影響魚雷定向戰斗部威力的偏心起爆仿真與試驗

曲大偉，王團盟

（1. 海軍裝備部 西安局，陜西 西安，710065； 2. 中國船舶重工集團公司 第705研究所，陜西 西安，710075）

影響魚雷定向戰斗部威力的偏心起爆仿真與試驗

曲大偉1，王團盟2

（1. 海軍裝備部 西安局，陜西 西安，710065； 2. 中國船舶重工集團公司 第705研究所，陜西 西安，710075）

定向起爆技術可大幅提高魚雷戰斗部的能量利用率, 加大對大中型艦船目標的毀傷。基于此, 對重型魚雷定向戰斗部縮比樣機在3種不同起爆方式下, 在相同測點處的沖擊波超壓進行仿真計算和試驗測試, 結果表明,戰斗部3點偏心起爆方式產生的沖擊波超壓在一定范圍內, 在目標方向上較中心起爆方式有所增強, 偏心距愈大,沖擊波超壓增強幅度愈大。因此, 3點偏心起爆可作為重型魚雷定向戰斗部優先選擇的起爆方式。該文的研究將為優化重型魚雷戰斗部設計提供參考。

重型魚雷； 定向戰斗部； 偏心起爆； 沖擊波超壓

0　引言

重型魚雷戰斗部多數屬于爆破型，為了充分利用裝藥能量，提高化學能量轉化為動能的效率，

戰斗部起爆方式是關鍵技術之一。重型魚雷戰斗部采用中心一點或后端面平面起爆方式，戰斗部爆炸后能量向魚雷徑向均勻分布或向魚雷軸向前方匯聚，在反艦情況下，目標處于魚雷上方，能量利用率較差。采用定向起爆技術，使戰斗部爆炸能量向位于魚雷上方的艦船目標方向匯聚，能夠產生定向聚爆的效果，大幅度提高魚雷戰斗部的能量利用率，加大對大中型艦船目標的毀傷。

文中利用有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA分別對中心起爆和3點偏心起爆方式下重型魚雷戰斗部縮比樣彈爆炸后在目標方向上產生的沖擊波超壓進行數值仿真計算，對比在目標方向相同距離處沖擊波超壓的增益情況，優選出較為合適的起爆方式及偏心距，為優化重型魚雷戰斗部設計提供參考。

1　仿真模型建立

1.1幾何模型

重型魚雷戰斗部水下威力測試因海況復雜、測試范圍大、測試傳感器和效應靶較難布置、動態下魚雷戰斗部爆炸近場和遠場區域很難具體確定，常采用陸上靜爆試驗進行戰斗部性能摸底和毀傷效果評估，但全尺寸重型魚雷戰斗部靜爆試驗費時長、耗資大、試驗條件較難控制，故常采用按一定比例縮小的模型代替原型試驗，以取得工程設計或毀傷效應分析中所需的各種數據，探求具體工程技術問題中有關物理量間的定性關系［1］。

數值仿真采用一定比例的縮比模型，模擬重型魚雷戰斗部不同起爆方式下的陸上靜爆試驗。在ANSYS前處理程序中計算出魚雷戰斗部縮比模型裝藥量1.412 kg，裝藥形狀為長徑比L/D=1.5的圓柱體，有限域空氣介質形狀為（φ1 600×930） mm的圓柱體，戰斗部裝藥有限元模型見圖1。受定向起爆方式的影響，沖擊波在空氣中傳播只關于1個平面對稱。為縮短計算時間，取1/2結構建立3D模型，仿真系統示意見圖2。各部分模型均為SOLID164［2］實體單元類型，映射網格劃分。仿真系統有限元模型共劃分379 008個六面體單元，炸藥、空氣均劃分為Euler單元，空氣邊界設定為非反射邊界（*BOUNDARY_NON_ REFLEC TING［3］）。

圖1　裝藥有限元模型Fig. 1　Finite element model of charging

圖2　仿真系統示意圖Fig. 2　Schematic of the simulation system

1.2材料模型

炸藥能量瞬間釋放，近似理想爆轟，符合Chapman-Jouget條件和Rankine-Hugoniot［4］關系，其材料模型選用高能炸藥燃燒與增長模型。爆轟產物的膨脹采用JWL （Jones-Wilkins-Lee）狀態方程，此狀態方程可以很好地描述高能炸藥爆炸作用過程及爆轟產物，其形式為

式中: A，B，R1，R2和ω為試驗擬合參數； E為體積內能，J·m-3； V為體積，m3。

炸藥的材料模型及狀態方程主要參數見表1。

表1　炸藥材料模型及狀態方程主要參數Table 1　Main parameters of explosive material model and equation of state

