174.

ZHANG Zhi-jiang, XU Geng-guang. Numerical analysis on energy output of underwater explosion for high energetic explosive [J]. Chinese Journal of Energetic Materials, 2008,16(2)：171-174.

[9]牛国涛，封雪松，曹少庭，等.含纳米铝炸药水下爆炸试验研究[J].火工品，2013 (4):49-52.

NIU Guo-tao, FENG Xue-song, CAO Shao-ting, et al. Underwater explosion test on aluminized explosive nano-aluminum [J]. Initiators and Pyrotechnics, 2013 (4):49-52.

[10]史锐，徐更光，刘德润，等.炸药爆炸能量的水中测试与分析[J].火炸药学报，2008,31(4)：1-5.

SHI Rui, XU Geng-guang, LIU De-run, et al. Underwater test and analysis for explosion energy of explosives[J]. Chinese Journal of Explosives and Propellants, 2008,31(4)：1-5.

[11]冯晓军，韦国平，徐洪涛，等.Al/AP对RDX基复合炸药水中爆炸参数的影响[J].火炸药学报，2012,35(4)：10-15.

FENG Xiao-jun, WEI Guo-ping, XU Hong-tao, et al. Influence of Al/AP on the underwater explosion parameters of RDX-based composite explosives [J]. Chinese Journal of Explosives and Propellants, 2012,35(4)：10-15.

[12]宋浦，肖川，梁安定，等.不同起爆方式对TNT水中爆炸作用的影响[J].火炸药学报，2008,31(2)：75-78.

SONG Pu, XIAO Chuan, LIANG An-ding, et al. Effect of different initiating modes on TNT underwater explosion [J]. Chinese Journal of Explosives and Propellants, 2008,31(2)：75-78.

[13]周霖，徐少辉，徐更光.炸药水下爆炸能量输出特性研究[J].兵工学报，2006,27(2)：235-238.

ZHOU Lin, XU Shao-hui, XU Geng-guang. Research on energy output characteristics for underwater explosion of explosives [J]. Acta Armamentarii, 2006,27(2)：235-238.

[14]闫伟杰，郭小溪.炸药水中爆炸能量特性的试验及仿真[J].水面兵器，2010,19(1)：43-47.

YAN Wei-jie, GUO Xiao-xi. Experiment and simulation on characteristic of underwater explosion energy of explosive[J]. Surface Weapons, 2010,19(1)：43-47.

[15]赵根，季荣，郑晓宁，等.乳化炸药水中爆炸冲击波传播规律试验研究[J].爆破，2011,28(2)：1-4.

ZHAO Gen, JI Rong, ZHENG Xiao-ning, et al. Experimental investigation on propagation rule of shock wave by emulsion explosives underwater blasting[J]. Blasting, 2011,28(2)：1-4.

[16]李金河，赵继波，谭多望，等. 炸药水中爆炸的冲击波性能[J].爆炸与冲击，2009,29(2)：172-176.

LI Jin-he, ZHAO Ji-bo, TAN Duo-wang, et al. Underwater shock wave performances of explosives [J]. Explosion and Shock Waves, 2009,29(2)：172-176.

[17]刘志.水下爆炸冲击波的传播特性试验研究[D]. 重庆：西南交通大学，2007.

LIU Zhi. Research on transmission property of shock wave test underwater explosion [D]. Chongqing:Southwest Jiaotong University, 2007.

[18]杨莉，汪玉，汪斌，等.沉底装药水中爆炸现象的实验研究[J].爆炸与冲击，2013,33(2)：175-180.

YANG Li, WANG Yu, WANG Bin, et al. Experimental investigation on loading characteristics of underwater explosion from a bottom charge [J]. Explosion and Shock Waves, 2013,33(2)：175-180.

[19]项大林，荣吉利，李健，等.金属壳体装药水下爆炸的冲击波特性[J].爆炸与冲击，2012,32(1)：67-72.

XIANG Da-lin, RONG Ji-li, LI Jian, et al. Shock wave features of underwater explosion of explosives with metal shell [J]. Explosion and Shock Waves, 2012,32(1)：67-72.

