Page 109 - 《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

（finite element method，FEM）结果作为参照，采用相同的几何模型及材料参数。从图 6(a) 可知，PD-SPH
流固耦合模型和非流固耦合 PD 模型两者均能够很好地预测靶板的最终变形，均与实验结果一致。以稳
定变形段的平均位移作为计算结果，PD-SPH 流固耦合与实验结果的相对误差为 4.5%，非流固耦合 PD
与实验结果的相对误差为 10.3%，FEM 与 PD 结果的相对差距为 3.8%，与实验结果的相对误差为 14.1%。
此外，为验证 PD-SPH 方法的收敛性，对靶板采用 0.25 mm 离散间距进行分析，结果表明该方法具有很好
的收敛性。图 6(b) 可知流固耦合和非流固耦合模型对于初速度和峰值速度的预测保持一致。固体变形
运动受流固耦合作用的附加质量影响，PD-SPH 模拟得到的前期速度增长缓慢，后期速度下降更快。两
者之间的初始条件不一致，考虑流固耦合可以更直观且准确地设定初始条件，而不考虑流固耦合需要设
定峰值压力及衰减时间常数，其中两参数并非直接获取得到。图 7 给出了不同数值方法的靶体变形图，
可知非流固耦合 PD、FEM 模型与流固耦合 PD-SPH 模型的变形基本一致，说明了 PD-SPH 方法的正确
性。采用 PD-SPH 方法的靶板圆盘中心位移相对滞后，主要原因在于非流固耦合模型假设靶体获取的速
度为短时，而实际上靶体受到压力波荷载所获得的动量为渐进过程。
t=0.35 ms t=0.45 ms t=0.60 ms t=1.50 ms

0 1 2 3 4 0 3 6 9 11 0 4 7 10 14 0 4 7 10 14
(a) PD
t=0.35 ms t=0.45 ms t=0.60 ms t=1.50 ms

0 1 2 3 4 0 2 4 6 8 0 4 7 10 14 0 4 7 10 14
(b) PD-SPH
t=0.35 ms t=0.45 ms t=0.60 ms t=1.50 ms

0 1 2 3 4 0 2 4 6 8 0 4 7 10 14 0 4 7 10 14
(c) FEM
图 7 典型时刻的靶体变形云图（位移模量云图，单位：mm）
Fig. 7 Cloud diagrams of target deformation at different times (displacement modulus cloud diagram, unit: mm)
进一步考虑靶板冲击荷载下的破坏模式，验证 PD-SPH 耦合数值方法在模拟冲击荷载作用下靶板结
构响应的损伤动态演化规律。通过设定飞片冲击速度为 200、300 和 500 m/s 等 3 种工况，根据图 5 拟合
结果得到的峰值压力分别为 98.3、147.5 和 245.9 MPa。如图 8 所示，靶板破坏模式呈现明显的速度依赖
性特征。结合 3.4 节，PD-SPH 数值方法能够实现典型的 3 种破坏模式，分布为塑性变形、拉伸破坏的花
瓣状裂纹和剪切破坏的圆盘飞出。图 8(a) 展示了 200 m/s 低速冲击下靶板的渐进破坏过程。能量积聚
在圆盘中心，超过材料的拉伸断裂能，靶板中间发生破裂，裂纹沿着径向外扩，呈现典型的花瓣状裂纹。
当冲击速度提升至 300 m/s 时，如图 8(b) 所示，破坏模式转变为拉伸-剪切混合失效。500 m/s 高速冲击工
况，如图 8(c) 所示，靶板则呈现完全剪切主导的失效模式，整体发生贯穿性剪切破坏，形成完整圆盘状
碎片。
4.5 靶体结构的影响分析

为验证 PD-SPH 方法在复杂流固耦合冲击问题中的适用性，进一步构建格栅夹层结构靶体冲击损伤
分 析 模 型 。 模 型 几 何 参 数 如 图 9 所 示 ， 其 中 格 栅 厚 度 为 1.5 mm， 单 元 间 距 为 20 mm， 夹 层 高 度 为
15 mm。本案例采用与 4.4 节一致的非药式水下爆炸装置模型和飞片初始速度，分别为 200、300 和
500 m/s 等 3 种工况，同样相对应的峰值压力分别为 98.3、147.5 和 245.9 MPa。

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