不同當(dāng)量水雷戰(zhàn)斗部水下爆炸對目標(biāo)損傷特性分析

王樹樂，張義帥，胡迺成，崔慶揚(yáng)

(1.中國人民解放軍91439部隊(duì), 遼寧 大連 116041； 2.中國人民解放軍91046部隊(duì)， 山東 煙臺 265200)

【裝備理論與裝備技術(shù)】

不同當(dāng)量水雷戰(zhàn)斗部水下爆炸對目標(biāo)損傷特性分析

王樹樂1，張義帥2，胡迺成1，崔慶揚(yáng)1

(1.中國人民解放軍91439部隊(duì), 遼寧 大連 116041； 2.中國人民解放軍91046部隊(duì)， 山東 煙臺 265200)

以經(jīng)過實(shí)船爆炸數(shù)據(jù)修正的數(shù)值算法為手段，數(shù)值模擬了兩種不同當(dāng)量的水雷戰(zhàn)斗部對目標(biāo)的損傷特性，對比分析了不同水雷戰(zhàn)斗部在相同沖擊因子和實(shí)戰(zhàn)打擊距離條件下對目標(biāo)的損傷模式。本研究可為水雷戰(zhàn)斗部的設(shè)計(jì)及水雷作戰(zhàn)使用提供參考。

水雷戰(zhàn)斗部；水下爆炸；數(shù)值仿真

水雷作為防御性的水中兵器，具有爆炸威力大、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，可布設(shè)到各種水域航道中，對過往艦船構(gòu)成嚴(yán)重威脅。傳統(tǒng)水雷爆炸當(dāng)量大、作用距離遠(yuǎn)，而隨著水雷技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)的特種水雷其爆炸當(dāng)量較小，但目標(biāo)作用距離更近更精確。因此，針對不同當(dāng)量水雷爆炸毀傷特性的研究對水雷的發(fā)展和艦船的防護(hù)均有重要意義。數(shù)值模擬是研究水下爆炸機(jī)理的重要手段，而ABAQUS軟件是其中應(yīng)用比較廣泛的一款數(shù)值仿真軟件。ABAQUS軟件是一款功能強(qiáng)大的非線性有限元分析軟件，適用于分析復(fù)雜的非線性問題。對水下爆炸現(xiàn)象的數(shù)值仿真使用的是軟件鑲嵌的聲固耦合方法。

前人對水下非接觸爆炸做過大量研究，水下非接觸爆炸對結(jié)構(gòu)的損傷主要是沖擊波和氣泡的作用，沖擊波[1]以及氣泡脈動載荷[2-3]會造成船體結(jié)構(gòu)整體毀傷，對總強(qiáng)度產(chǎn)生影響，如果爆炸強(qiáng)度較大，甚至?xí)鹋灤逘钸\(yùn)動，進(jìn)而發(fā)生折斷等現(xiàn)象。牟金磊等[4]認(rèn)為，氣泡引起的加筋板塑性變形撓度超過總變形量的30%。陳輝等[5]對不同裝藥的水下爆炸沖擊環(huán)境進(jìn)行了研究，得出了加速度、速度等要素與沖擊波載荷的關(guān)系。本文運(yùn)用ABAQUS軟件，數(shù)值模擬了1 375 kg TNT當(dāng)量和300 kg TNT當(dāng)量水雷戰(zhàn)斗部針對同一目標(biāo)的損傷特性，對比分析了兩種典型當(dāng)量水雷爆炸對目標(biāo)的不同損傷特征。

1 水下爆炸數(shù)值仿真技術(shù)及仿真算法驗(yàn)證

1.1 仿真計(jì)算基礎(chǔ)

本文使用ABAQUS軟件對1 375 kg TNT當(dāng)量水雷戰(zhàn)斗部沉底爆炸和300 kg TNT當(dāng)量水中爆炸進(jìn)行數(shù)值模擬。ABAQUS采用聲固耦合方法進(jìn)行水下爆炸計(jì)算，聲固耦合方法主要涉及三個(gè)基礎(chǔ)理論方程。

以流體壓力為變量的流體運(yùn)動方程：

(1)

由虛功原理定義的結(jié)構(gòu)方程：

(2)

離散化的流固耦合有限元方程：

(3)