空氣介質采用空材料［3］本構關系的線性多項式狀態方程來描述，不考慮應力偏量，僅在與周圍介質接觸時考慮空氣楊氏模量和泊松比的作用，且

式中: C0～C6為多項式系數； η=ρ/ρ0-1，且ρ ρ0為當前密度和初始密度比率。空氣介質線性多項式狀態方程主要參數見表2。

表2　空氣介質線性多項式狀態方程主要參數Table 2　Main parameters of linear polynomial equation of state for air medium

1.3算法選擇

ANSYS/LS-DYNA程序具有Lagrange、Euler和ALE（arbitrary lagrangian eulerian）算法。Lagrange算法的單元網格附著在材料上，隨著材料的流動而產生單元網格的變形。但是在結構變形過于巨大時，有可能使有限元網格造成嚴重畸變，引起數值計算的困難，甚至程序終止運算。ALE算法和Euler算法可以克服單元嚴重畸變引起的數值計算困難，并實現流體-固體耦合的動態分析。Euler算法則是材料在一個固定的網格中流動，在LS-DYNA中只要將有關實體單元標志Euler算法，并選擇輸運算法［5］，就可以進行仿真計算。

文中用有限元仿真程序計算距爆炸中心一定距離處的沖擊波超壓，仿真系統只有炸藥和空氣2種物質。由于炸藥爆炸過程和空氣介質具有流體特性，采用Euler算法比較合適。

2　仿真過程

魚雷戰斗部內部有各種管路、傳感器、控制組件和電子元器件，受內部結構尺寸限制，根據理論分析及戰斗部裝藥空間實際特點，設計戰斗部起爆偏心距為Δδ1=0mm ，Δδ2=17 mm，Δδ3= 27 mm3種。當偏心距Δδ1=0 mm時，起爆點數量為1，且位于戰斗部幾何中心，即為中心單點起爆方式。當偏心距Δδ2=17 mm，Δδ3=27 mm時，起爆點數量為3，且在戰斗部裝藥內同一條直線上均勻分布。設計算程序終止時間500 ηs，通過ANSYS/LS-DYNA后處理程序LS- PREPOST可看出3種起爆方式下2.5 ηs和90 ηs時刻的沖擊波形圖（見圖3和圖4）。

圖3　2.5 ηs時刻3種起爆方式爆炸沖擊波形圖Fig. 3　Explosive shock wave forms of three initiation ways at 2.5 ηs

圖4　90 ηs時刻3種起爆方式仿真系統沖擊波形圖Fig. 4　Simulated shock wave forms of three initiation ways at 90 ηs

中心起爆方式下，縮比戰斗部軸向和徑向沖擊波在空氣中呈對稱性傳播，在距裝藥較近處沖擊波陣面呈橢球形； 另外2種不同偏心距在3點起爆方式下，沖擊波在空氣中傳播只有一個對稱面（即仿真系統模型對稱平面），在縮比戰斗部徑向方向，沖擊波向偏心起爆點偏離戰斗部軸線的相反方向增強，在縮比戰斗部軸向方向無明顯變化。

3　仿真結果與試驗驗證

3.1計算測試距離

根據爆炸沖擊波在傳播過程中的衰減規律，空氣中沖擊波壓力大小與對比距離有關［6］

式中:r為對比距離，mkg-3； r為測點到爆炸中心的距離，m； W為TNT裝藥質量，kg；

在相同對比距離條件下，沖擊波超壓的大小是相同的，即

依據實際重型魚雷戰斗部裝藥量和戰斗部對目標的最佳作用距離，由對比距離計算出，1.412 kg、1.7倍TNT當量的炸藥測試距離為400 mm和600 mm。

3.2仿真結果

在縮比戰斗部徑向方向，距中軸線400 mm、600 mm處分別選取單元287 520、294 432繪制沖擊波壓力時程曲線見圖5和圖6。

圖5　400 mm處沖擊波壓力曲線Fig. 5　Curves of shock wave pressure versus time at a distance of 400 mm

從圖中可知，采用3點偏心起爆較中心起爆在相同測試距離處，空氣中沖擊波超壓有明顯增強； 偏心距Δδ3=27 mm 較Δδ2=17 mm在相同測點沖擊波超壓有所增強； 在相同測點，3點偏心起爆較中心起爆沖擊波壓力更早達到峰值，這說明3點偏心起爆后，沖擊波在空氣中傳播速度比中心起爆方式下的速度大。仿真計算結果各種數據統計見表3。

圖6　600 mm處沖擊波壓力曲線Fig. 6　Curves of shock wave pressure versus time at a distance of 600 mm

表3　仿真及試驗結果數據統計表Table 3　Statistics of simulation and experiment results

3.3試驗驗證

驗證試驗采用和數值仿真計算基本相同的樣彈結構尺寸和布置方法，3種不同起爆方式的重型魚雷縮比戰斗部樣彈各試驗2發，測試距樣彈軸線400 mm和600 mm處的沖擊波超壓。根據CB1238-93《魚雷戰斗部靜爆試驗方法》的要求，戰斗部放在試驗架上引爆，試驗架高度應滿足