[20]盛振新，刘荣忠，郭锐.水下爆炸冲击波相互作用的仿真分析[J].火工品，2012(3):25-29.

SHENG Zhen-xin, LIU Rong-zhong, GUO Rui. Study on the shock wave interaction of underwater explosions[J]. Initiators and Pyrotechnics, 2012(3):25-29.

[21]师华强，宗智，贾敬蓓.水下爆炸冲击波的近场特性[J].爆炸与冲击，2009,29(2)：125-130.

SHI Hua-qiang, ZONG Zhi, JIA Jing-bei. Short-range characters of underwater blast waves[J]. Explosion and Shock Waves, 2009,29(2)：125-130.

[22]黄超，汪斌，姚熊亮，等.实验室尺度水下爆炸气泡实验方法[J].传感器与微系统，2011,30(12)：75-78.

HUANG Chao, WANG Bin, YAO Xiong-liang, et al. Laboratory-scale underwater explosion bubble experiment method[J]. Transducer and Microsystem Technologies, 2011,30(12)：75-78.

[23]汪斌，张远平，王彦平.水中爆炸气泡脉动现象的实验研究[J].爆炸与冲击，2008,28(6)：272-276.

WANG Bin, ZHANG Yuan-ping, WANG Yan-ping. Experimental study on bubble oscillation formed during underwater explosions [J]. Explosion and Shock Waves, 2008,28(6)：272-276.

[24]张阿漫，姚熊亮，闻雪友.自由场水中爆炸气泡的物理特性[J].爆炸与冲击，2008,28(5)：391-400.

ZHANG A-man, YAO Xiong-liang, WEN Xue-you. Physical behaviors of an underwater explosion bubble in a free field[J]. Explosion and Shock Waves, 2008,28(5)：391-400.

[25]Zhang A M ,Yao A L,Yu X B.The dynamics of three-dimensional underwater explosion bubble[J].Journal of Sound and Vibration, 2008,311:1196-1212.

[26]黄超，汪斌，刘仓理，等.柱形装药水中爆炸气泡的形态演变[J].高压物理学报，2011,25(3)：235-241.

HUANG Chao, WANG Bin, LIU Cang-li, et al. On the shape evolution of underwater explosion bubble by cylindrical charges[J]. Chinese Journal of High Press Physics, 2011,25(3)：235-241.

[27]赵生伟，周刚，王占江，等.小当量水中爆炸气泡的脉动现象[J].爆炸与冲击，2009,29(2)：213-216.

ZHAO Sheng-wei, ZHOU Gang, WANG Zhan-jiang, et al. Bubble pulses of small-scale underwater explosion[J]. Explosion and Shock Waves, 2009,29(2)：213-216.

[28]金辉，周华，沈晓乐，等.炸药水下爆炸气泡运动特性研究[C]∥第十一届全国冲击动力学学术会议论文集. 北京：中国力学学会，2011.

JIN Hui, ZHOU Hua, SHEN Xiao-le, et al. Research on the dynamics of bubble induced by underwater explosions [C]∥The Eleventh National Shock Dynamics Academic Symposium. Beijing: Chinese Society of Theoretical and Applied Mechanics, 2011.

[29]金辉，李兵，权琳，等.不同边界条件下炸药水中爆炸的能量输出结构[J].爆炸与冲击，2013,33(3)：325-329.

JIN Hui, LI Bing, QUAN Lin, et al. Configuration of explosive energy output in different underwater boundary conditions[J]. Explosion and Shock Waves, 2013,33(3)：325-329.

[30]黄毅，张弩.水下爆炸气泡脉动荷载影响因素分析[J].中国舰船研究，2013,8(6)：33-39.

HUANG Yi, ZHANG Nu. Analysis of the impact parameters of the bubble pulsation load in underwater explosion[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2013,8(6)：33-39.

[31]顾文彬，叶序双，王自力.水中爆炸冲击波作用下混凝土墩动态响应初步分析[J].爆炸与冲击，1999,19(1)：72-77.

GU Wen-bin, YE Xu-shuang, WANG Zi-li. Dynamic response analysis of concrete body for underwater shock waves[J]. Explosion and Shock Wave, 1999,19(1)：72-77.