其中，

1.2 仿真精度驗(yàn)證

本文使用的ABAQUS仿真算法經(jīng)過實(shí)船爆炸實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。驗(yàn)證試驗(yàn)的工況為1 000 kg TNT當(dāng)量爆源距實(shí)船左舷70 m，水深50 m沉底爆炸(沖擊因子0.36)。仿真計(jì)算時(shí)的爆源設(shè)置采用與實(shí)船爆炸相一致的爆距、方位及TNT當(dāng)量。根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)測點(diǎn)的位置不同，分別選取01甲板和主甲板某肋位迎爆面中縱桁縱向應(yīng)變測點(diǎn)、內(nèi)底某肋位迎爆面第一扶強(qiáng)材邊中間根部板格應(yīng)變測點(diǎn)、01甲板某肋位艦長室垂向加速度測點(diǎn)、主甲板某肋位垂向加速度測點(diǎn)和內(nèi)底某肋位垂向加速度測點(diǎn)，對應(yīng)變和加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行了重點(diǎn)分析，計(jì)算使用的海底反射系數(shù)為1.5。具體結(jié)果如下，其中對數(shù)值作了歸一化處理：

表1 仿真與試驗(yàn)應(yīng)變峰值

表2 仿真與試驗(yàn)加速度峰值

對比仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)變和加速度平均誤差在30%以內(nèi)，說明本研究使用的仿真方法符合工程計(jì)算要求，表1中的L為最大應(yīng)變，表2中的A為最大加速度。

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 目標(biāo)模型簡介

本文選擇的目標(biāo)為某船的典型艙段，構(gòu)建的有限元模型如圖1。具體參數(shù)如下：長度為16 m，型寬10 m，型深8 m，重量186 t，采用4層甲板，雙底結(jié)構(gòu)。

2.2 工況設(shè)置

根據(jù)研究需要，仿真試驗(yàn)設(shè)置了6個(gè)工況。工況設(shè)計(jì)主要依據(jù)沉底水雷和特種水雷的引信工作半徑及毀傷等級設(shè)定，具體信息如表3所示。

表3 工況設(shè)置

2.3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

gk-1爆源位于模型長度方向中部距左舷90 m，水深64 m沉底爆炸，是以沉底水雷為模型，針對1 375 kg TNT當(dāng)量的戰(zhàn)斗部毀傷能力進(jìn)行仿真計(jì)算，沖擊因子為0.337。仿真結(jié)果顯示：結(jié)構(gòu)舷側(cè)沒有產(chǎn)生塑性變形，前后橫艙壁的2甲板以下部分產(chǎn)生了較大塑性變形，但沒有出現(xiàn)破口，如圖2所示。

gk-2爆源位于模型長度方向中部距左舷61 m，水深40 m沉底爆炸，是以沉底水雷為模型，針對1 375 kg TNT當(dāng)量的戰(zhàn)斗部毀傷能力進(jìn)行仿真計(jì)算(沖擊因子為0.511)。仿真結(jié)果顯示：模型舷側(cè)前方舭部產(chǎn)生局部塑性變形，前后橫艙壁的2甲板以下部分塑性變形較大，但沒有出現(xiàn)破口，主甲板明顯下凹，如圖3所示。

gk-3爆源位于模型正下方水深40 m沉底爆炸，是以沉底水雷為模型，針對1 375 kg TNT當(dāng)量的戰(zhàn)斗部毀傷能力進(jìn)行仿真計(jì)算，沖擊因子為1.03。仿真結(jié)果顯示：模型舷側(cè)以及前后橫艙壁的2甲板以下部分產(chǎn)生了較大塑性變形，且前后橫艙壁均出現(xiàn)破口，結(jié)構(gòu)基本損壞，主甲板震蕩下凹，如圖4所示。

gk-4爆源位于模型長度方向中部距龍骨38 m，水深40 m舷側(cè)爆炸，以某型特種水雷為模型，針對300 kg TNT當(dāng)量的戰(zhàn)斗部毀傷能力進(jìn)行仿真計(jì)算，沖擊因子為0.337。仿真結(jié)果顯示：模型舷側(cè)沒有產(chǎn)生塑性變形，但前后橫艙壁的2甲板以下部分產(chǎn)生了較大塑性變形破口，如圖5所示。

gk-5爆源位于模型長度方向中部距左舷17 m，水深11.7 m舷側(cè)爆炸，是以某型特種水雷為模型，針對300 kg TNT當(dāng)量的戰(zhàn)斗部毀傷能力進(jìn)行仿真計(jì)算(沖擊因子為0.929)。仿真結(jié)果顯示：模型舷側(cè)沒有產(chǎn)生塑性變形，前后橫艙壁的2甲板以下部分產(chǎn)生了較大塑性變形，但沒有出現(xiàn)破口，如圖6所示。

gk-6爆源位于模型長度方向中部距左舷8.7 m，水深7.2 m舷側(cè)爆炸，是以某型特種水雷為模型，針對300 kg TNT當(dāng)量的戰(zhàn)斗部毀傷能力進(jìn)行仿真計(jì)算(沖擊因子為1.74)。仿真結(jié)果顯示：模型舷側(cè)沒有產(chǎn)生塑性變形，前后橫艙壁的2甲板以下部分產(chǎn)生了較大塑性及破口，如圖7所示。

