水雷易損性建模與數值仿真研究＊

劉 亭 嚴 平 譚 波

（海軍工程大學 武漢 430033）

1 引言

當前，艦艇面臨的水下威脅日益嚴重，如何有效防御魚水雷等水中兵器已成為各國海軍彈藥裝備發展的方向之一。美國1995年展示的機載快速滅雷系統，發射20mm口徑的超空泡射彈，可擊穿由機載藍綠激光探雷系統發現的水深50英尺范圍內的錨雷和沉底雷［1］。美國海軍水下作戰中心研究的高速水下彈藥系統，通過發射高速超空泡彈藥對魚水雷等水下目標進行硬殺傷來提供艦艇的水下防御［2］。英國與挪威聯合試驗了海上滅雷新系統“水雷狙擊手”，由水下遙控航行器所攜帶的水下火炮發射彈藥來徹底引爆水雷裝藥［2］。

在以上研究中，一個重要的問題是如何開展水下動能射彈對魚水雷目標的毀傷效能評估，即在特定彈道環境和交會條件下對射彈毀傷能力與毀傷效果進行度量。它取決于彈丸毀傷機理、毀傷威力、打擊方式、精度以及目標易損特性等。而開展典型魚水雷目標易損性研究，一方面有助于對魚水雷目標結構特性的認識，優化彈丸威力設計，提高彈藥的毀傷能力；另一方面有助于魚水雷抗毀傷性能的改進設計，提高戰場生存力。本文以沉底水雷為對象，對水雷目標易損性問題展開研究。

2 水雷目標易損性研究框架

2.1 易損性的概念

易損性具有雙重含義［3］：從廣義上講，易損性是指某種裝備對于破壞的敏感性，其中包括關于如何避免被擊中等方面的考慮；從狹義或終點彈道意義上講，易損性是指某種裝備假定被一種或多種毀傷元素擊中后對于破壞的敏感性。根據所要對付的主要目標，彈藥的設計者和使用者所關心的問題是彈藥攻擊敵方目標后，使其原有性能損失的程度以及這種程度對其完成作戰任務的影響程度。

2.2 水雷目標易損性研究的總體思路

動能彈對水雷目標的破壞方式分為兩種：一是動能彈沿運動方向侵徹貫穿水雷殼體對內部關鍵部件毀傷造成目標功能失效；二是侵徹水雷戰斗部引爆內部裝藥。一個完整的水下射彈對水雷目標易損性研究的總體思路如圖1所示。

1）毀傷等級劃分

目標毀傷意味著其相應功能喪失，可能是某種功能喪失或幾種功能不同程度的喪失，也可能是各種功能同時喪失。為了準確合理地反映目標何種功能喪失以及功能喪失程度，應根據試驗數據、理論分析與數值模擬結果，首先進行主毀傷等級劃分，然后根據各功能子系統的功能喪失程度劃分若干個次級毀傷。

圖1 水雷易損性研究總體思路

2）關鍵部件分析及目標功能毀傷樹構造

不論何種目標系統，都可以劃分成多個子系統。各個子系統又由許多零部件構成。有些部件的毀傷直接影響著目標作戰使命，甚至導致整個目標毀傷，稱作關鍵部件。進行目標易損性分析與評估時，只考慮關鍵部件。然后根據各個關鍵部件與子系統之間的相互關系建立與不同毀傷等級相對應、具有一定邏輯關系的樹型結構圖，即目標功能毀傷樹［4］。

3）數值模擬

在侵徹模擬中，應結合戰術應用，考察不同材料、質量、速度、方向的彈丸運動軌跡及其侵徹行為。由于侵徹問題屬于大變形、高壓和高應變率的問題，因此對這類問題的數值模擬，采用合理的材料分析模型是重要的前提條件［5］。此外，由于高速碰撞發生，在材料內部產生沖擊波，這種沖擊波在材料內部形成壓力、密度、能量和質點加速度的間斷點，使微分方程產生奇異點。因此，需要在計算中引入人工體積粘性項來修正靜壓力項。