[32]贾宪振，胡毅亭，董明荣，等. 深水环境中水下爆炸冲击波作用下圆柱壳动态响应的数值模拟研究[J].振动与冲击，2008(5)：165-170.

JIA Xian-zhen, HU Yi-ting, DONG Ming-rong, et al. Numerical simulation of dynamic response of cylindrical shell under the effect of explosion wave in deep water condition[J]. Journal of Vibration and Shock,2008(5)：165-170.

[33]徐俊祥，刘西拉.水中爆炸冲击下混凝土坝动力响应的全耦合分析[J].上海交通大学学报，2008,42(6)：1001-1004.

XU Jun-xiang, LIU Xi-la. Full coupled simulation of concrete dams subjected to underwater explosion[J].Journal of Shanghai JiaoTong University, 2008,42(6)：1001-1004.

[34]ZHU Feng,ZHU Wei-hua, ZHU Xiao-xi, et al. Numerical simulation of arch dam withstand underwater explosion[C]∥ 2012 International Conference on Modeling, Identification and Control.Wuhan:[s.n.],2012:24-26.

[35]顾文彬，郑向平，刘建青，等.浅层水中爆炸冲击波对混凝土墩斜碰撞作用试验研究[J].爆炸与冲击，2006,26(4)：361-366.

GU Wen-bin, ZHENG Xiang-ping, LIU Jian-qing, et al. Experimental investigation of the oblique collision effects of explosion shock wave on concrete frustum in shallow water[J]. Explosion and Shock Wave, 2006,26(4)：361-366.

[36]赖鸣，冯顺山，黄广炎，等.不同加筋结构在水中接触爆炸下的破坏规律[J].爆炸与冲击，2012,32(6)：599-604.

LAI Ming, FENG Shun-shan, HUANG Guang-yan, et al. Damage of different reinforced structure subjected to underwater contact explosion[J]. Explosion and Shock Wave, 2012,32(6)：599-604.

[37]李裕春，程克明，沈蔚，等.水中冲击波对混凝土结构破坏的实验研究[J].材料工程，2008(12): 19-23.

LI Yu-chun, CHENG Ke-ming, SHEN Wei, et al. Damage analysis of concrete structure by underwater shock[J]. Material Engineer, 2008(12): 19-23.

[38]李万，张志华，周峰，等.水下目标在水下爆炸作用下冲击响应的时频特征[J].爆炸与冲击，2012,32(3)：309-315.

LI Wan, ZHANG Zhi-hua, ZHOU Feng, et al. Time-frequency characteristics of shock responses of underwater target to underwater explosion[J]. Explosion and Shock Wave, 2012,32(3)：309-315.

[39]韦灼彬，唐廷，王立军.港口水下爆炸荷载冲击特性研究[J].振动与冲击，2014,33(6)：18-25.

WEI Zhuo-bin, TANG Ting, WANG Li-jun. Shock characteristics of underwater explosion in port[J]. Journal of Vibration and Shock, 2014,33(6)：18-25.

[40]Hung C F, Lin B J, Hwang-Fuu J J, et al.Dynamic response of cylindrical shell structures subjected to underwater explosion[J].Ocean Engineering, 2009,36:564-577.

[41]Ma R, Ma S, van Aanhold J E, et al. Loading on a rigid target form close proximity underwater explosions[J].Shock and Vibration, 2012,19:555-571.

[42]Murata K,Takahashi K,Kato Y. Underwater shock and bubble pulse loading against model steel cylinder[J]. Materials Science Forum, 2004,465:283-288.

[43]Gauch E,Leblanc J,Shukla A. Response of thin composite panels subjected to underwater explosion loading[J]. Computers and Structures,2012(112/113): 342-353.

[44]Li Jian,Rong Ji-li. Experimental and numerical investigation of the dynamic response of structure subjected to underwater explosion[J].European Journal of Mechanics B/Fluids, 2012,32:59-69.

[45]Swift E, Slifko J J P. Recent work on measurement explosion pressures[J]. Ncltr, 1968,7:1-24.

[46]Dempesy J B,Price R S.Reduction of scatter in underwater shock wave measurements made with piezoelectric gages, AD 739319[R]. Springfield: NTIS,1972.

