水下目標爆炸毀傷時戰斗部相似律仿真與試驗

魯忠寶, 南長江, 步相東

?

水下目標爆炸毀傷時戰斗部相似律仿真與試驗

魯忠寶, 南長江, 步相東

(中國船舶重工集團公司第705研究所, 陜西 西安, 710075)

在進行水中兵器戰斗部對目標的爆炸毀傷試驗時, 為了確定能否由縮比戰斗部對目標的毀傷效應推廣預測原型戰斗部, 根據相似理論首先確立了戰斗部尺寸、沖擊波測點距離以及靶板距離采用相同縮比時的幾種研究模型, 然后通過數值仿真結合水下爆炸試驗測試的方法, 計算了沖擊波壓力與靶板應變, 并進行了比較分析。結果表明, 各研究模型的仿真結果與試驗結果吻合較好, 各模型對應的沖擊波壓力與靶板應變之間的偏差都很小, 說明滿足相似律的縮比模型能夠預測原型戰斗部對水下目標的爆炸毀傷特性。本文結論為戰斗部水下爆炸的威力評估提供了依據。

水中兵器; 水下爆炸; 戰斗部; 毀傷效應; 相似律

0 引言

在水中兵器戰斗部技術研究中, 戰斗部對目標的毀傷威力評估是一項重要研究內容, 在相關技術的研究中, 通常采用數值仿真結合水下爆炸試驗的方式來開展。隨著現代計算機輔助工程技術的飛快發展, 在進行戰斗部水下爆炸對目標的毀傷研究時, 可以采用有限元分析軟件建模計算, 對試驗結果進行預估, 提高工作效率, 但隨后仍然需要進行相應的爆炸試驗, 對結果進行綜合分析才具有足夠的說服力。然而在水下爆炸毀傷試驗中, 水下目標尤其是艦船, 采用真實模型費用大, 不易實施, 需要進行水下目標縮比模型的相似律研究, 國內也有相關的研究成果[1]。但對于戰斗部, 尤其是水中兵器的1:1大口徑戰斗部的水下爆炸試驗, 對場地要求很高, 而且操作困難, 耗資巨大, 而水下戰斗部的尺度效應研究還不夠充分。

對于水下爆炸沖擊波, 依據有關文獻[2]可知, 當一定尺寸的裝藥在水中爆炸后, 在距離爆炸源處進行壓力測量, 然后再做出裝藥的全部線性尺寸變化倍的新試驗, 若用來測量沖擊波壓力及其他特征的長度和時間的比例尺與裝藥尺寸均增加相同的倍數, 則所測特性將基本不變。由相關論文[3]也可得知, 水下爆炸沖擊波符合相似律。但水下爆炸對目標的毀傷規律十分復雜, 不同尺度的戰斗部爆炸毀傷效應規律更未深入研究, 如果相同的目標距戰斗部的距離與裝藥尺寸采用相同的縮比時, 目標靶的毀傷效果相近, 則可以認為戰斗部水下爆炸對目標的毀傷基本滿足相似規律, 這樣在進行水下戰斗部對目標尤其是魚雷等小型水下目標的毀傷威力評估時, 可以直接采用真實的目標模型, 作用距離與裝藥尺寸采用相同的縮比來進行研究。為探索是否存在這一規律, 就需要開展水下戰斗部對目標爆炸毀傷時的相似規律研究。

1 研究模型的建立

研究模型見圖1所示, 戰斗部樣彈中心點、沖擊波壓力測點、目標靶板中心點均位于水下同一水平面內, 目標靶板位于沖擊波壓力測點相對一側, 靶板四角固支。沖擊波壓力測點距樣彈中心的距離為1,2,3, 目標靶表面距樣彈中心的距離為, 戰斗部樣彈為圓柱形×。

圖1 水下戰斗部爆炸毀傷尺度效應研究模型示意圖

為便于研究, 目標靶板選擇45號鋼, 其長、寬、厚為600 mm×600 mm×6 mm, 在目標靶板背面中心線上均勻布置3處應變測點, 每處測點進行正交2個方向的應變測試, 目標靶板上應變片布置情況如圖2所示。每個模型中采用相同的目標靶板與測點。戰斗部樣彈選擇復合炸藥。

圖2 應變測試布設圖

戰斗部尺寸、沖擊波壓力測點、目標靶板距戰斗部樣彈距離采用相同的縮比尺度, 研究模型1:=100 mm,=120 mm,1=1 m,2=1.6 m,3=3 m,=1 m; 研究模型2:=75 mm,=90 mm,1=0.75 m,2=1.2 m,3=2.25 m,=0.75 m; 研究模型3:=50 mm,=60 mm,1=0.5 m,2=0.8 m,3=1.5 m,=0.5 m。

