半球形聚能裝藥對復合靶板結構的毀傷數值仿真與試驗研究

劉念念, 宋丹丹, 金 輝, 張阿漫

(1.哈爾濱工程大學 船舶工程學院，哈爾濱 150001；2.中國人民解放軍91439部隊，遼寧 大連 116041)

聚能裝藥戰斗部[1]對攻擊目標精確打擊和高效毀傷的特點使它成為目前水中兵器戰斗部研究發展的重要方向。聚能射流[2]是聚能型兵器在水下爆炸后產生的高速流體，其對靶板結構的侵徹能力是衡量艦載導彈等水中兵器對目標毀傷能力的重要指標，在軍事上有重要的現實意義。國內外學者針對這一工程問題做了廣泛的研究。Zu等[3]從理論和試驗兩種方法研究了錐形裝藥對橡膠復合裝甲結構的毀傷，確定了橡膠隔板的最佳傾斜角度及板厚；Molinari等[4]用有限元法模擬了聚能射流對簡單靶板結構的侵徹過程；程素秋等[5]利用ALE算法進一步研究了聚能戰斗部對雙層靶板結構的毀傷模式；楊剛等[6]采用SPH方法模擬了不同藥型罩線性聚能射流的形成及對后效靶板的侵徹過程，得到了不同的射流特征以及侵徹金屬靶板的破口寬度隨時間的變化規律。張洋溢等[7]將爆轟波斜沖擊金屬介質理論應用于聚能裝藥藥型罩設計中，得出了圓錐形和球缺形藥型罩在點起爆條件下罩高參數確定的工程算法，并應用于組合式戰斗部的設計中。梁爭峰等[8-9]通過實驗方法研究了間隔靶板結構對聚能射流侵徹的影響并確定影響了的極限值。以上研究對于評估聚能型水中兵器對靶板侵徹能力有重要的指導意義，但是針對潛艇這一主要作戰目標的毀傷機理、毀傷要素的研究還不夠深入，尤其對聚能戰斗部穿透非耐壓殼及耐壓殼后的后效毀傷能力缺乏系統的研究。

目前，聚能戰斗部對結構毀傷的實爆試驗研究多為陸上試驗[10]，其爆炸機理相比戰斗部在水下爆炸的過程存在很大差異，試驗結果也只能說明戰斗部爆轟的完整性，而不能全面評估戰斗部對攻擊目標的毀傷威力[11]。全尺寸魚雷戰斗部的靜爆試驗則由于耗資大、費時長，重復性差的特點使得試驗的難度大大提高[12]。

針對上述問題，為探索實際海戰中雙層殼體潛艇結構遭遇聚能戰斗部水中兵器的襲擊時，艇體及內部設備的毀傷情況，本文按照1∶4的縮尺比，建立復合靶板有效模型，開展半球形聚能戰斗部水中兵器的復合靶板試驗，并結合AYTODYN[13]軟件進行數值模擬，探討聚能戰斗部水中兵器對潛艇結構的毀傷特性。

1 基本理論和方法

1.1 多物質流固耦合算法

多物質流固耦合算法[14-17]結合了Euler流體動力學和Lagrange結構動力學兩種算法，往往用來計算數值模擬中的炸藥爆轟過程，其中炸藥和流體介質(如空氣、水、土壤等)用 Euler單元描述，以避免在流體大變形過程中出現的網格畸變和滑移面處理等關鍵問題，固體結構則采用 Lagrange 單元描述，再將兩者進行耦合求解。本文中聚能射流對靶板的侵徹屬于高應變率過程，因此引入多物質流固耦合算法進行研究。

1.2 材料狀態方程

對于TNT爆轟產物，采用Jones-Wilkins-Lee(JWL)狀態方程計算壓力[18]：

p=A(1-ωη/R1)e-R1/η+B(1-ωη/R2)e-R2/η+ωηρ0u

(1)

式中：p為爆轟產物的壓力；η=ρ/ρ0為爆轟產物的相對比容；A、B、R1、R2和ω分別為與炸藥狀態有關的常數；u為單位質量炸藥的內能，具體參數取值如表1所示。

表1 TNT狀態方程參數

靶板材料為4340型鋼，藥型罩材料為紫銅，材料模型采用Johnson-Cook本構模型[19]：

(2)

表2 藥型罩和靶板的Johnson-Cook模型參數

用式(3)的SHOCK狀態方程[17]計算爆炸水域壓力，

(3)

式中：pH和eH為沖擊波關系式，表達式如下：

(4)

(5)

