近場爆炸作用下水面目標毀傷研究

張永坤 劉文思

（91439部隊 大連 116041）

0 引 言

目前國內外學者通常根據所研究問題的特點，對水下爆炸載荷的2個階段沖擊波和爆炸氣泡作用階段分別進行研究［1－4］，對相應的毀傷情況進行了廣泛的研究［5－8］.當結構距離爆源較近時，造成船體結構局部破壞的主要載荷為沖擊波載荷.

文中選取目標是為考核魚雷近場爆炸下對典型艦艇的局部毀傷效應，其主要破壞載荷為沖擊波.仿真計算使用的硬件平臺為高性能集群系統，最高可對1 000萬網格的水下爆炸仿真模型進行仿真計算，其采用的平行計算技術和搭載的128核計算軟件能實現對水下爆炸作用機理的更精確模擬和快速計算.仿真計算使用的軟件為ABAQUS軟件，其采用的是聲固耦合法，此方法是采用聲學單元模擬流場，載荷包含了沖擊波和氣泡脈動的綜合作用，同時還考慮了空化壓力的影響.

1 仿真計算過程

以曙光5000集群系統為計算平臺，以128核并行版ABAQUS大型有限元計算軟件為仿真計算手段，以某水面艦艙段為目標艦，針對320kg TNT當量爆破型戰斗部的遠場沖擊威力和近場毀傷能力進行仿真計算.

1.1 仿真方法驗證

結合某實船爆炸數據，對仿真方法進行驗證.計算工況為1 000kg TNT距左舷70m，水深50 m沉底爆，龍骨沖擊因子為0.337.根據當時爆炸時測點的實際情況選取進行比對的測點位置，分別選擇了3個應變測點和3個加速度測點.測點具體位置分別在：01甲板55＃肋位迎爆面中縱桁縱向應變測點、主甲板25＃肋位迎爆面縱桁縱向應變測點、內底45＃肋位迎爆面第一扶強材邊中間根部板格應變測點、01甲板27＃肋位艦長室垂向加速度測點、主甲板76＃肋位垂向加速度測點、內底47＃肋位垂向加速度測點.對比結果見表1～2.

表1 應變峰值對比

表2 加速度峰值對比

通過對峰值的相對誤差計算，得出應變峰值平均精度77.48%，加速度峰值平均精度77.52%，平均相對誤差均在30%以內，計算精度符合工程要求.

1.2 仿真計算對象

計算對象以某艦為原型，截取艦中兩個艙段為計算模型，長度約為20m，型寬17m，型深12 m.有限元模型見圖1.

圖1 有限元模型

1.3 仿真工況設計

仿真試驗共設置了7個工況，工況設計主要依據水中兵器的裝藥量及使用情況，其中第一個工況采用驗證算法工況相同的沖擊因子.模型計算工況設置見表3.

表3 模型計算工況設置

1.4 測點選取

模型共設置了11個測點，測點位置均位于模型中橫剖面位置，見表4和圖2.

表4 水面目標靶模型測點位置

圖2 水面目標靶模型測點位置

1.5 仿真計算結果

1.5.1 測點加速度計算結果

gk－7爆源位于模型長度方向中部距左舷7.5 m，水深7.7m舷側爆炸，針對320kg TNT當量的戰斗部毀傷能力進行仿真計算（沖擊因子為2.32）.仿真結果顯示：模型舷側及前后橫艙壁的均出現了較大塑性變形及破口，結構基本損壞.應力云圖、不同位置加速度變化及峰值變化曲線見圖3～6.

圖3 初始時刻應力云圖

圖4 最終狀態應力云圖

圖5 模型中部甲板處加速度變化曲線

圖6 模型中甲板處加速度峰值變化曲線

通過一系列的水面毀傷目標等效靶仿真試驗研究表明：艙段前后隔板部分是最先出現變形和破口的部分，且在爆炸距離較遠處也會因爆炸沖擊造成結構震蕩損壞甚至破口，這主要是因為水面艙段模型是從原始艦艇直接摘取的，前后隔板沒有進行加固改造，是艙段結構最為脆弱的部分；沉底水雷對艙段主要是以沖擊損傷為主，沖擊波對薄弱部位直接造成結構塑性變形甚至輕微破口，更嚴重是對結構造成震蕩損傷，會引起整個主甲板的大面積變形以及前后隔板的震蕩破損；魚雷對模型的損傷在遠距離時也是以沖擊震蕩為主，會引起局部震蕩破口，在距離較近時以沖擊波沖擊毀傷為主，同時也會產生局部震蕩破口.在結構加速度峰值變化方面，外板垂向加速度度峰值會隨著結構位置的升高而迅速變小，但在01甲板附近出現再次增大趨勢；在爆源距離較遠時各層甲板中部垂向加速度峰值會隨著甲板升高而迅速下降，但在爆源距離較近時，在2甲板附近垂向加速度峰值最大，上下均迅速變小的類似正態分布趨勢.

