第一部分　概述
　　第1章　水下爆炸现象和结构毁伤效应
　　水下爆炸指的是在水中很小区域内大量能量（爆源）突然释放的过程[1;2]。其实质是水下含能固体（如炸药）或者液体（如液化天然气）在极短的时间内变为高温高压气体的过程。
　　实现水下爆炸*简单的方法就是在水下引爆高能炸药（如三硝基甲苯炸药，简称TNT炸药）。2010年3月26日，韩国海军导弹护卫舰“天安号”在黄海白翎岛西南方附近海域因遭受鱼雷袭击，发生水下爆炸事故而沉没。根据韩国地质资源研究院的分析报告，该次水下爆炸威力相当于260kgTNT炸药[3]。水下爆炸也可以自然发生。甲烷在-182.5℃下呈固态（可燃冰），许多海域的海底存储有大量的固体甲烷晶体。甲烷的沸点是-161.5℃，一旦遇到常温的水，甲烷晶体就会瞬间气化，形成高压气体。2010年4月20日晚位于墨西哥湾的“深水地平线”钻井平台起火爆炸，造成7人重伤、至少11人失踪。事故的原因是深海钻井平台作业时在海底碰到甲烷晶体，接触海水的甲烷晶体瞬间变成甲烷气泡。这些甲烷气泡从钻杆底部高压处上升到低压处，突破数处安全屏障，涌向一处有易燃物的房间，并在那里发生第一起爆炸，随后发生一系列爆炸，点燃了冒上来的原油，造成美国历史上*严重的生态灾难[4]。
　　1.1　水下爆炸的物理现象
　　在一定深度下实施的水中爆炸与周围的水介质相互作用（图1.1（a）），主要可以分为：①炸药的爆轰波阶段，此时化学反应将固体炸药转化为高温高压气体，爆轰波压力峰值高达109Pa，持续时间微秒级，见图1.1（b）。②冲击波阶段，当爆轰波从爆心传播到炸药和水介质交界面后（图1.1（c）），周围流体速度迅速增大，并产生巨大的惯性载荷，在水中形成冲击波向外传播，见图1.1（d），此时压力峰值大约109Pa，持续时间毫秒级；冲击波在自由水面和结构的作用下还可能产生空化，造成二次加载。③气泡脉动阶段，冲击波后面的高温高压气体形成的气泡，产生脉动和上浮（迁移），见图1.1（e）、（f），这一阶段的明显特征是达到的压力峰值较冲击波的压力峰值低，但持续时间长，约为几百毫秒。
　　下面详细介绍冲击波、气泡，对爆轰波不做介绍，有兴趣的读者可参阅Cole的经典著作[1]。
　　图1.1　水中爆炸过程示意图
　　1.1.1　冲击波
　　水下爆炸把含能固体或者液体迅速转化成高温高压气体。如果是化学反应，气泡内的温度可高达3000℃，压力高达50000atm。图1.1（c）所示的是爆轰波撞击药包的*外层。由于爆轰波初始压力非常大，爆轰产物（气体）就会突然膨胀，压缩药包周围的水介质，在水中产生冲击波。冲击波由两部分构成：波前和波尾。波前是一个压力间断面，压力突然升起；波尾变化复杂，刚开始时，波尾中压力近似为指数衰减，在后半部，压力尽管衰减较慢，但是已经变得不重要了。冲击波在水中的传播速度快于后续的气泡膨胀速度，离开药包后基本上沿径向向外传播。除了在爆炸点附近，冲击波基本上可以用一个声学球形波来近似，亦即随着波的传播，压力峰值的衰减比声学衰减（和距离的倒数成正比）稍微快一些，冲击波传播的速度（大约1500m/s）比水中声波稍微快一些。图1.2拍摄的是3gTNT炸药在水中产生的冲击波图像，图中可以清晰地看到冲击波[5]。
　　图1.2　3gTNT炸药在水中爆炸时拍摄的冲击波[5]
　　1.1.2　气泡脉动和迁移
　　在形成初始冲击波的同时，爆炸气体产物开始膨胀，以气泡的形式推动周围的水运动。气泡的压力随着膨胀而不断减小，当降到周围环境压力时，气泡由于惯性继续膨胀，一直到*大半径。这时，气泡内的压力*小，且低于周围环境压力。周围的水开始反向运动，压缩气泡，使气泡不断收缩至*小；此时气泡内部压力又高于周围环境压力，气泡开始再次膨胀，产生第二个向外传播的波。一旦气泡再次膨胀到*大半径又开始收缩。相同的膨胀收缩过程可以重复很多次。这个过程通常称为气泡脉动过程。在气泡脉动过程中，由于浮力作用，气泡逐渐上升（迁移）。气泡膨胀时，阻力大，上升缓慢；而气泡压缩时，阻力小，上升较快。图1.3所示的是4.5gPETN炸药（太恩炸药或季戊四醇四硝酸酯炸药）爆炸产生的气泡脉动和迁移过程[6]。