式中：D和μ分別表示沖擊波速度和波后質點速度；λ和c0為常數，文中取為c0=1.647×103m/s，λ=1.921，ρ0=0.998 g/cm3。

2 數值研究

2.1 數值模型

目前，國內針對聚能戰斗部水中兵器對于潛艇的破壞分析試驗多數簡化為聚能戰斗部對靶板結構的侵徹，該種方法對于聚能戰斗部的侵徹能力具有一定的評估價值，但對于非耐壓殼及耐壓殼的具體毀傷分析以及艇內設備毀傷情況參考意義不大。為了考核聚能裝藥在侵徹耐壓殼后的后效毀傷能力，通常在耐壓殼模擬靶后布置數個具有一定間隔的后效靶板[20]。

圖1 復合靶板結構模型Fig.1 The composite armor model

圖2 數值計算模型(二維剖面圖)Fig.2 Numerical calculation model(2D profile)

建立圖1所示的復合靶板結構模型，模型結構由非耐壓殼板、耐壓殼板、頂板、底板、6塊后效靶板及4個鋼管結構組成，其中非耐壓殼板和耐壓殼板均為0.6 m×0.6 m，厚度分別為d1和d2，后效靶板的厚度為d3，具體參數如表3所示。數值計算模型如圖2所示，其中鋼管和兩個殼板的連接關系是硬接觸，當鋼管和殼板之間的接觸壓力變為零或者負值時，兩個接觸面發生分離。聚能戰斗部由藥型罩及炸藥兩部分組成，藥型罩的厚度t″=2.5 mm；半球形裝藥的直徑d=0.081 m，高度h=0.105 m，炸高l=0.07 m，G點為起爆點。

表3 復合靶板模型參數

2.2 聚能裝藥對復合靶板的毀傷

2.2.1 金屬射流對非耐壓殼板及耐壓殼板的毀傷

半球形聚能裝藥在水下引爆后會形成桿式金屬射流，這種射流受炸高的影響較小，藥型罩利用率較高，具有良好的破甲能力[21-22]。圖3給出了金屬射流在侵徹非耐壓殼板及耐壓殼板過程中的速度云圖，由圖可知，隨著金屬射流持續向前運動，射流不斷拉長變細，并且由于射流在對非耐壓殼板及耐壓殼板的侵徹過程中能量的損失，金屬射流速度持續減小。

金屬射流擊穿非耐壓殼板后持續運動，在約145 μs時到達耐壓殼板，耐壓殼板的應力云圖如圖4所示。金屬射流運動至耐壓殼板附近時，在層間水的傳遞下，作用于耐壓殼板的沖擊波壓力使得殼板結構的局部應力迅速增大，如圖4(a)所示；隨著射流持續向前運動，射流頭部在耐壓殼板處發生堆積，如圖4(b)所示；耐壓殼板在射流的侵徹下剪切破口不斷變大，應力波在耐壓殼板中迅速傳播，在約155 μs時，耐壓殼板被擊穿，如圖4(c)所示。

圖3 金屬射流速度云圖Fig.3 Velocity contour of jet formation

圖4 耐壓殼板應力云圖Fig.4 Stress contour of pressure-resistant shell

2.2.2 金屬射流對后效靶板的毀傷

金屬射流對后效靶板的毀傷過程如圖5所示，從圖中可以看出，金屬射流在爆轟產物作用下不斷向前拉伸，且射流寬度逐漸變小。金屬射流在經過復合靶板內部空氣層后擊穿后效靶板，射流在侵徹過程中，射流頭部在后效靶板處發生堆積。后效靶板被金屬射流擊穿后產生剪切破口，破口直徑明顯大于射流直徑，破口半徑統計如表4所示，從表中數據可以看出，破口尺寸先增大后減小，這與金屬射流在侵徹靶板過程中的射流堆積及能量損耗有關。

圖5 復合靶板應力云圖Fig.5 Stress contour of composite armor

后效靶板編號123456破口半徑/mm11.9112.0511.7210.239.318.94平均破口半徑/mm10.69

隨著爆轟產物的持續膨脹，水中爆炸沖擊波壓力開始作用于非耐壓殼板，并引起非耐壓殼板向內凹陷，同時在層間水的傳遞下，沖擊波載荷作用于耐壓殼板，耐壓殼板在沖擊波載荷的作用下向內凹陷，并與非耐壓殼板分離，如圖6所示。聚能裝藥爆轟完全后復合靶板結構的毀傷結果圖7所示，在后續氣泡載荷的作用下，非耐壓殼板與結構徹底分離，耐壓殼向內大面積塑性凹陷并出現剪切破口，破口半徑約為13.45 mm。