3 結(jié)論

1) 遠(yuǎn)場且沖擊因子相同的工況下，當(dāng)量較大的沉底水雷戰(zhàn)斗部對模型的損傷主要表現(xiàn)在對局部結(jié)構(gòu)薄弱部位的沖擊波壓力損傷，沒有引起總體或局部震蕩；而當(dāng)量較小的特種水雷戰(zhàn)斗部對模型會引起局部結(jié)構(gòu)薄弱部位的震蕩損傷，出現(xiàn)大面積破口。結(jié)構(gòu)局部損傷會使艦船的戰(zhàn)斗力下降，因此，在水雷打擊時(shí)也應(yīng)該考慮結(jié)構(gòu)局部板塊的共振頻率。

2) 在中近場水下爆炸的情況下，當(dāng)量較大的沉底水雷戰(zhàn)斗部對模型局部結(jié)構(gòu)仍以沖擊波壓力損傷為主。因距離變近而使局部變形更為嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)破口，引起整體震蕩變形，使整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，可認(rèn)為結(jié)構(gòu)基本損毀。而當(dāng)量較小的特種水雷戰(zhàn)斗部在引起模型局部震蕩損傷同時(shí)，還對局部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大面積破口損傷，使結(jié)構(gòu)基本損毀，但不會引起結(jié)構(gòu)整體震蕩。

3) 當(dāng)量較大的沉底水雷在舷側(cè)爆炸時(shí)主要以局部損傷為主，結(jié)構(gòu)總體震蕩不明顯，但在船中底部爆炸時(shí)，結(jié)構(gòu)總體震蕩效果明顯，與水下爆炸規(guī)律基本吻合。

[1] HUANG H.Transient Bending of a Large Elastic Plate by an Incident Spherical Pressure Wave[J].J Aco Ust Soc Am，2002，111(4):1584-1601.

[2] KLASEBOER E,HUNG K C,WANG C,et al.92 Experimental and Numerical Investigation of the Dynamics of an Underwater ExplosionBubble near a Resilient/rigid Structure[J].J Fluid Mech，2005，537:387-413.

[3] POPINET S,ZALESKI S.Bubble Collapse near a Solid Boundary[J].J Fluid Mech，2002，464:137-163.

[4] 牟金磊，朱錫，黃曉明.艦船局部結(jié)構(gòu)在水下爆炸載荷作用下的塑性變形分析[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，22(3).

[5] 陳輝，李玉節(jié)，潘建強(qiáng).水下爆炸條件下不同裝藥對水面艦船沖擊環(huán)境的影響試驗(yàn)研究[J].振動與沖擊，2011(7):30.

(責(zé)任編輯周江川)

AnalysisofDifferentMinesWarheadDamageforOneTargetinUNDEX

WANG Shule1, ZHANG Yishuai2, HU Naicheng1, CUI Qingyang1

(1.The No. 91439thTroop of PLA, Dalian 116041, China； 2.The No. 91046thTroop of PLA, Yantai 265200, China)

We calculate the damage capacity of different mines warhead based on numerical method of proofread. And we analyze the damage mode of different mines warhead on the same impulsive factor or effective action distance. This study can be important reference for mines’ warhead of design and combat employment method of mine.

mines warhead; underwater explosion; numerical simulation

2017-03-02；

：2017-03-28

：國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體項(xiàng)目(51221961)

王樹樂(1982—)，男，碩士，工程師，主要從事水下爆炸仿真與評估研究。

10.11809/scbgxb2017.09.004

format:WANG Shule, ZHANG Yishuai, HU Naicheng,et al.Analysis of Different Mines Warhead Damage for One Target in UNDEX [J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(9):17-20.

U674.7+03.5

：A

2096-2304(2017)09-0017-04

本文引用格式：王樹樂，張義帥，胡迺成，等.不同當(dāng)量水雷戰(zhàn)斗部水下爆炸對目標(biāo)損傷特性分析[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(9):17-20.