精確制導(dǎo)武器作用下艦船結(jié)構(gòu)變形計算研究

晏衛(wèi)東，劉延青，馬曉明，魏 琳，張 戈，郭 君，張阿漫

（1.中國人民解放軍某部，遼寧 葫蘆島 125000；2.哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001）

0 引言

艦船在空中爆炸載荷作用下，其局部結(jié)構(gòu)會發(fā)生大變形，嚴(yán)重時會出現(xiàn)較大破口，伴隨著藥包的爆轟過程，大量高溫氣體混合物以及高溫火球向外急速膨脹，與艦船結(jié)構(gòu)相互作用，對艦船造成一次破壞，在此過程中產(chǎn)生的彈片以及艙室破片會對艦船造成二次損傷?？梢?，空中爆炸對艦船的損傷是一個極其復(fù)雜的過程，因此給相關(guān)研究增加了難度。

鑒于其在國防領(lǐng)域中的重要性，各國海軍以及國內(nèi)外眾多學(xué)者對艦船損傷機(jī)理及計算方法進(jìn)行了大量研究［1，2］。如美國、俄羅斯等國海軍通過實船實彈試驗考查艦船的抗爆抗沖擊能力，我國海軍也進(jìn)行了少量實船實彈試驗，獲取了少量珍貴數(shù)據(jù)。國外學(xué)者Brode、Sadovskyi、Alekseev、Henrych等人通過實驗和理論手段得到了計算空中爆炸沖擊波載荷的經(jīng)驗公式，并給出了這些公式的適用范圍；Taylor對沖擊波各參數(shù)進(jìn)行相似假設(shè)后，求解爆炸波的動量和質(zhì)量守恒方程并得出了著名的“泰勒相似解”。上海交通大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)、海軍工程大學(xué)、701研究所等單位在空中爆炸領(lǐng)域開展了相關(guān)研究并取得了一定的成果；賈光輝、顧壘、向文飛等人通過理論分析對爆炸過程進(jìn)行了分析和推導(dǎo)，得出了應(yīng)力波傳播規(guī)律；朱錫、白雪飛等人以實船試驗為基礎(chǔ)進(jìn)行比較，得出破口計算公式。隨著計算機(jī)科學(xué)及數(shù)值仿真技術(shù)的長足進(jìn)步，應(yīng)用數(shù)值計算方法已成為研究爆炸問題的重要手段，特別是LS－DYNA在求解結(jié)構(gòu)碰撞沖擊和爆炸等問題有著突出的特點［3］，因此在空中爆炸研究領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

1 爆炸載荷的求解

1.1 近場爆炸載荷的求解

1.1.1 爆轟產(chǎn)物初始參數(shù)的求解

對于分子式為CαHβOγNv的炸藥，其爆炸產(chǎn)生的熱效應(yīng)主要取決于其含量中碳、氫和氧3種元素的化學(xué)反應(yīng)，按照其含氧量可以分成3種情況對炸藥爆炸產(chǎn)生的爆熱進(jìn)行計算［4］。由于反艦導(dǎo)彈武器戰(zhàn)斗部多為混合裝藥，因而用單一裝藥求解爆轟參數(shù)的方法不能準(zhǔn)確求解，因此采用物質(zhì)的能量守恒求得炸藥爆炸成分平均分子式，然后再求出混合炸藥的爆轟參數(shù)。

1.1.2 近場爆炸載荷壓力峰值的求解

確定爆轟產(chǎn)物初始參數(shù)后，應(yīng)用高溫氣體膨脹理論求解近場爆炸載荷。

1.1.3 近場載荷正壓作用時間的求解

由于應(yīng)用理論求解很難準(zhǔn)確得出近場載荷隨時間的變化規(guī)率，因而采用數(shù)值方法計算TNT炸藥自由場中近場爆炸壓力載荷正壓作用時間，根據(jù)爆熱等效原理求解混合裝藥爆炸壓力載荷正壓作用時間；高能炸藥模型采用LS－DYNA程序中 MAT＿HIGH＿EXPLOSIVE＿BURN模型，其相應(yīng)參數(shù)分別通過計算及文獻(xiàn)［5］得到；爆轟產(chǎn)物的壓力一般根據(jù)JWL狀態(tài)方程計算，空氣流場采用NULL材料模型，通過JWL狀態(tài)方程計算得到載荷大小，并將其加載到空氣流場上的節(jié)點化為節(jié)點力，用LINEAR－POLY－NOMI－AL狀態(tài)方程加以描述。