2 仿真計算

當今有限元分析軟件在爆炸領域中得到了廣泛應用, 其中ANSYS/LS_DYNA強大的ALE和Euler算法及炸藥的材料與狀態方程廣泛地應用于各種水下爆炸分析中, 可以較為真實地模擬炸藥水下爆炸對目標毀傷作用的全過程, 相關資料表明[4], ANSYS/LS-DYNA在水中爆炸分析中有很多成功的案例。在開展試驗之前進行相應的仿真研究, 可以對試驗結果進行預估, 完善試驗方案, 提高效率。

目標靶板選用各項同性隨動強化的彈塑性金屬材料模型(MAT_PLASTIC_KINEMATIC), 其密度=7.83×103kg/m3, 彈性模量=210 GPa, 泊松比=0.3, 屈服應力=0.5 GPa; 水選用空白材料模型(NULL), 狀態方程為EOS_ GRUNEISEN, 其密度為=1.025×103kg/m3;炸藥選用的高能炸藥燃燒與增長模型(MAT_HIGH_ EXPLOSIVE _BURN), EOS_JWL狀態方程, 其密度=1.7×103kg/m3, 爆速=7 980 m/s, 爆壓P=29.5 GPa, 各材料模型與狀態方程中參數的意義與取值可見相關手冊[5]。各部分模型均采用SOLID164實體單元類型, 對結構(目標靶板)選取Lagrange算法, 對流體(水和炸藥)選取Euler/ALE算法, 通過關鍵字*CONSTRAINED_ LAGRANGE_IN_SOLID實現流固耦合。對1/2的3D模型施加對稱面約束來取代整個模型進行計算。設置炸藥的中心點為起爆點。另外在有限的水單元的邊界上定義壓力流出邊界條件(由關鍵字*BOUNDARY_ PRESSURE _OUTFLOW_SET設定)來模擬無限水域, 使計算結果更準確。所建立的某一研究模型的有限元模型見圖3所示。有關算法及其實現方法可參見文獻[6]。

圖3 有限元仿真模型

對各個研究模型仿真計算后可得到水中各點沖擊波壓力曲線、靶板的變形效果、靶板上各點的應變值。其中研究模型3中的沖擊波曲線見圖4所示, 靶板毀傷效果見圖5所示, 各點豎直方向應變曲線見圖6所示。所有仿真計算結果統計見表1所示。

3 試驗測試

按照上述建立的研究模型, 加工了試驗樣彈, 目標靶板, 試驗支架, 測試電纜等, 在爆炸水池中進行爆炸毀傷試驗, 采用壓力測試系統與應變測試系統對各個研究模型中的測點參數進行了測試記錄。每一種研究模型進行了3次爆炸試驗。

加工好的試驗樣彈見圖7所示; 粘貼應變片的目標靶板見圖8所示; 壓力傳感器采用美國PCB公司生產的138A25及138A10傳感器, 結合PCB公司482A22型適配器連接示波器形成壓力測試系統; 采用日本株式會社東京測器研究所的YEFLA-5型應變片, 橋盒和國產YE3818C型應變儀連接示波器形成應變測試系統。為了在水下布放時, 保證試驗樣彈、傳感器測點、靶板的相對位置, 專門加工試驗支架以方便定位, 試驗支架見圖9所示。

圖4 研究模型3中的各點沖擊波壓力計算曲線

圖5 研究模型3中的t=240 μs時靶板應力計算云圖

圖6 研究模型3中的靶板各點應變計算曲線

表1 仿真計算結果統計表

對各個研究模型的3次試驗過程中各點沖擊波壓力曲線、靶板的變形效果、靶板上各點的應變曲線進行測試記錄。其中研究模型2中的某一次爆炸測試中沖擊波曲線見圖10所示, 靶板變形效果見圖11所示。剔除試驗結果中的奇異值之后, 形成的所有試驗結果的均值統計見表2。

圖7 試驗樣彈

圖8 粘貼應變片的靶板

圖9 試驗支架

圖10 研究模型2中測點X1處各傳感器沖擊波實測曲線

圖11 研究模型2中目標靶板實測破壞情況

4 結果分析

針對以上的研究模型, 采用數值仿真以及試驗測試的方式, 得到了各個研究模型中的沖擊波壓力曲線及其峰值, 靶板的應變曲線及其最大應變。圖4與圖10中的曲線以及圖6與試驗測得的曲線波形十分相似, 表1與表2中對應的結果也比較接近, 這均表明, 本文得到的結果是具有可信度的。

對表1及表2中的數據進行比較可知, 對于相同的目標靶板, 戰斗部尺寸、沖擊波壓力測點, 目標靶板距戰斗部樣彈距離采用相同的縮比尺度, 對應點所得的沖擊波壓力峰值、最大應變值均較為接近。這表明, 戰斗部水下爆炸時, 不僅爆炸威力參數滿足幾何相似規律, 戰斗部對目標的爆炸毀傷效應也基本滿足相似規律。