　　图1.3　气泡脉动和迁移过程图像（4.5gPETN炸药）[6]
　　爆炸产物在水中的膨胀过程仍然近似为球形。气泡在开始膨胀阶段体积变化较快；而当气泡快膨胀到*大时，气泡表面径向速度较低且持续时间较长；当气泡收缩到*小时，可以从图像上很清晰地看到气泡底部的爆炸产物随着气泡表面的收缩而迅速卷入气泡内部的过程[6]。
　　图1.4（a）形象地描述了压力变化过程和气泡脉动迁移过程[1，2]。第一次气泡脉动后，气泡内的剩余能量只有初始能量的7％左右，因此一般在研究气泡脉动对舰船的毁伤效应时只关注第一次气泡脉动。冲击波和气泡在传播过程中携带不同的能量，冲击波大约占53％的能量，而气泡占47％。在传播过程中，冲击波损失约20％的能量；而气泡第一次膨胀、收缩过程损失约13％的能量，有17％的能量会在气泡被压到*小时散失，剩下的用于产生第二次的压力波。图1.4（b）给出一个具体实例：在自由水面下15m处，135kgTNT炸药爆炸时，距爆炸中心18m处观测点的压力时间曲线[1]。冲击波压力峰值是气泡压力峰值的22倍，持续时间只有几毫秒。气泡脉动载荷持续的时间约为100ms。
　　图1.4　压力变化过程和气泡脉动迁移过程[7]（a）及135kgTNT炸药距爆炸中心18m处观测点的压力时间曲线（b）[1，2]
　　图1.5解释了典型水下爆炸的主要边界[2]，其中横坐标是径向位移，纵坐标是时间。图中阴影OO′M表示的是炸药。起爆发生在炸药原点O。爆轰波以常速度沿OO′在炸药中传播；同时在爆轰波的后面，边界OA′把高压区和低压区区别开来。当爆轰波到达炸药外壳O′点后，一部分爆轰波继续向周围水介质传播，形成水中冲击波O′D，另外一部分被水{气界面反射，形成向内的稀疏波O′A′。反应物气体和周围介质水的交界面则沿着O′C以较慢的速度膨胀，这就是气泡。气泡在膨胀过程中，向内同样会形成稀疏波O′B。但是，我们通常不考虑这个波，而简单地把气泡内气体当成是均匀分布的。

目录
序言
前言
第一部分　概述
第1章　水下爆炸现象和结构毁伤效应 3
1.1　水下爆炸的物理现象 3
1.1.1　冲击波 4
1.1.2　气泡脉动和迁移 5
1.2　气泡毁伤 7
1.2.1　排水量和炸药的关系 7
1.2.2　空中打击与水下打击 8
1.2.3　接触爆炸转向非接触爆炸毁伤模式 10
1.2.4　气泡毁伤模式 13
1.3　研究简述 14
1.3.1　气泡动力学 14
1.3.2　气泡载荷作用下船体梁的总体响应 15
1.3.3　气泡作用下三维结构的动态响应 15
1.4　本书的主要内容.16
第二部分：球形气泡毁伤
第2章　球形气泡动力学 19
2.1 球形气泡动力学理论 19
2.1.1　基本假设 19
2.1.2　简单球形气泡模型 19
2.1.3　气泡在重力作用下的运动.22
2.1.4　自由表面效应 24
2.1.5　气泡阻力 25
2.1.6　球形气泡数值求解方法.26
2.2　气泡的数值计算与验证 28
2.2.1　气泡迁移效应和自由表面效应对气泡特性的影响.28
2.2.2　气泡的运动特征分析 .34
2.2.3　气泡周期与*大半径的验证 35
2.3　本章小结 36
附录A　另一种简单球形气泡模型 37
第3章　球形气泡载荷作用下船体的刚体和弹性响应　39
3.1　船体梁总体响应理论　39
3.2　算例分析1：A船　45
3.2.1　实船模型介绍45
3.2.2　船体梁的位移和弯矩时程响应特征　47
3.2.3　气泡载荷引起的船体梁的共振响应　50
3.3　算例分析2：B船　56
3.3.1　实船模型介绍　56
3.3.2　船体梁的位移和弯矩时程响应特征　57
3.3.3　刚体运动对船体梁的鞭状振动的影响　58
3.4　本章小结　60
第4章　球形气泡载荷作用下船体梁的水弹塑性分析　61
4.1　船体梁的水弹塑性响应理论　61
4.1.1　运动第一阶段：弹性变形与刚体运动　62
4.1.2　运动第二阶段：塑性变形与刚体运动　63
4.1.3　运动第三阶段：弹性变形与刚体运动　67
4.2　算例分析　67