4）等效試驗方法

在目標易損性分析與評估時，一般采用等效原則（如彈道極限速度等效原則［6］），將目標模擬為具有特定形狀和物理屬性的簡化結構。由于水下高速運動彈丸與陸上常規武器發射的高速運動的彈丸以及水中低速運動航行體的運動特性相比具有許多不同之處。因此，在等效試驗設計中應選擇合適的水下彈道測量技術，并研究陸上侵徹和水下侵徹的等效關系。

5）典型水雷目標的毀傷概率計算

對各種彈目交會條件進行反復模擬，給出目標所有可能的部件毀傷態向量的全域分布；利用降階態評估法輸出以各任務相關子系統（如儀器艙、戰斗部、動力艙等）的工程性能降階態發生概率為易損性度量指標的全域分布。

3 水雷目標易損性建模

針對沉底水雷，借鑒文獻［7］提出水雷目標易損性建模的一般步驟：

3.1 目標的結構及功能分析

圖2 沉底水雷的艙段模型

沉底水雷的總體結構分為兩個艙段：裝藥雷體和引信艙。如圖2所示。

關鍵部件包括：

·裝藥雷體：其結構頭部為橢球形，主體為圓柱體，其功能是裝填炸藥、安裝感應線圈棒并連接水雷的引信艙。

·引信艙殼體：結構呈圓柱形，其功能是安裝和保護水雷引信裝置等部件，保證水雷內部的水密。

·引信：包括感應線圈棒和引信裝置，其功能是接受外界物理場信號，進行信號處理，當判斷是目標通過時，給出爆炸信號。

·電池組：其功能是是提供水雷工作的能源。

·起爆裝置：由氣壓保險機構和聚能傳爆管兩部分組成，其作用是根據水雷引信所提供的起爆信號起爆，引爆水雷的主裝藥。

3.2 目標毀傷級別

沉底水雷結構簡單，并且各個結構聯系緊密，不論某一個關鍵部件損傷，都會導致水雷失去戰斗力，所以從簡單實用、并結合其戰術使命的角度出發，將沉底水雷的毀傷等級劃分為如下兩個等級。

1）KK級毀傷：水雷目標立即被摧毀，如戰斗部爆炸或者機構解體。

2）C級毀傷：水雷目標部分功能喪失而不能完成既定作戰任務，如不能起爆戰斗部。

3.3 目標毀傷樹

以水雷引信艙為例，進行水雷目標的毀傷分析：

·引信艙殼體：引信艙殼體損壞，水雷內部水密失效，海水進入艙內，造成內部機構失靈，最終導致水雷失效。

·引信：感應線圈棒為聲傳感器，直接與海水接觸，若其損傷，則不能探測目標；引信裝置損傷，引信將不能正常工作，造成水雷失效。

·聚能起爆裝置：若傳爆序列受損，將不能正常起爆雷體裝藥。

·電池組：電池組損傷，將導致引信和聚能起爆裝置不能正常工作。

圖3 沉底水雷C級結構功能毀傷樹

其他機構，如保險器、裝配板組等的損傷不影響水雷的正常工作。

根據以上分析，構建出某型沉底水雷C級結構功能毀傷樹，如圖3所示。

4 射彈對水雷侵徹過程的仿真分析

4.1 水雷與射彈的有限元模型

本文采用有限元方法對射彈侵徹水雷過程進行數值模擬。射彈頭部形狀為錐體，彈體形狀為圓柱體，直徑12.7mm，彈體材料為鎢合金，采用四面體歐拉單元劃分網格，有限元實體模型如圖4（a）所示；水雷雷體結構頭部為半球形，柱體和引信艙均為圓柱形，材質為低碳鋼Q235，采用正六面體歐拉單元劃分網格，有限元殼體模型如圖4（b）所示。

4.2 射彈對水雷侵徹建模及仿真

取一部分殼體弧形靶板等效水雷殼體，邊界條件固定。模型的建立基于以下的假設：彈丸和靶板都為均勻連續介質，整個侵徹沖擊過程為絕熱過程，不計空氣阻力，不考慮重力的作用，不考慮靶板的位移，彈丸與靶板的初始應力為零。利用Patran軟件構建目標毀傷模型，如圖5所示。

圖4 水雷與射彈的有限元模型

圖5 彈丸垂直侵徹目標毀傷模型

圖6 彈丸速度變化情況

從文獻［8］中可知，水下彈丸在水下的運動速度最高達300m／s，并 伴 隨 著 超空泡現象，所以仿真計算時把彈丸著靶速度設為 300m／s，計算完成后得到彈丸速度變化曲線，如圖6所示。將計算結果導入Patran進行后處理，得到彈丸侵徹靶板的變化情況，如圖7所示。