圖6 非耐壓殼及鋼管與結構分離Fig.6 Separation of pressure-nonresistant shell and steel pipe

圖7 復合靶板的毀傷結果Fig.7 Damage result of composite armor

2.2.3 金屬射流的速度分析

在金屬射流侵徹靶板結構過程中，射流速度變化如圖8所示，聚能裝藥在水下引爆后，射流速度在約25 μs的短時間內達到最大值3 452 m/s，隨著靶板侵徹過程的進行，射流速度逐漸減小，侵徹過程結束后約為1 780 m/s。其中，非耐壓殼板、層間水及耐壓殼板對聚能射流速度的衰減作用較為明顯。表5為聚能射流速度統計表，從表中數據可以看出，非耐壓殼板對金屬射流的衰減作用最強，其次是層間水，最后是耐壓殼板。

圖8 金屬射流速度時歷曲線Fig.8 Velocity-time curve of shaped charge jet

射流頭部位置非耐壓殼板外非耐壓殼板內耐壓殼板外耐壓殼板內射流速度/(m·s-1)3330280522082064速度衰減值/(m·s-1)525597144時間間隔/μs108025衰減速率×106/(m·s2)52.57.465.76

3 試驗研究

3.1 試驗設計

復合靶板實爆試驗位于海上進行，試驗重復進行了三次，試驗裝置如圖9所示，爆炸深度為水下1 m，試驗模型參數與上文仿真模型一致。試驗中，用斷通靶測速設備測量記錄聚能射流穿透斷通靶的時間，聚能裝藥爆炸產生的流場壓力用水下爆炸試驗測量裝置測量。試驗后，測量記錄各層靶板穿透、破口情況，實驗數據由中國人民解放軍91439部隊提供。

圖9 復合靶板實爆試驗裝置Fig.9 Experimental installation diagram of composite armor

3.2 試驗結果分析

3.2.1 非耐壓殼板及耐壓殼板的毀傷情況分析

實爆試驗后的非耐壓殼板由于受到強沖擊波載荷的作用而飛散，這與上文數值仿真結果一致。圖10(a)給出了耐壓殼板的毀傷結果，殼體大面積向內凹陷，同時四周的支撐板材向內聚攏，選取耐壓殼凹口表面的內接矩形作為破壞毀傷后的殼板尺寸，如圖中矩形所示，測得殼板的迎爆面尺寸由毀傷前的0.6 m×0.6 m變為0.145 m×0.095 m，由此可以得到耐壓殼板在受到強沖擊載荷后的破壞毀傷面積，殼板的迎爆面位置發生大尺寸剪切破口，如圖10(b)所示，耐壓殼破口呈現不規則形狀，局部殼板厚度明顯變薄，并伴有撕裂現象。

由復合靶板實爆試驗與數值模擬的對比結果可知：聚能射流首先作用于板殼并引起結構局部小尺寸穿孔，隨后沖擊波垂直作用于板殼，引起殼體塑性凹陷并破口變大，氣泡載荷最后作用于板殼結構，對原本受損板殼結構進行二次破壞，使得塑性凹陷區域的程度及尺寸不斷擴大。

圖10 耐壓殼板試驗毀傷結果Fig.10 Experimental damage result of pressure-resistant shell

3.2.2 后效靶板的毀傷結果分析

后效靶板的毀傷情況如圖11所示，六塊后效靶板沒有塑性凹陷及裂紋產生，只在靶板中心處產生小尺寸破口，圖中的黑色圓圈是計算靶板破口半徑的等效圓，破口尺寸統計如表6，由表中數據可知，穿孔尺寸呈現先增大后減小的整體趨勢，局部出現穿孔尺寸變小的情況，這是因為聚能射流侵徹靶板初期射流發生堆積，導致穿孔變大，但隨著射流侵徹過程中能量的消耗，射流寬度和穿孔尺寸都隨之減小。需要說明的是，數值模擬得到的六塊靶板的破口尺寸變化與實驗值存在一定差異，引起這種偏差的原因可能是實驗中流體存在雜質或者浸泡在水中的靶板表面附有少量的氣泡，這在聚能射流侵徹靶板的過程中都會產生影響，同時測量誤差也是一個原因，不過后效靶板孔徑的平均值誤差在10%以內，整體吻合良好。

