Page 102 - 《爆炸与冲击》2026年第01期

第 46 卷 陈 丁，等： 非药式水下爆炸冲击波加载的PD-SPH建模与分析 第 1 期

decomposition and data-communication mechanisms was established. The domain decomposition was carried out through the

Eulerian format. When particles move from one domain to another, the physical quantities of the particles were exchanged for
information. Model validation and parallel efficiency tests demonstrate that the proposed method can accurately predict shock
wave wall pressure and target dynamic deformation, successfully reproduce typical crack propagation patterns in thin-plate
structures and simulate the entire damage process of complex grid sandwich structure. In complex fluid-structure coupling
scenarios with more than 5 million particles, the 8*RTX4090 achieved an acceleration ratio of 4.13 compared to a single
RTX4090, with a parallel efficiency of 51.6%. The actual computation time can be reduced to nearly 1 hour. Meanwhile,
compared with traditional CPU (central processing unit) parallelism, the multi-GPU parallelism can achieve an acceleration
ratio of more than 9 times. The research outcomes provide a high-precision and efficient numerical analysis tool for the design
of explosion-resistant naval structures, offering significant reference value for engineering applications of fluid-structure
interaction in underwater explosion problems.
Keywords: smoothed particle hydrodynamics; peridynamics; underwater explosion; fluid-structure interaction; shock wave
舰艇抗爆炸冲击性能研究是船舶工程领域的关键热点问题，其具有大尺寸比、复杂水动力耦合作
[1]
用，且存在试验危险性高、周期长、成本高等特点。为此，Deshpande 等 基于 Taylor 水下一维冲击波理论 [2]
设计了一种非药式圆柱形水下爆炸冲击波模拟装置，Espinosa 等 [3] 进一步开发类锥型非药式水下爆炸模
拟器，拓宽了传统试验的靶体尺寸限制。这类非药式水下爆炸冲击波加载装置因其安全性及可重复性
优势，已被广泛用于多种复杂结构的力学分析，显著降低了实爆试验的经济成本 [4-7] 。数值仿真技术可深
入解析结构动态响应机理、优化抗冲击结构设计，然而水下爆炸过程涉及流固强耦合、材料非线性变形
及渐进损伤破坏等复杂力学物理现象，给数值模拟带来严峻挑战。
近 年 来 ， 无 网 格 粒 子 法 的 发 展 为 材 料 损 伤 演 化 建 模 提 供 了 新 范 式 。 以 光 滑 粒 子 流 体 动 力 学
（smoothed particle hydrodynamics, SPH） [8-9] 、物质点法（material particle method, MPM） [10-11] 、近场动力学
（peridynamics, PD） [12-15] 等为代表的先进数值方法，在流固耦合建模及材料失效预测方面展现出其独特优
势。例如：针对舰艇金属材料，王涵等 [16] 推导了热黏塑性 PD 模型，并很好地预测了金属材料裂纹扩展速
率；马福临等 [17] 通过 PD 方法揭示了冲击波-破片时序打击下复合材料的分阶段损伤机制，阐明了载荷时

序效应对加筋结构破坏模式的影响。在流体动力学及水下爆炸模拟方面，Sun 等 [18] 提出了粒子体积分
裂模式，解决了纯拉格朗日方法描述的 SPH 在模拟高能气体的大体积比膨胀建模问题，并实现了炸药水

下爆炸的全过程模拟；Liang 等 [19] 引入压力自适应算法，实现了 SPH 在二维、三维的水下爆炸压力波传
播问题的高效模拟。多方法的耦合能更好地解决复杂的流固耦合问题，例如：PD-SPH 现已被应用于岩
石射流、浅埋土爆炸、水力压裂等多个工程实际问题 [20-26] 。
本文旨在基于 PD-SPH 框架，构建一种适用于模拟非药式水下爆炸冲击波加载过程的高效数值模
型。该方法采用 PD 精确表征固体结构从弹性变形到渐进损伤破坏的全过程力学行为，利用 SPH 描述水
下冲击波传播及其与结构的流固耦合作用。针对精细化大规模计算及 PD-SPH 计算量大的问题，构建基
于区域分解与数据通信机制的多 GPU (graphics processing unit) 并行架构，实现 SPH-PD 的高效并行计
算。通过非药式水下爆炸冲击波加载的壁面压力预测和靶体变形预测模拟验证 PD-SPH 模拟流固耦合
问题的有效性，并复现薄板结构典型破坏模式。进一步开展复杂夹层板结构毁伤全过程模拟，说明本文
提出的高效 PD-SPH 在模拟水下爆炸冲击波作用流固耦合问题的适用性。

1 数值方法控制方程

1.1 近场动力学基本原理

PD 作为一种非局部数值计算方法，通过积分的形式构造守恒方程 [12] 。在近场动力学中，变形连续
体被离散成一系列包含物质和物理信息的物质粒子，每个粒子与其领域内的邻近粒子相互作用。PD 是

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