4.2.1　塑性变形开始的位置和时间分析　67
4.2.2　船体梁的水弹塑性响应分析　69
4.3　本章小结　73
第5章　球形气泡载荷作用下三维全船结构的动态响应　75
5.1　全船结构动态响应的流体-结构耦合理论　76
5.1.1　结构响应方程　76
5.1.2　流体表面方程　82
5.1.3　流体结构耦合方法　87
5.1.4　求解方法　88
5.2　计算流程　89
5.3　计算模型与外载荷输入　91
5.3.1　三维实船模型介绍　91
5.3.2　气泡载荷　93
5.4　船体结构动态响应　93
5.4.1　船体结构的垂向响应　94
5.4.2　船体结构的横向响应　101
5.4.3　船体结构的纵向响应　103
5.5　本章小结　105
附录　B　双渐近近似法　105
第三部分：非球形气泡毁伤
第　6　章　变拓扑边界积分法　113
6.1　非球形气泡动力学模型　113
6.1.1　控制方程与边界条件　113
6.1.2　气泡状态方程和运动方程　114
6.1.3　边界条件的无量纲化　115
6.2　控制方程离散及其求解方法　117
6.2.1　控制方程的积分表达式　117
6.2.2　网格构造和形函数的选取　119
6.2.3　单元法向和雅可比函数的计算　123
6.2.4　积分方程的离散　124
6.2.5　核函数的计算　127
6.3　离散表面的数值求解问题　130
6.3.1　节点速度和法向矢量的求解　130
6.3.2　时间步的推进　134
6.3.3　光顺算法的讨论　135
6.3.4　弹性网格算法　139
6.3.5　多连通区域处理　141
6.4　数值计算流程　146
6.5　本章小结　147
第　7　章　变拓扑边界积分法的验证与实证　148
7.1　Lawson　气泡试验的对比　148
7.2　Rayleigh　气泡模型的对比　149
7.3　重力场中气泡的运动对比　150
7.4　方板上方气泡的运动对比　154
7.5　电火花气泡的运动对比　156
7.6　轴对称模型对比.157
7.7　压力场的对比　158
7.8　本章小结　159
第8章　近自由表面的气泡动力学　160
8.1　非封闭网格中的系数阵对角元处理　160
8.2　液面网格的形成和计算效率的提高　164
8.3　物理参量的计算　166
8.4　单个非球形气泡和自由液面的大变形运动　167
8.4.1　算例1：较大自由液面和气泡间距　168
8.4.2　算例2：较小自由液面和气泡间距　170
8.4.3　算例3：浮力参量为δ=0:7　174
8.4.4　算例4：浮力参量为δ=0:8　175
8.4.5　算例5：气泡在浅水中的运动(ζ=1:0)　178
8.4.6　算例6：气泡在浅水中的运动(ζ=0:7)　179
8.5　本章小结　180
第9章　近固壁气泡动力学　181
9.1　流固耦合数值算法　181
9.2　弱奇异积分的改进　185
9.3　非球形气泡在平板结构周围的演化　190
9.3.1　无重力作用下单个气泡在平板上方的演化　190
9.3.2　无重力作用下不同初始位置对气泡演变的影响　194
9.3.3　重力作用下气泡演变　197
9.4　非球形气泡在半限制性空间的演化　200
9.4.1　无重力作用下两平行平板之间气泡演变　200
9.4.2　重力作用下两平行平板之间气泡演变　201
9.4.3　两平行板之间多个气泡演变　203
9.4.4　曲壁面周围非球形气泡演变　205
9.5　本章小结　210
第　10　章　气泡-结构耦合动力学　212
10.1　非球形气泡和三维刚体耦合动力学　212
10.2　六自由度运动方程求解　212
10.3　非球形气泡和三维结构的耦合动力学　216
10.3.1　三维结构动力学方程.216
10.3.2　Wilson-μ法　216
10.4　数值例子　219
10.4.1　气泡-球形结构耦合　219
10.4.2　两个气泡-圆柱结构的耦合　223
10.4.3　气泡-椭球结构耦合　226
10.5　本章小结　232
附录C　旋转坐标系的变换　233
参考文献　237