[47]Tussing R B. Accuracy and response of tourmaline gages for measurement of underwater explosion phenomena, ADA128734[R]. Springfield: NTIS, 1982: 1-41.

[48]Rude G, Slate J E. Small-scale tank facility for studying underwater explosion phenomena[C]∥69th Shock and Vibration Symposium.Arvonia:HI-TEST Laboratories, 1998,10:663-673.

[49]Slate J E, Rude G. Underwater pressure gauge comparison test study[C]∥ 69th Shock and Vibration Symposium.Arvonia:HI-TEST Laboratories, 1998,10:1-16.

[50]Murata K, Takahashi K, Kato Y. Precise measurement of underwater explosion phenomena by pressure sensor using fluoropolymer [J]. Journal of Materials Processing Technology, 1999,85:39-42.

[51]Hasegawa D, Inoue H, Murata K. Impulsive ultrasonic measurement for underwater shockwave detection[J]. Japanese Journal of Applied Physics, 2005,44(6B): 4694-4695.

[52]池家春，马冰. TNT/RDX(40/60)炸药球水中爆炸波研究[J].高压物理学报，1999,13(3)：199-204.

CHI Jia-chun, MA Bing. Study on blast wave of underwater explosion of TNT/RDX(40/60)explosives[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 1999,13(3)：199-204.

[53]赵继波，谭多望，张远平，等.PVDF计在水中爆炸近场压力测试中的应用[J].火炸药学报，2009,32(3)：1-4.

ZHAO Ji-bo, TAN Duo-wang, ZHANG Yuan-ping, et al. Application of PVDF quantifier in the test of near field of underwater explosion[J]. Chinese Journal of Explosives and Propellants, 2009,32(3)：1-4.

[54]Akio Kira.Underwater explosion of spherical explosive[J]. Journal of Materials Processing Technology, 1999,85:64-68.

[55]Snay H G. Hydrodynamics of underwater explosion[C]∥ Symposium Naval Hydrodyn1st. Washington D.C: [s.n.], 1965.

[56]GASPIN J B. Depth scaling of underwater explosion phenomena, AD-A020473[R]. Springfield: NTIS, 1975.

[57]Menon S, Lal M. On the dynamics and instability of bubbles formed during underwater explosions[J]. Experimental Thermal and Fluid Science,1998,16: 305-321.

[58]Lee J J，Gregson J，Rude G， et al． Underwater shock and bubble interactions from twin explosive charges[C]∥26th International Symposium on Shock Waves. Man chester: Europeam Office of Aerospace Researchand Development,2009: 1549-1554.

[59]Klaseboer E，Hung K C，Wang C， et al． Experimental and numerical investigation of the dynamics of an underwater explosion bubble near a resilient /rigid structure[J]．Journal of Fluid Mech, 2005，537:387-413.

[60]Huang C F，Hwangfu J J． Experimental study of the behaviors of mini-charge underwater explosion bubbles near different boundaries[J]．Fluid Mech, 2010，605: 1-26.

[61]伍俊，庄铁栓，闫鹏，等.多功能水中爆炸实验装置抗爆性能分析与试验研究[J].防护工程，2013,35(4)：11-16.

WU Jun, ZHUANG Tie-shuan, YAN Peng, et al. Development of a large-sized experiment device for water explosion[J]. Protective Engineering, 2013,35(4)：11-16.

[62]伍俊，庄铁栓，闫鹏，等.水中爆炸实验装置结构设计与防护研究[J].振动与冲击，2013,32(11)：131-136.

WU Jun, ZHUANG Tie-shuan, YAN Peng, et al. Structure design and protection investigation of experiment device for water explosion[J]. Journal of Vibration and Shock, 2013,32(11)：131-136.

[63]Abe,Katayama,M. Murata,K. et al. Numerical study of underwater explosions and following bubble pulses[C]∥15th Topical Conference on Shock Compression of Condensed Matter.Hawaii: [s.n.], 2007.

[64]陈娟.水下爆炸冲击载荷的SPH算法研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2010.

CHEN Juan. Study on the SPH algorithm of shock load of underwater explosion[D]. Harbin:Harbin Engineering University,2010.