由于水面毀傷目標等效靶設計結構的前后隔板原始模型結構較脆弱，不能代表整船結構局部強度，需要進行加固處理，其他結構部位可基本保持不變.因此，水面毀傷目標等效靶結構經仿真試驗驗證設計基本合理，只要前后隔板處經加固后，就可達到設計要求.

2 毀傷理論方法及等級評定

2.1 局部毀傷形式

毀傷最簡單形式就是塑性變形，塑性變形是一個動態過程.當塑性變形達到一定程度，板的厚度由于變得太薄，板被撕裂，形成破口.所以，破口是一種比塑性毀傷來得嚴重的毀傷形式.通常定義為嚴重毀傷.一般的破口不會造成船體的沉沒.但是當破口的范圍很大時，船體迅速進水，就有可能造成船體的沉沒.因此，船體沉沒是最嚴重的毀傷形式.水中爆炸造成的毀傷分為4級，見表5.

表5 毀傷的4個級別

2.2 局部毀傷量化

局部結構塑性毀傷為

式（1）表明結構毀傷是在2個因素的聯合作用下產生的：第一個因子是能量密度SF，它表達了沖擊環境；另一個因子是（σsh）1／2，表達了結構的抗損能力.式（1）可作為代替沖擊因子評估毀傷的一個公式.考慮到無量綱化，可以將式（1）變換為下式：

RF為抵抗因子，它代表結構對沖擊的抵抗能力.該值越大，它的抗爆能力就越大；反之，它的抗爆能力就越小.定義

DF為毀傷因子，它代表結構的毀傷情況.

毀傷因子事實上是應變的平方根（圓板應變的平方根和毀傷因子相等），亦即

式（5）說明了毀傷因子的物理意義.

將式（3）和式（4）代回式（2），得到

式（6）具有非常明顯的直觀含義，毀傷因子與沖擊因子成正比與抵抗因子成反比.

任意炸藥水下爆炸作用下的毀傷因子為

式中：W 為藥包的質量，kg；R為藥包距目標的距離，m；σs為材料的屈服極限，Pa；a為板格相當長度；h為板的相當厚度，m；ksh≈300為常數；Cm和Cγ為與炸藥相關的常數，其數值可以通過實驗的方法確定.

2.3 水面艦艇的毀傷等級劃分

毀傷因子和毀傷等級的關系曲線，見表6.

表6 水面艦艇的毀傷等級劃分

3 仿真方法與理論分析方法比對

根據選擇的戰斗部類型以及計算目標，采用式（6）計算毀傷因子，根據表6對照說明毀傷的情況.首先根據仿真工況計算出目標的沖擊因子，其次根據目標特征計算其抵抗因子，再次根據沖擊因子及抵抗因子計算出根據毀傷等級確定毀傷因子的值，結果見表7.

參照表5（毀傷級別）及表6（水面艦艇毀傷等級劃分），由表7可知，工況1，2，3的毀傷因子對應的等級為4級（輕微毀傷，出現輕微塑性變形）、4級、4級至3級（中等毀傷，出現嚴重塑性變形），與仿真計算所描述的毀傷情形相比較，兩者比較吻合.工況4，5，6，7的毀傷因子對應的毀傷等級為5級至4級、4級、3級至2級、2級（嚴重毀傷，出現破口），與仿真計算結果基本一致.

表7 水面目標毀傷因子

4 結 論

1）結合實船數據對仿真計算方法進行驗證，證明了仿真計算方法的可信性，為目標毀傷仿真計算奠定基礎.

2）采用仿真計算方法對水下爆炸作用下的目標的毀傷情況進行計算，同時采用毀傷理論對其毀傷情況進行分析.

3）對兩種方法的計算結果進行比對，2種方法的計算結果比較吻合.

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