殼體厚度對(duì)戰(zhàn)斗部爆炸氣泡特性影響的數(shù)值模擬研究

程素秋，程 鑫

(1.中國人民解放軍91439部隊(duì)，遼寧大連116041；2.上海外高橋造船有限公司，上海200137)

0 引言

戰(zhàn)斗部是兵器實(shí)現(xiàn)高效毀傷的重要組成部分。炸藥在水下爆炸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生沖擊波和氣泡脈動(dòng)壓力波，二者作用時(shí)間和頻率不同，但均會(huì)對(duì)目標(biāo)產(chǎn)生毀傷作用。許多學(xué)者針對(duì)炸藥的爆炸特性展開研究，近年來這方面的研究成果也較多，但其中大多數(shù)是針對(duì)裸藥的。事實(shí)上，兵器的炸藥都是填裝在金屬殼體內(nèi)，戰(zhàn)斗部爆炸時(shí)有部分能量用于殼體的燃燒等，因此研究戰(zhàn)斗部殼體對(duì)其水下爆炸威力的影響十分必要。

張振華等[1]利用DYTRAN軟件對(duì)水下爆炸沖擊波進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。項(xiàng)大林等[2]對(duì)小當(dāng)量柱形含鋁炸藥在厚度為6 mm的鋼殼或硬鋁殼裝藥下進(jìn)行了水下爆炸實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究。盛振新等[3]運(yùn)用數(shù)值模擬計(jì)算了不同殼體厚度的沖擊波壓力峰值，得到帶殼裝藥水下爆炸峰值壓力的擬合公式。張奇等[4]研究了戰(zhàn)斗部殼體壁厚及壁厚半徑比對(duì)爆炸空氣沖擊波傳播特性的影響。師華強(qiáng)等[5]研究了水下爆炸沖擊波的近場(chǎng)特性。倪寶玉等[6]探討了近場(chǎng)爆炸反射沖擊波對(duì)水下爆炸氣泡特性的影響，給出了艦船在近場(chǎng)爆炸反射波作用下氣泡的射流特性，程素秋等[7-8]對(duì)艙段模型在水下非接觸爆炸下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究。

1 計(jì)算模型

水中兵器戰(zhàn)斗部直徑多為0.324～0.533 m，導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部直徑大約為0.2～0.9 m，因此計(jì)算時(shí)選取3種藥包半徑0.15 m，0.42 m和0.55 m作代表。為了避免邊界效應(yīng)對(duì)數(shù)值模擬產(chǎn)生影響，水域按最小藥包所產(chǎn)生氣泡的最大半徑的4倍選取，即水平方向12 m，水深12 m，藥包距池底距離12 m。

由于常規(guī)武器外殼多為復(fù)合金屬材料，特選取4340鋼材料作為包裹高溫高壓氣體的外殼。數(shù)值模擬采用并行版LS-DYNA軟件，數(shù)值模擬采用接觸算法和ALE多材料組的耦合來模擬水下爆炸有殼和無殼兩種狀態(tài)下氣泡的潰滅過程。對(duì)流體介質(zhì)，假設(shè)為理想流體，用?Mat_Null和Gruneisen方程聯(lián)合控制計(jì)算；對(duì)爆轟產(chǎn)物，假設(shè)藥包瞬時(shí)轉(zhuǎn)化成高溫高壓氣體，沒有能量損失，用炸藥的材料和控制方程代替高溫高壓氣體。對(duì)TNT炸藥，用?Mat_High_Explosive_Burn和?EOS_JWL控制方程聯(lián)合對(duì)高溫高壓氣體進(jìn)行計(jì)算。有限元模型見圖1。

圖1 有限元模型Fig.1 Finite element model

2 無限水域中有、無殼體對(duì)戰(zhàn)斗部爆炸威力的影響

2.1 不同藥量無殼藥包的爆炸壓力對(duì)比

本節(jié)給出了水域?qū)挕粮撸?2 m×24 m的氣泡模擬結(jié)果。藥包半徑分別為0.15 m、0.42 m、0.55 m三種情況。測(cè)點(diǎn)選取藥包中心點(diǎn)所在水平方向12 m處。

表1 不同藥量無殼藥包的爆炸特性對(duì)比Table 1 Comparison of explosion characteristics of charge without shell with different weights

