水下爆炸冲击波的研究分析

在水下爆炸的情况下，周围的介质是水，可以将其视为无法承受剪切应力的均匀流体。穿过水的冲击波具有两个不同的物理特性：冲击波速度和局部粒子速度。在此处考虑的压力下，水中冲击波速度与峰值压力无关，且约为1 440 m/s。

三硝基甲苯（TNT）通常用于生成、表征和研究水下爆炸。TNT的比能为4 500 kJ/kg，其他爆炸性化合物释放的比能通常以TNT的质量当量表示，以进行校准。TNT在爆炸后生成氮气、水、一氧化碳和固体碳，并产生巨大的压力——约为14 000 MPa。这种压力会压缩周围的介质，并产生高压扰动。这种扰动会迅速消失，称为“爆炸衰减”。通常观察到的TNT的爆速是水中声速极限值（1 440 m/s）的几倍。该水中冲击波中的最大压力随距离迅速下降，并在远距离接近稳态行为。随着冲击波向外传播，冲击波的时间轮廓逐渐变宽。水下爆炸冲击波的这种行为的示意图如图8-1所示。

图8-1　TNT在水中爆炸的爆炸脉冲的空间演化

水下爆炸在海洋结构的动态行为中起着重要作用。如果在结构附近发生水下爆炸，则产生的压力波将使船体破裂，并对周围设备造成重大损坏。另一方面，如果爆炸发生在远离船舶的地方，则爆炸波将具有平坦的前部，并且压力载荷将不均匀。在这种情况下，海洋结构的每个部分将对入射压力脉冲做出不同的响应。定义压力脉冲的特征量为峰值压力和压力时间，水下爆炸产生的峰值压力pm为

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式中，K1和α1是材料常数（对于TNT，K1=5×107和α1=1.15）；M是TNT的质量；R是到爆炸源的距离。由水下爆炸产生的压力脉冲的爆炸衰减常数γ为

式中，K2和α2是材料常数（对于TNT，K2=9.2×106和α2=-0.22）。衰减常数表征了峰值压力随时间的衰减规律。综上可以得到，水中爆炸的冲击波压力随时间和距离的衰减关系如下：

式中，t是时间，t0是脉冲时间，皆以毫秒为单位。由于水的机械阻抗远高于空气，因此水下爆炸在充分衰减以至无害之前会传播很长一段距离。

当水下爆炸冲击波与海洋结构相互作用时，它们会导致大量的塑性耗散和破裂。对于较大的无支撑船段，损坏形式为弯曲和拉伸颈缩；对于有支撑的船舶部分，损坏形式为剪切断裂和撕裂。对于厚壁复合圆柱形截面，初级故障是帘布层失效，包括层间脱粘和层内开裂；薄壁结构则更容易通过动态不稳定（屈曲）失效。这种情况的典型现象之一就是舰船结构的内爆。