[65]陈卫东，杨文淼，张帆.基于物质点法的水下爆炸冲击波数值模拟[J].高压物理学报，2013,27(6)：813-820.

CHEN Wei-dong, YANG Wen-miao, ZHANG Fan. Material point method for numerical simulation of underwater explosion blast wave[J]. Journal of High Press Physics, 2013,27(6)：813-820.

[66]杨文山，孟晓宇，王祖华.SPH方法模拟水下爆炸研究进展[J].舰船科学技术，2012,34(12)：3-7.

YANG Wen-shan ,MENG Xiao-yu, WANG Zu-hua. Review of applied researches in warship underwater explosion[J]. Ship Science and Technology, 2012,34(12)：3-7.

[67]Chan S K. An improvement in the modified finite element procedure for underwater shock analysis[C]∥Proceeding of 62nd Shock and Vibration Symposium.Arvonia:HI-TEST Laboratories,1992.

[68]张振华，朱锡，白雪飞.水下爆炸冲击波的数值模拟研究[J].爆炸与冲击，2004,24(2):182-188.

ZHANG Zhen-hua, ZHU Xi, BAI Xue-fei. Numerical simulation study on underwater shock waves, Explosion and Shock Wave[J]. 2004,24(2):182-188.

[69]Britt J R. Bottom reflection of underwater explosion shock waves： computer program, AD-A204130[R].Springfield:NTIS,1971.

[70]Williamson R. Prediction techniques for refraction of underwater explosion shock waves: programs for computing refraction effects and peak transnational velocity, AD-A003435[R]. Springfield:NTIS, 1974.

[71]Kamegai M. A study of near surface and underwater explosions by computer simulations, UCRL-ID-116360[R].Springfield:NTIS,1994.

[72]符松，王智平，张兆顺，等.近水面水下爆炸的数值研究[J].力学学报，1995,27(3):267-276.

FU Song, WANG Zhi-ping, ZHANG Zhao-shun, et al. Numerical simulation on underwater explosion near free surface[J]. Chinese Journal of Mechanics, 1995,27(3):267-276.

[73]郑哲敏，杨振声，金镠.爆炸处理水下海淤软基[C]∥工程爆破文集.北京：冶金工业出版社,1993.

ZHENG Zhe-min, YANG Zhen-sheng, JIN Liu. Cured silt-bottomed soft base by explosion[C]∥ Symposium of Engineering Blast. Beijing: Metallurgical Industry press, 1993.

[74]田跃华，张志才.浅水爆炸对破坏半径的影响[J].火炸药学报，2002(2)：28-60.

TIAN Yue-hua, ZHANG Zhi-cai. Influence of underwater explosion in shallow water to damage radius[J]. Chinese Journal of Explosives and Propellants, 2002(2)：28-60.

[75]柏劲松，陈森华，李平，等.水下爆炸过程的高精度数值计算[J].应用力学学报，2003,20(1)：103-106.

BAI Jin-song, CHEN Sen-hua, LI Ping, et al. High-accuracy numerical simulation of underwater explosion process[J]. Chinese Journal of Applied Mechanics, 2003,20(1)：103-106.

[76]陈菲，张梦萍，徐胜利.运动激波和气泡串相互作用的初步数值模拟[J].计算物理，2004,21(5)：443-448.

CHEN Fei, ZHANG Meng-ping, XU Sheng-li. Numerical studies of moving shock interacting with bubble string[J].Chinese Journal of Computation Physics, 2004,21(5)：443-448.

[77]吴国民，周心桃，肖汉林，等.水中爆炸数值仿真[J].舰船科学技术，2012,34(9)：20-26.

WU Guo-min, ZHOU Xin-tao, XIAO Han-lin, et al. Numerical simulation of underwater explosion[J]. Ship Science and Technology, 2012,34(9)：20-26.

[78]周章涛，张伦平，何斌，等.水下爆炸冲击波在圆柱壳内外水域传播的数值模拟[C]∥全国冲击动力学学术会议.北京：中国力学学会，2006.

ZHOU Zhang-tao, XU Lun-ping, HE Bin, et al. Numerical simulation of the near water area of cylindrical shell ship under the effect of underwater shock wave[C]∥ Symposium of Underwater Explosion. Beijing: Chinese Society of Theoretical and Applied Mechanics, 2006.