由速度變化曲線可以看出，彈丸以300m／s的速度侵徹靶板時，整個侵徹過程歷時0.26ms彈丸穿透靶板后速度約為180m／s。侵徹可大概分為三個過程：開坑，穩定侵徹和沖塞階段。并且侵徹結束后可以看出彈丸形狀的變化情況，較侵徹前彈體長度變短，彈頭鈍化。

圖7 鎢彈著靶速度為300m／s時侵徹靶板過程

將射彈材料屬性改為低碳鋼Q235，著靶速度為300m／s，仿真結果如圖8所示，從仿真結構可以看出，鋼彈未能穿透靶板，彈體完全侵蝕。

圖8 鋼彈侵徹靶板過程

在實際中，彈丸不可能都是垂直侵徹，著靶角大于0°的斜侵徹才是常遇見的。圖9為鎢彈著靶角為45°時的侵徹過程（著靶速度為300m／s），彈丸未能穿透靶板，并且彈丸完全被侵蝕。

圖9 著靶角為45°時侵徹靶板過程

4.3 仿真結果分析

1）根據彈丸的速度變化曲線可知，彈丸的侵徹能力與著靶速度成正比，著靶速度越大即彈丸動能越大，侵徹能力越強。

2）整個侵徹過程時間很短，彈丸被侵蝕掉了很大部分，說明材料參數的影響很重要。如果彈丸的材料強度很差，在侵徹過程中會由于質量過多損失，大大降低動能，對侵徹影響很大。

3）著靶速度相同的情況下，垂直侵徹能力比斜侵徹能力強。

4）引信艙內部有電路板，材料為FR4（環氧玻璃布層壓板），彈丸侵徹穿透靶板后存速約為180m／s，能夠對電路板造成破壞，以致水雷失效；水雷內部裝藥為PBX炸藥［9］，PBX炸藥在受到撞擊時爆炸的反應閾值為263.5－269.9m／s［11］，因此彈體侵徹水雷殼體后的存速不能引爆水雷內部裝藥。

5 結語

本文對沉底水雷的易損性進行了分析研究，描述了水雷目標易損性研究框架，進行了水雷目標易損性建模，并且對射彈侵徹水雷殼體過程進行了仿真。易損性的研究是一個非常復雜的過程，下一步將更深入地研究彈體貫穿殼體后對水雷內部裝藥和引信艙艙內機構的毀傷效果，逐步完善沉底水雷的易損性研究。

［1］傅金祝.美海軍研發的機載反水雷系統［J］.水雷戰與艦船防護，1998（4）：44－45.

［2］劉平，楊洋，王青.國外反水雷艦艇裝備現狀及發展趨勢［J］.船舶工程，2004（6）：1－3.

［3］王維和，李惠昌譯.終點彈道學原理［M］.北京：國防工業出版社，1988：30－32.

［4］楊軍，王暉，孫正民.某型坦克功能毀傷樹構造［J］.四川兵工學報，2008（6）：32－35.

［5］張小坡，石全，王廣彥.基于LS－DYNA的圓柱形破片侵徹靶板有限元分析［J］.科學技術與工程，2007（23）：6004－6009.

［6］王海福，劉志雄，馮順山.鋼球侵徹鈦合金靶板彈道極限速度［J］.北京理工大學學報，2003（2）：34－36.

［7］胡慧，袁振宇，謝春思，等.基于毀傷樹構建系統目標毀傷評估模型研究［J］.艦船電子工程，2010（8）：32－35.

［8］章啟成.水下高速運動體運動特性分析與試驗研究［D］.南京理工大學，2011：36.

［9］馬文彪.兵器水下爆炸作用數值模擬研究［D］.海軍工程大學，2006：50.

［10］劉旭東，郭東，白正勤.利用尺寸特性的水面目標性質識別［J］.計算機與數字工程，2011（12）.

［11］代曉淦，文玉史，申春迎.模擬破片撞擊下PBX－2炸藥的響應規律［J］.火炸藥學報，2010（3）：18－20.