如果以最大尺度的研究模型1為參照, 可以計算得縮比之后的研究模型2與研究模型3在對應尺度距離處結果的相對偏差, 見表3所示。由表3中的對比關系可以看出, 各相應測點的沖擊波壓力峰值的偏差都很小, 最大才7.6%, 這表明, 當戰斗部尺寸以及距戰斗部中心距離按照相同的比例縮放之后, 所測量的沖擊波壓力基本不變。由表3還可看出, 各相應測點的應變偏差也都很小, 基本都在12%以內, 這表明, 當戰斗部尺寸以及靶板距戰斗部中心距離按照相同的比例縮放之后, 相同位置所測的應變值十分接近。由分析可知, 選擇真實尺寸戰斗部的縮比模型進行威力試驗, 不僅沖擊波壓力參數符合相似律, 而且對目標的毀傷效應也基本滿足相似律, 在進行真實戰斗部對目標的毀傷研究時, 采用縮比戰斗部進行水下爆炸毀傷試驗是可行的。

表2 試驗測試結果均值統計表

表3 以研究模型1為參照時縮比模型所得結果的相對偏差絕對值

5 結束語

本文采用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA, 對戰斗部尺寸、沖擊波壓力測點距離, 靶板距離采用不同的縮比尺度時, 各點沖擊波壓力及相同靶板的應變進行了仿真計算, 隨后開展了相同模型的水下爆炸試驗, 計算結果與試驗結果吻合, 具有可信度。由研究結果的分析得出, 對于相同的目標靶板, 戰斗部尺寸、沖擊波壓力測點距離, 目標靶板距離采用相同的縮比尺度時, 沖擊波壓力參數以及對目標的毀傷效應都符合相似律, 說明了由縮比模型的戰斗部毀傷試驗可以較為準確地預測真實戰斗部對目標的毀傷情況。

通常的水下目標結構十分復雜, 大都包含電子功能件, 要將戰斗部對水下目標的爆炸毀傷進行較為全面的評價, 應涉及應力、應變、沖擊加速度等更多方面的響應, 而本文的目標靶板結構簡單, 也只是測試了應變, 因此, 后續還需選擇更為復雜的水下目標, 進行更多的動態響應的研究, 進一步驗證相似律在戰斗部對目標毀傷中的適用準確性。另外, 本文的戰斗部為典型的爆破戰斗部, 其他類型的戰斗部有不同的殺傷元素, 對目標的毀傷效應是否符合相似律還有待進一步研究。

[1] 李海濤. 船體梁在近距爆炸沖擊波作用下動態響應的相似律研究[J]. 振動與沖擊, 2010, 29(9): 28-32. Li Hai-tao. Similarity Law for Dynamic Response of Hull Girder Subjected to Underwater Explosion in Near Field[J]. Journal of Vibration and Shock, 2010, 29(9): 28-32.

[2] 崔秉貴. 目標毀傷工程計算[M]. 北京:北京理工大學出版社, 1995.

[3] 馮麟涵. 彈塑性結構水下爆炸相似律研究[J]. 中國艦船研究, 2010, 5(5): 1-5. Feng Lin-han. Investigation on the Similarity Criterion of Elastic-Plastic Structures Subjected to Underwater Explo- sion[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2010, 5(5):1-5.

[4] 張勝民. 基于有限元軟件ANSYS7.0的結構分析[M]. 北京:清華大學出版社, 2003.

[5] ANSYS公司. ANSYS/LS-DYNA User′s Manual[M], USA: ANSYS公司, 2003.

[6] ANSYS股份有限公司北京辦事處. ANSYS/LS-DYNA算法基礎和使用方法[M], 北京: ANSYS股份有限公司北京辦事處, 2000.

Simulation and Experimentation on the Similarity Law of Warhead for Destroying Underwater Target

LU Zhong-bao, NAN Chang-jiang, BU Xiang-dong

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China)

To learn if damage effect of a scale-down torpedo warhead can be used to predict that of a prototype warhead for destroying underwater target, based on the similarity theory, some models are established with same scales in warhead size, testing distance of shock wave, and distance of target plate. The shock wave pressure and target plate strain are calculated and compared by simulation and underwater explosion experiment. The calculation and experiment results coincide well, and the deviations of corresponding shock wave pressure and target plate strain of the models are very small, which indicates that the scale-down models following the similarity law can accurately predict the destroy characteristics of the prototype warhead against underwater target. This study may provide a basis for the power evaluation of underwater warhead.

underwater weapon; underwater explosion; warhead; damage effect; similarity law

TJ410.33; TQ56

A

1673-1948(2012)01-0069-05

2011-05-19;

2011-07-18.

國防科技預研基金項目(101060301).

魯忠寶(1978–), 男, 碩士, 主要從事水中兵器戰斗部的研究與設計.

(責任編輯: 許 妍)