式中: H為戰斗部離地面高度，m。

戰斗部裝藥按1.7倍TNT當量計，試驗中縮比戰斗部試驗架的理論高度為

試驗架實際高度設定為1 000 mm。試驗系統布置如圖7，試驗現場如圖8。3種起爆方式下測試沖擊波超壓平均值統計見表3，偏心起爆對比中心起爆沖擊波超壓增益情況見表4。

由表3和表4知，重型魚雷戰斗部縮比樣彈沖擊波超壓仿真計算結果和試驗測試結果比較接近，2種方式在相同測點處的沖擊波超壓，以及偏心起爆方式下對比中心起爆方式下的沖擊波超壓增益值平均偏差為5.58%； 偏心起爆產生的沖擊波超壓在一定的距離范圍內，在目標方向上增加9.3%～24.5%； 偏心距為27 mm的起爆方式在目標方向上沖擊波超壓增強幅度較偏心距為17 mm的大。根據計算結果可以推論，如果繼續增大偏心距，在起爆點的相對一側相同測點處的沖擊波超壓仍然會繼續增強，但最大偏心距不僅受戰斗部裝藥尺寸限制，也受戰斗部總體結構設計的限制，偏心距的設定需要結合戰斗部總體設計統籌考慮。

圖7　試驗系統示意圖Fig. 7　Schematic of the experiment system

圖8　試驗現場圖Fig. 8　Picture of experimental field

表4　對比中心起爆沖擊波超壓增益情況統計表Table 4　Statistics of shock wave overpressure peak gains by contrast with that of central initiation

4　結束語

通過對重型魚雷縮比戰斗部樣彈3種不同起爆方式下產生的沖擊波超壓的仿真計算，以及與試驗結果的比較，可以得出如下結論: 1） 重型魚雷戰斗部縮比樣彈爆炸后，空氣中沖擊波超壓仿真計算結果和試驗測試結果平均偏差5.58%，仿真計算結果與試驗結果符合性較好； 2） 戰斗部偏心起爆可使沖擊波超壓向偏心起爆點偏離戰斗部軸線的相反方向增強，3點偏心起爆產生的沖擊波超壓在一定的距離范圍內，在目標方向上較中心起爆增加9.3%～24.5%； 3） 偏心距為27 mm的起爆方式在目標方向上沖擊波超壓增強幅度較偏心距為17 mm的大，可作為優選偏心距； 4） 受魚雷戰斗部內部結構限制，從工程角度采用3點偏心起爆方式比較容易實現，并能在不增加戰斗部裝藥量的條件下較大幅度提高沖擊波在目標方向的威力，可作為重型魚雷戰斗部起爆技術的優先選擇方案。

［1］張守保，劉新房. 侵徹爆炸效應實驗中應重視的若干問題［C］//福建: 第四屆全國爆炸力學實驗技術學術會，2006.

［2］張寶平，張慶明，黃風雷. 爆轟物理學［M］. 北京: 兵器工業出版社，2001.

［3］Livermore Software Technology Corporation. LS-DYNA Theoretical Manual［M］. California: Livermore Software Technology Corporation，2001.

［4］趙海鷗. LS-DYNA動力分析指南［M］. 北京: 兵器工業出版社，2003.

［5］Livermore Software Technology Corporation. LS-DYNA Keyword User′s Manual［M］. California: Livermore Software Technology Corporation，2003.

［6］北京工業學院八系《爆炸及其作用》編寫組. 爆炸及其作用［M］. 北京: 國防工業出版社，1979.

（責任編輯: 楊力軍）

Influence of Eccentric Initiation on Torpedo Directional Warhead Power：a Simulation and Experimental Research

QU Da-wei1，WANG Tuan-meng2
（1. Xi′an Representative Bureau，Naval Armament Department，Xi′an 710054，China； 2. The 705 Research Institute，China Shipbuilding Industry Corporation，Xi′an 710075，China）

Directional initiation technology can increase the power utilization ratio of directional warhead for a torpedo，and enhance the damage to large ship target. In this study，numerical simulation and experiment were conducted to investigate the shock wave overpressure of the scale-reduced prototype of heavyweight torpedo directional warhead at same testing point in three different initiation ways. The results show that in certain distance range，the 3-point eccentric initiation of the warhead generates higher shock wave overpressure in the direction of target than central initiation，and the shock wave overpressure increases significantly with the increase in eccentricity. Therefore，the 3-point eccentric initiation becomes the preferential initiation way for heavyweight torpedo directional warhead. This research may provide a reference for optimization design of heavyweight torpedo directional warhead.

heavyweight torpedo； directional warhead； eccentric initiation； shock wave overpressure

TJ630.2； TJ410.2

A

1673-1948（2015）02-0129-05

2014-12-25；

2015-01-24.

曲大偉（1975-），男，工程師，主要從事魚雷總體技術研究.