1.2 中遠(yuǎn)場爆炸載荷的求解

當(dāng)r≥12r0（r為距爆心的距離，r0為球型藥包半徑），即爆轟氣體與爆炸沖擊波分離，應(yīng)用爆熱等效原理與經(jīng)驗公式［6］結(jié)合的方法，求解中遠(yuǎn)場爆炸載荷壓力的峰值及正壓作用時間。

2 穿艙爆炸載荷作用下艦船結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)計算數(shù)值模擬方法

2.1 數(shù)值計算模型

以某型艦船遭受某型反艦導(dǎo)彈攻擊為例，主要采用大型非線性有限元軟件ANSYS／LS－DYNA，應(yīng)用顯式計算方法對該艦船在反艦導(dǎo)彈穿艙爆炸情況下的毀傷效果和結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬。

2.2 計算前處理

為保證數(shù)值計算載荷輸入的準(zhǔn)確性，本文采用在流場球型加載面施加爆炸壓力載荷的方法［7］；在加載面內(nèi)部施加內(nèi)部流場，以滿足對沖擊波艙室內(nèi)反射的要求；空氣流場劃分時，加載面與結(jié)構(gòu)之間劃分2～3層網(wǎng)格進(jìn)行計算，以滿足沖擊波與結(jié)構(gòu)間的相互作用。內(nèi)部流場劃分足夠細(xì)致的網(wǎng)格，以保證計算的準(zhǔn)確性。

反艦導(dǎo)彈在穿艙過程中，將以穿甲形式侵入艙室內(nèi)部，對艙室結(jié)構(gòu)產(chǎn)生初始破壞。計算其穿艙能力時，應(yīng)用有限元計算軟件LS／DYNA分別對其外表面及著彈點附近結(jié)構(gòu)定義“set＿segment”；應(yīng)用此方法計算穿艙破壞時，應(yīng)注意彈體網(wǎng)格與結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的尺寸匹配問題，若結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與彈體網(wǎng)格尺寸相差較大，會產(chǎn)生彈體自由穿過船體而不發(fā)生破壞這一現(xiàn)象。本文設(shè)定兩者網(wǎng)格的尺寸關(guān)系為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格尺寸不大于彈體網(wǎng)格尺寸的5倍。

2.3 材料模型及參數(shù)

艦船材料以及破壞準(zhǔn)則的選取直接影響到數(shù)值計算的精度，艦船材料采用PLASTIC－KINEMATIC模型，考慮材料應(yīng)變率影響，采用Cowper－Symonds模型［8］描述，具體參數(shù)參見LS－DYNA關(guān)鍵字用戶手冊和理論手冊。

2.4 材料失效準(zhǔn)則

結(jié)構(gòu)產(chǎn)生塑性區(qū)可采用屈服應(yīng)力判斷準(zhǔn)則，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破口與否與有效塑性應(yīng)變密切相關(guān)。不同材料的有效塑性應(yīng)變是不同的，當(dāng)材料產(chǎn)生的應(yīng)變大于材料的有效塑性應(yīng)變時，材料開始產(chǎn)生斷裂，即結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破口。

3 數(shù)值計算方法有效性驗證

應(yīng)用上述方法，計算某型艦船結(jié)構(gòu)在某型反艦導(dǎo)彈穿艙載荷作用下的損傷效果，其效果與實船試驗效果對比如圖1、圖2所示。實船試驗無量綱值與數(shù)值計算無量綱值對比如表1所示。

4 計算結(jié)果與討論

4.1 不同角度穿艙損傷分析

4.1.1 損傷模式及范圍

彈體穿艙角度設(shè)置示意圖如圖3所示。彈體以不同角度攻擊船體結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的破壞效果不同，計算結(jié)果數(shù)據(jù)如表2所示。彈體穿艙過程中在幾個不同時刻船體結(jié)構(gòu)的變形及破壞情況如圖4所示。

圖1 迎穿艙面損傷效果對比示意圖

圖2 背穿艙面損傷效果對比示意圖

表1 某型反艦導(dǎo)彈攻擊下艦船損傷數(shù)據(jù)