從表1中可以看到，藥包半徑的增大會(huì)導(dǎo)致氣泡形成時(shí)間的延遲、氣泡壓力的增大；無殼及氣泡最小尺寸相近時(shí)，水域劃分對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果影響不大，氣泡和沖擊波壓力峰值相近。但是氣泡最小網(wǎng)格對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響在水域劃分相同的情況下也有很大影響。為了進(jìn)一步揭示兩種網(wǎng)格對(duì)結(jié)果的影響，圖2給出相同時(shí)刻2種工況下的氣泡壓力峰值對(duì)應(yīng)的壓力空間分布云圖。

圖2 無殼條件下沖擊波壓力對(duì)比圖Fig.2 Comparison diagram of pressures of shock wave without shell

從圖2中可知，圖中sd是最小網(wǎng)格尺寸，工況(a)的壓力傳播較工況(b)慢，但壓力空間分布的波形較為明顯，以氣泡為中心呈半圓至1/4圓擴(kuò)散。工況sd＝0.033 m的壓力先鋒已經(jīng)到達(dá)所建模型的邊界，并在氣泡的正下方形成幅值較強(qiáng)的壓力區(qū)域，總的看，該工況壓力分布近似1/4圓，上1/4圓缺失。

2.2 不同藥量有殼藥包的爆炸特性對(duì)比

在2.1節(jié)基礎(chǔ)上，考慮了戰(zhàn)斗部殼體爆炸后的作用，以尋找有、無殼體對(duì)炸藥爆炸威力的影響。藥包半徑0.15 m工況下又細(xì)分為殼厚d＝0.006 m和d＝0.01 m；藥包半徑0.42 m工況下又細(xì)分為d＝0.025 m和d＝0.04 m；藥包半徑0.55 m工況下又細(xì)分為殼厚d＝0.033 m和d＝0.05 m。

表2 不同藥量有殼藥包的爆炸特性對(duì)比Table 2 Comparison of explosion characteristics of charge with shell with different weights

從表2中可看出，殼體厚度對(duì)氣泡形成時(shí)間影響不太大，d＝0.006 m的氣泡形成時(shí)間為0.268 s，d＝0.01 m的氣泡形成時(shí)間為0.276 s，延遲只有2%。氣泡壓力峰值卻由 0.837 MPa變?yōu)?.703 MPa，相差16%；前2個(gè)模型僅在殼體厚度上從0.006 m增加為0.01 m，發(fā)生40%的變化，數(shù)值模擬的結(jié)果就顯示出截然不同的特性，薄殼氣泡發(fā)生時(shí)間較厚殼早，且得到的氣泡壓力峰值較高。可見，殼體對(duì)水下爆炸氣泡脈動(dòng)的影響是較為顯著的。工況3、4中殼厚較小(d＝0.025 m)的情況氣泡發(fā)生時(shí)間較早，在0.572 s產(chǎn)生1.732 MPa的氣泡壓力峰值；殼厚稍大(d＝0.04 m)的情況氣泡發(fā)生時(shí)間較晚，在0.588 s，且峰值為2.012 MPa，稍高于前者，二者相差14%。

圖3 工況4中的時(shí)間連續(xù)爆炸壓力空間分布圖Fig.3 Pressure spatial distribution diagram of continual explosion under operating condition 4

總之，考慮有殼體情況，半徑r＝0.15 m、r＝0.42 m這2種工況下，氣泡壓力峰值形成時(shí)間為薄殼時(shí)間早；半徑r＝0.55 m氣泡峰值出現(xiàn)時(shí)間為厚殼較早。對(duì)于氣泡壓力峰值情況，半徑r＝0.55 m、r＝0.42 m峰值為厚殼較大。可以發(fā)現(xiàn)，水下爆炸氣泡的出現(xiàn)時(shí)間、峰值大小并不隨殼體厚度的增加而線性增長，而是與藥包初始半徑有關(guān)系，有殼氣泡的動(dòng)力學(xué)過程規(guī)律還有待進(jìn)一步研究。但可以肯定的是隨著藥包質(zhì)量的增加，有殼藥包產(chǎn)生的氣泡峰值發(fā)生時(shí)間是延遲的，而且幅值增加。

2.3 相同藥量情況下有、無殼體對(duì)氣泡的影響

前面分別比較了無殼、有殼情況下數(shù)值計(jì)算中氣泡脈動(dòng)的特點(diǎn)，為進(jìn)一步揭示氣泡運(yùn)動(dòng)規(guī)律，按初始藥包半徑大小，分別就有、無殼體作對(duì)比分析，所有工況設(shè)置及計(jì)算結(jié)果詳見表3。

