深水爆炸载荷下圆柱壳动态响应与屈曲模式的多尺度研究

针对深水装备在爆炸与静水压力耦合载荷下的动态响应机制不明问题，北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室团队通过实验与数值模拟，揭示了圆柱壳在冲击波-气泡脉动-静压耦合作用下的四阶段响应规律，发现结构在仅42.9%临界静压时即发生整体屈曲，并首次报道了Mode 3与Mode 4两种屈曲模式的转换机制，为深海装备防护设计提供了理论支撑。

　　

深海装备如潜艇、AUV等常面临水下武器攻击与深水静压的双重威胁，传统研究多聚焦浅水环境单载荷作用，对深水爆炸（UNDEX）与静压耦合引发的结构动态屈曲机制认知不足。尤其当爆炸载荷导致结构强度衰减时，静压可能引发远低于设计阈值的意外坍塌，这种"动态-静态耦合失效"现象成为深海安全领域的重大挑战。

北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室团队在《Applied Surface Science Advances》发表研究，通过创新设计的小尺度深水爆炸实验舱（?1.5m×2m）与LS-DYNA有限元模拟，首次完整捕捉到圆柱壳在300米水深爆炸下的动态响应全过程。研究采用高速摄影（帧率未披露）记录5g 8701炸药近场接触爆炸（5cm爆距）下的结构变形，结合ALE算法建立流固耦合模型，通过*INITIAL_HYDROSTATIC_ALE关键字实现梯度静压初始化，验证了模拟与实验误差<6.25%。

动态响应四阶段理论

实验与模拟共同揭示：①静压预载阶段产生初始应力；②冲击波-静压耦合阶段形成前端凹陷（最大变形2.31cm）；③水射流-静压耦合阶段加剧塑性变形；④纯静压阶段引发坍塌或稳定变形。特别发现当静压达临界值42.9%（7.44MPa）时，结构即发生整体屈曲，较传统静压屈曲阈值降低57.1%。

屈曲模式转换机制

通过提取周向曲率变化发现：在750米水深（P_in/P_cr=0.429）时出现非对称Mode 3屈曲（波数n=3），而800米以上水深则转为对称Mode 4屈曲（n=4）。塑性应变分析表明，Mode 3源于侧向与后端残余强度差异导致的异步凹陷，而Mode 4则因高压环境下结构强度均匀衰减所致。相图分析进一步确定：当ω/R>0.8（ω为变形量，R为半径）且P_in/P_cr>0.45时必然发生坍塌。

该研究建立的"分段式响应理论"突破了传统单载荷分析框架，首次量化了爆炸载荷对结构临界屈曲压力的削弱效应（降低57.1%）。提出的屈曲模式判据（ω/R=0.8）为深海装备抗爆设计提供了量化标准，而开发的深水爆炸实验系统（含同步触发技术）为后续研究提供了可靠平台。值得注意的是，研究发现水射流对变形的贡献在浅水（1.2m）仅占17%，而在300米水深时骤增至129.7%，这一非线性特征对深海武器效能评估具有重要指导价值。