[79]侯晓峰，王全胜，钱展芃，等.水中爆炸条件下结构毁伤评估方法研究[J].防护工程，2014,36(1)：40-45.

HOU Xiao-feng, WANG Quan-sheng, QIAN Zhan-peng, et al. Study on the damage assessment methods of structure subjected to underwater explosion[J]. Protective Engineering, 2014,36(1)：40-45.

[80]李万，张志华，陈沧海，等.水下爆炸毁伤水下目标的能量分布特征[J].高压物理学报，2012,26(5)：537-544.

LI Wan, ZHANG Zhi-hua ,CHEN Cang-hai, et al. Features of energy distribution of underwater target by underwater explosion[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2012,26(5)：537-544.

[81]陆路，李昕，周晶.水下爆炸引起的混凝土坝危险性估计[J].水资源与水工程学报，2010,21(5)：6-9.

LU Lu, LI Xin, ZHOU Jing. Risk analysis of high concrete dam result from underwater explosion[J]. Journal of Water Resources and Water Engineering, 2010,21(5)：6-9.

[82]张伦平，严波，潘建强，等.水下爆炸作用下金属材料动态失效判据[J].噪声与振动控制，2012(6): 54-57.

ZHANG Lun-ping, YAN Bo, PAN Jian-qiang, et al. Dynamic invalidation criterion of metallic material during underwater explosion[J]. Nose and Shock Control, 2012(6): 54-57.

[83]Rajendran R, Narasimhan K. Performance evaluation of HSLA steel subjected to underwater explosion[J].Journal of Materials Engineering and Performance, 2001,10(1):66-74.

[84]Van den A F, Verleysen P. Finite element analysis of subsea pipelines subjected to underwater explosion[C]∥ Proceedings of the ASME 2013,32nd International Conference on Ocean. France: Offshore and Arctic Engineering,2013.

[85]金辉，张庆明，高春生，等．不同边界条件水下爆炸气泡脉动对比的实验研究[J]．兵工学报，2009，30(2)：213-218.

JIN Hui, ZHANG Qing-ming, GAO Chun-sheng, et al. Contrast test of explosion bubble pulsation in different underwater boundary condition[J]. Acta Armamentarii, 2009，30(2)：213-218.

[86]姚熊亮，汪玉，张阿漫.水下爆炸气泡动力学[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2011.

YAO Xiong-liang, WANG Yu, ZHANG A-man. Dynamics of underwater explosion bubbles[M]. Harbin: Publish of Harbin Engineering University,2011.

A Review of Research on Action Mechanism and Damage Effect of Underwater Explosion

WU Jun1, YANG Yi1, ZHUANG Tie-shuan1,2

(1.The Third Engineer Scientific Research Institute of the Headquarters of the General Staff, Luoyang Henan 471023, China； 2. State Key Laboratory of Disaster Prevention and Mitigation of Explosion and Impact,PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China)

Abstract:To further reveal the action mechanism and damage effect characteristics of underwater explosion, the progresses of study on the action mechanism and damage effect of underwater explosion were systematically reviewed from six aspects as mechanism, shock wave propagation, bubble pulsation, damage effect and dynamic response of structure, test technology and numerical simulation and damage assessment for underwater explosion of different explosives. Some key technical problems which should be investigated or solved in future including energy release and diffusion of the underwater explosion of non-ideal explosive, damage of coupling action of shock wave and air bubble to structure and damage assessment methods for underwater explosion, multi-scale simulation technology for underwater explosion were proposed with 86 references.

Keywords:underwater explosion; action mechanism; damage effect; bubble pulsation; non-ideal explosive; demage assessment; review

中图分类号：TJ55; TD235.2+1

文献标志码：A

文章编号：1007-7812(2016)01-0001-13

作者简介:伍俊(1963-)，男，高级工程师，从事防灾减灾及防护工程技术研究。E-mail: wujun61489@sina.com

基金项目:国家自然科学基金资助(51578543)

收稿日期:2015-11-09；修回日期:2015-11-22

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2016.01.001