圖11 后效靶板毀傷情況Fig.11 Damage situation of after-effect armor

后效靶板編號123456破口半徑/mm10.189.6010.4710.739.959.36平均破口半徑/mm10.05

4 數值與試驗結果對比

數值仿真和試驗結果對比如圖12所示，從圖中可以看出，耐壓殼板均向內大面積凹陷并伴有剪切破口，耐壓殼板凹陷面積及變形程度相當，且四周支撐板材向內聚攏程度吻合良好。

圖12 整體毀傷結果對比Fig.12 Results contrast of integral damage

數值仿真和模型試驗中耐壓殼板的破口尺寸以及六塊后效靶板在聚能射流作用下的平均破口尺寸(耐壓殼的破壞毀傷面積和后效靶板破口尺寸均是三次試驗的平均值)對比情況如表7所示，相對誤差均小于20%，滿足工程計算要求[23]。

表7 破口對比表

5 結 論

基于多物質流固耦合數值方法和縮比試驗方法，對聚能裝藥對潛艇結構的毀傷過程進行數值模擬和試驗研究，探討了聚能裝藥對復合靶板結構的毀傷特性，經過上述研究，得出結論如下：

(1)采用多物質流固耦合算法模擬聚能裝藥對靶箱結構毀傷的數值結果與縮比模型的試驗結果吻合良好，證明了該算法的有效性和可靠性；

(2)半球形聚能裝藥在水下爆炸后形成的最大金屬射流速度為3 452 m/s，隨著射流對靶板結構的侵徹，射流速度逐漸減小，當其減小為2 000 m/s時，其破壞強度仍足以穿透6塊后效靶板；

(3)復合靶板結構中，非耐壓殼板、層間水及耐壓殼板對金屬射流具有衰減作用，其中，金屬射流在非耐壓殼板中的衰減速率最快，其次是層間水，最后是耐壓殼。

(4)聚能型水中兵器對潛艇結構的破壞主要表現為非耐壓殼和耐壓殼的大面積塑性凹陷并伴有剪切破口，以及艇內設備的小尺寸穿孔。

[ 1 ] 李兵，房毅，馮鵬飛.聚能型戰斗部水中兵器毀傷研究進展[J].兵器裝備工程學報，2016，37(2):1-6.

LI Bing, FANG Yi, FENG Pengfei.Process of damage research on shaped charge warhead of underwater weapon[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering, 2016, 37(2): 1-6.

[ 2 ] 崔軍, 徐峰, 李向榮. 聚能射流對靶板侵徹的數值仿真[J]. 兵工自動化, 2010, 29(1): 24-26.

CUI Jun, XU Feng, LI Xiangrong. Numerical simulation of shaped charge jet penetrating into target[J]. Ordnance Industry Automation, 2010, 29(1): 24-26.

[ 3 ] ZU X, HUANG Z, JIA X. Study on rubber composite armor anti-shaped charge jet penetration[J]. Propellants, Explosives, Pyrotechnics, 2013, 38(5): 695-702.

[ 4 ] MOLINARI J F. Finite element simulation of shaped charges[J]. Finite Elements in Analysis and Design, 2002, 38(10): 921-936.

[ 5 ] 程素秋, 陳高杰, 趙紅光. 聚能戰斗部對雙層靶板結構毀傷的數值模擬研究[J]. 中國艦船研究, 2013, 8(2): 53-57.

CHENG Suqiu, CHEN Gaojie, ZHAO Hongguang. Numerical damage analysis of shaped charge warheads on double-deck target plates[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2013, 8(2): 53-57.

[ 6 ] 楊剛, 傅奕軻, 鄭建民,等. 基于SPH方法對不同藥型罩線性聚能射流形成及后效侵徹過程的模擬[J]. 振動與沖擊, 2016, 35(4): 56-61.

YANG Gang, FU Yike, ZHENG Jianmin, et al. Simulation of formation and subsequent penetration process of linear shaped charge jets with different liners based on SPH method[J]. Journal of Vibration and Shock, 2016, 35(4): 56-61.

[ 7 ] 張洋溢, 龍源, 何洋揚,等. 爆轟波斜沖擊金屬介質理論在聚能裝藥藥型罩設計中的應用研究[J]. 振動與沖擊, 2011, 30(7):214-217.

ZHANG Yangyi, LONG Yuan, HE Yangyang, et al. Application of oblique impact theory of detonation waves at the explosive-metal interface in design of shaped charge[J]. Journal of Vibration and Shock, 2011, 30(7): 214-217.

[ 8 ] 梁爭峰, 胡煥性, 孫建, 等. 間隔靶對射流侵徹影響的數值模擬和實驗研究[J]. 爆炸與沖擊, 2002, 22(4): 381-386.