在r＝0.15 m情況下，由于藥包半徑較小，質(zhì)量不到10 kg，殼比較薄，能量轉(zhuǎn)換過程不是很劇烈，能夠做到在同一網(wǎng)格模型下展開4種工況的數(shù)值計(jì)算。

在r＝0.42 m情況下，對(duì)工況5和工況6(d＝0.025 m)，氣泡單元網(wǎng)格劃分一致，水域劃分有區(qū)別；對(duì)工況7和工況8(d＝0.04 m)沒有采用相同密度的網(wǎng)格。但從得到的氣泡計(jì)算對(duì)比結(jié)果來看，在藥包網(wǎng)格劃分比例相近的前提下，無論水域采用哪種網(wǎng)格，無殼情況氣泡峰值精度無太大變化，只有2.75%的差異。

與前面2個(gè)半徑相比，r＝0.55 m的4種工況保持了較高的網(wǎng)格一致性；但在水域網(wǎng)格相同情況下，氣泡單元的差異會(huì)對(duì)結(jié)果造成明顯影響。工況9與工況11相比，雖然氣泡壓力幅值同為一個(gè)量級(jí)，但前者比后者氣泡峰值高近24%，峰值所在時(shí)間晚了一個(gè)時(shí)間步。總之，有殼相對(duì)于無殼藥包爆炸時(shí)加強(qiáng)了氣泡的峰值，并產(chǎn)生一定的時(shí)間延遲。

表3 有、無殼體藥包的爆炸特性對(duì)比Table 3 Comparison of explosion characteristics of charge with and without shell

圖4 不同藥量下多種工況沖擊波曲線對(duì)比Fig.4 Comparison of shock wave curves of different charge weights under various operating conditions

從圖4(a)可知，在倒數(shù)衰減、倒數(shù)衰減后端、氣泡膨脹以及脈動(dòng)等各階段有不同程度的震蕩現(xiàn)象。工況1氣泡脈動(dòng)出現(xiàn)多個(gè)波峰，在t＝0.268～0.304 s之間出現(xiàn)了5個(gè)波峰；工況4也有著類似的特性，表現(xiàn)在t＝0.34 s后的數(shù)值震蕩上。這種震蕩是由于氣泡的脈動(dòng)收縮膨脹引起的。有殼比無殼的氣泡壓力峰值明顯，幅值較高，時(shí)間上除工況4的氣泡峰值形成時(shí)間較晚外其他沒有差異。

對(duì)于圖4(b)，氣泡的壓力時(shí)程曲線較為光順，除工況8外，均只有一個(gè)獨(dú)立的波峰；有殼比無殼產(chǎn)生的氣泡壓力峰值高，且形成時(shí)間晚。這是由于無殼藥包爆炸后能量迅速向水介質(zhì)擴(kuò)散、傳熱，伴隨著強(qiáng)烈的化學(xué)能、熱能、內(nèi)能、動(dòng)能等能量和沖量的轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)內(nèi)能消耗較快；而有殼藥包爆炸時(shí)，因殼體保存了相當(dāng)多的能量，雖然會(huì)有一部分能量被用于提供給殼的破碎，但殼體對(duì)能量保護(hù)的優(yōu)越性還是占主要地位的。可見對(duì)于戰(zhàn)斗部裝藥水下爆炸的數(shù)值模擬，殼體因素還是需要考慮，不能簡化。

對(duì)于圖4(c)，氣泡的數(shù)值模擬結(jié)果較為光順，沒有出現(xiàn)多個(gè)峰值的波峰群，壓力時(shí)程曲線走勢(shì)一致，沖擊波峰值量級(jí)相同。有殼較無殼工況氣泡峰值高，但形成時(shí)間稍晚。

3 結(jié)束語

通過對(duì)戰(zhàn)斗部裝藥外有、無殼體的水下爆炸氣泡特性的數(shù)值模擬研究，可得到以下結(jié)論：

1)戰(zhàn)斗部殼體對(duì)其水下爆炸氣泡脈動(dòng)的影響是較為顯著的。殼體厚度對(duì)氣泡二次脈動(dòng)的形成時(shí)間沒有太多影響，薄殼所形成的氣泡發(fā)生時(shí)間較厚殼早，且得到的氣泡壓力峰值較高；但峰值大小不是隨殼體厚度的增加而線性增長的，而是與藥包初始半徑有關(guān)系。2)對(duì)于戰(zhàn)斗部水下爆炸威力的數(shù)值模擬，戰(zhàn)斗部殼體因素必須考慮，不能簡化。