圖3 彈體穿艙角度設(shè)置示意圖

表2 彈體以不同角度穿艙對船體結(jié)構(gòu)的損傷

4.1.2 彈體剩余速度及戰(zhàn)斗部起爆位置

彈體以不同角度穿艙其剩余速度隨時間的變化曲線如圖5所示，彈體以不同角度穿艙后，戰(zhàn)斗部起爆位置如表3所示。

圖4 彈體穿艙過程船體結(jié)構(gòu)的變形及破壞情況

4.2 爆炸損傷分析

4.2.1 損傷模式

侵爆過程不同時刻爆炸載荷對艦船結(jié)構(gòu)的損傷效果如圖6所示。

4.2.2 破壞范圍

彈體不同角度穿艙爆炸載荷對艦船結(jié)構(gòu)損傷及艦船結(jié)構(gòu)變形范圍如表4、表5所示。

圖5 彈體不同穿艙角度下其剩余速度隨時間變化曲線

表3 不同穿艙角度下戰(zhàn)斗部起爆位置

圖6 侵爆過程不同時刻損傷效果

表4 不同角度穿艙爆炸載荷對艦船結(jié)構(gòu)損傷范圍

表5 不同角度穿艙爆炸載荷下艦船結(jié)構(gòu)塑性變形范圍

5 結(jié)論

本文應(yīng)用理論方法和數(shù)值計算法相結(jié)合計算了穿艙及爆炸載荷作用下船體結(jié)構(gòu)損傷的破壞范圍及塑性變形范圍，通過數(shù)值計算結(jié)果與實船試驗數(shù)據(jù)對比，其吻合性良好，證明該方法有效。通過本文的計算得到以下結(jié)論：①應(yīng)用理論方法與數(shù)值計算方法相結(jié)合，可較為準(zhǔn)確地得到艙室內(nèi)爆炸載荷的壓力峰值及正壓作用時間，保證計算輸入的準(zhǔn)確性；②應(yīng)用修正球面加載法可以較為準(zhǔn)確地計算穿艙爆炸載荷作用下船體結(jié)構(gòu)的破壞及變形，計算過程中，應(yīng)選擇合適的加載面以保證入射壓力及壓力載荷與結(jié)構(gòu)相互作用的準(zhǔn)確性；③應(yīng)用LS／DYNA定義相互接觸的方法可以模擬反艦導(dǎo)彈彈體對艦船結(jié)構(gòu)的穿艙破壞作用，計算過程中，應(yīng)主要考慮艦船結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與彈體網(wǎng)格的匹配性，以得到準(zhǔn)確計算結(jié)果；④由數(shù)值計算結(jié)果可以看出，穿艙爆炸載荷對于艦船結(jié)構(gòu)的破壞具有局部性；⑤反艦導(dǎo)彈彈體以不同角度穿艙對于艦船結(jié)構(gòu)的破壞范圍是不同的，隨著穿艙角度的減小，破壞范圍呈增大趨勢；⑥艦船結(jié)構(gòu)的損傷及變形范圍與反艦導(dǎo)彈彈體穿艙角度的增減并不呈簡單的相同或相反趨勢，當(dāng)彈體以30°穿艙時，艦船結(jié)構(gòu)破壞及變形最大。

［1］ Brode H L.Blast wave from a spherical charge［J］.The Physics of Fluids，1959（2）：217－229.

［2］ Bort R L.Assessment of shock design methods and shock specifications［J］.Transaction SNAME，1962，70（4）：459－494.

［3］ 王儒策，趙國志.彈丸終點效應(yīng)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，1993.

［4］ 寧建國，王成，馬天寶.爆炸與沖擊動力學(xué)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2010.

［5］ 趙海鷗.LS－DYNA動力分析指南［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，2003.

［6］ 張寶平，張慶明，黃風(fēng)雷.爆轟物理學(xué)［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，2001.

［7］ 姚熊亮，劉向東.球面加載法在艦船艙室爆炸破壞環(huán)境中的應(yīng)用［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2006，27（5）：693－697.

［8］ 梁龍河，王政，曹菊珍.長桿彈對混凝土的侵爆效應(yīng)［J］.爆炸與沖擊，2008，28（5）：415－420.