LIANG Zhengfeng, HU Huanxing, SUN Jian, et al.Numerical simulation and experimental study on the effect of jet penetrating into disconnected targets[J]. Explosion and Shock Waves, 2002, 22(4): 381-386.

[ 9 ] 梁爭峰, 胡煥性, 焦育東, 等. 間隔靶對射流侵徹能力影響極限的實驗研究[J]. 火炸藥學報, 2003, 26(1): 12-15.

LIANG Zhengfeng, HU Huanxing, JIAO Yudong, et al. Experimental study on the ultimate adverse effect of the space between target plates on jet penetration depth[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants, 2003, 26(1) : 12-15.

[10] 郭濤, 吳亞軍. 魚雷戰斗部技術研究現狀及發展趨勢[J]. 魚雷技術, 2012, 20(1): 74-77.

GUO Tao, WU Yajun. Perspective of the technologies about torpedo warhead[J].Torpedo Technology, 2012, 20(1): 74-77.

[11] 李洪濤, 奚慧巍, 高順林, 等. 爆破型魚雷爆炸威力試驗評估方法[J]. 四川兵工學報, 2015, 36(9): 18-21.

LI Hongtao, XI Huiwei, GAO Shunlin, et al. Test estimating methods for torpedo blasting warhead explosion power[J]. Journal of Sichuan Ordnance, 2015, 36(9): 18-21.

[12] 曲大偉, 王團盟. 影響魚雷定向戰斗部威力的偏心起爆仿真與試驗[J]. 魚雷技術, 2015, 23(2): 129-133.

QU Dawei, WANG Tuanmeng. Influence of eccentric initiation on torpedo directional warhead power: a simulation and experimental research[J]. Torpedo Technology, 2015, 23(2): 129-133.

[13] AUTODYN. 14.0. Theory manual ANSYS[M].Inc.,Pittsburgh, 2011: 147-148.

[14] 米雙山, 劉東升, 徐亞卿. 基于流固耦合方法的爆炸仿真分析[J]. 兵工自動化, 2008, 27(3): 33-35.

MI Shuangshan, LIU Dongsheng, XU Yaqing. Explosive simulation based on fluid-solid coupling method[J]. Ordnance Industry Automation, 2008, 27(3): 33-35.

[15] GONG M, ANDREOPOULOS Y. Coupled fluid-structure solver: The case of shock wave impact on monolithic and composite material plates[J]. Journal of Computational Physics, 2009, 228(12): 4400-4434.

[16] AQUELET N, SOULI M, OLOVSSON L. Euler-Lagrange coupling with damping effects: Application to slamming problems[J]. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 2006, 195(1): 110-132.

[17] ZHANG Q, HISADA T. Analysis of fluid-structure interaction problems with structural buckling and large domain changes by ALE finite element method[J]. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 2001, 190(48): 6341-6357.

[18] DOBRATZ B M. Explosive handbook[M]. UCRL-52997, Lawrence Livermore National Laboratory. Livermore, CA, 1981.

[19] JOHNSON G R, COOK W H. Fracture characteristics of three metals subjected to various strains, strain rates, temperatures and pressures[J]. Engineering Fracture Mechanics,1985, 21(1): 31-48.

[20] 凌榮輝, 錢立新, 唐平, 等. 聚能型魚雷戰斗部對潛艇目標毀傷研究[J]. 彈道學報, 2001, 13(2): 23-27.

LING Ronghui, QIAN Lixin, TANG Ping, et al. Target damage study of shaped-charge warhead of antisub marine torpedo[J]. Journal of Ballistics, 2001, 13(2): 23-27.

[21] 張之凡, 李兵, 王龍侃, 等. 基于 SPH-FEM 方法的半球形聚能裝藥破甲特性研究[J]. 振動與沖擊, 2016, 35(14): 73-78.

ZHANG Zhifan, LI Bing, WANG Longkan, et al. Penetration characteritics of hemispherical shaped charge based on SPH-FEM method[J]. Journal of Vibration and Shock, 2016, 35(14): 73-78.

[22] 吳晗玲, 段卓平, 汪永慶. 桿式射流形成的數值模擬研究[J]. 爆炸與沖擊, 2006, 26(4): 328-332.

WU Hanling, DUAN Zhuoping, WANG Yongqing. Simulation investigation of rod-like jets[J]. Explosion and Shock Waves, 2006, 26(4): 328-332.

[23] 顧紅軍，劉宏偉，聚能射流及防護[M]. 北京：國防工業出版社，2009.