水下爆炸作用下水中目標抗毀傷特征計算研究*

張永坤 沈曉樂 張姝紅

（91439部隊 大連 116041）

1 引言

水下爆炸對水中目標的毀傷是一個極其復雜的過程，整個過程包括炸藥的水下爆炸、水下爆炸沖擊波的形成和傳播、水下爆炸沖擊波和水中目標的流-固耦合作用，以及水中目標和藥室內(nèi)部塑性混合炸藥在水下爆炸沖擊波作用下的彈塑性響應和破壞這幾個方面。目前國內(nèi)學者通常根據(jù)所研究問題的特點，對水下爆炸載荷的兩個階段沖擊波和爆炸氣泡作用階段分別進行研究［1～4］。國內(nèi)的學者對相應的毀傷情況進行了廣泛的研究［5～17］。當結(jié)構(gòu)距離爆源較近時，造成結(jié)構(gòu)局部破壞的主要載荷為沖擊波載荷。本文選取目標是為考核近場爆炸下對水中目標毀傷效應，其主要破壞載荷為沖擊波。仿真計算過程所用硬件平臺為高性能集群系統(tǒng)，最高可對1000萬網(wǎng)格的水下爆炸仿真模型進行計算，平行計算技術(shù)和128核計算軟件能實現(xiàn)對水下爆炸作用機理更精確計算。仿真計算使用的軟件為ABAQUS軟件，其采用的是聲固耦合法，此方法采用聲學單元模擬流場，載荷包含沖擊波和氣泡脈動的聯(lián)合作用，同時還考慮了空化的影響［7～10］。

2 仿真計算過程

采用曙光5000集群系統(tǒng)為計算平臺，選取128核并行版ABAQUS大型有限元計算軟件為仿真計算手段，以某一水中目標為目標，共進行了三類仿真計算，第一類假定水中目標受到滅雷彈攻擊，滅雷彈等效TNT當量為135kg，爆源分別位于目標中部、尾部以及頂部。第二類對其抗鄰雷爆炸情況進行計算，等效TNT當量為260kg。第三類對湖試抗鄰雷情況進行了計算，等效TNT當量為10kg。

3 仿真計算方法驗證

結(jié)合某實船爆炸數(shù)據(jù)，對仿真方法進行驗證。計算工況為1000kg TNT距左舷70m，水深50m沉底爆，龍骨沖擊因子為0.337。根據(jù)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(nèi)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(nèi)底47#肋位垂向加速度測點。對比結(jié)果見表 1～2［7～10］。

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(nèi)，計算精度符合工程要求。

4 仿真計算對象

4.1 炸藥模型

式中：η=ρ/ρ0為相對密度，定義為爆轟產(chǎn)物密度ρ與炸藥初始密度ρ0之比；p為瞬時壓力；A、B、ω、R1和R2是與炸藥性質(zhì)有關(guān)的材料常數(shù)；E為炸藥的比內(nèi)能。

對于TNT炸藥，仿真計算所用的材料參數(shù)如表3所示。

表3 仿真計算用TNT炸藥材料參數(shù)

4.2 水狀態(tài)方程

水的狀態(tài)方程采用Mie-Grüeisen形式，該形式下的狀態(tài)方程能較好地描述水中初始壓力的存在，這與實際情況更吻合。對于遠場深水爆炸，需要考慮水中初始壓力的影響，采用Mie-Grüeisen狀態(tài)方程就體現(xiàn)出其優(yōu)勢所在。由于Mie-Grüeisen狀態(tài)方程形式復雜，可將其轉(zhuǎn)化成包含多個參數(shù)的多項式形式：

式中：a1～a3、b0～b3為多項式系數(shù)，ρ0為水的常溫密度；e0為常溫下水的比內(nèi)能，μ=ρ/ρ0-1。

4.3 水的材料參數(shù)

數(shù)值仿真計算中采用的水的材料參數(shù)如表4所示。

表4 仿真計算用水的材料參數(shù)

4.4 目標結(jié)構(gòu)材料

殼體材料為ZALSi7Mg；殼體性能參數(shù)：密度2.66g/cm3，彈性模量為7.3e5MPa；切變模量為2.7e5MPa；屈 服 強 度 為 245MPa；抗 拉 強 度 為300MPa；伸長率50mm中6mm～8mm。

例如，新生兒視覺集中時間僅有5秒鐘，3個月時可以達到7~10分鐘，其顏色視覺在3月時基本功能接近成人。嬰兒能根據(jù)聽覺方向來進行視覺定性對聲像吻合的物體注視時間更長（聲音與口唇運動的一致）說明視聽協(xié)調(diào)能力已發(fā)展到一定水平。嬰幼兒在3～4月形狀知覺完整形狀，8~9月恒常性。深度知覺是由單眼視覺線索、雙眼視覺線索和動覺線索決定，空間、距離知覺均與經(jīng)驗有關(guān)。

4.5 沖擊因子計算

沖擊因子的選取采用平面沖擊因子的計算方式，從能量角度考慮來研究水下爆炸。若沖擊因子相同，則認為水下爆炸沖擊響應相似。沖擊因子用下式表述：

W為藥包質(zhì)量，kg；R為爆距，m。

4.6 目標結(jié)構(gòu)計算模型

根據(jù)水中目標相關(guān)尺寸、結(jié)構(gòu)分布、材料參數(shù)建立目標結(jié)構(gòu)的幾何模型，并給出有限元模型、水域模型，如圖1～4所示。

圖1 水中目標有限元模型

圖2 水中目標結(jié)構(gòu)有限元模型截面圖

圖3 水域有限元模型

圖4 水域有限元模型截面圖

5 仿真工況設計

仿真試驗共設置了13個工況，如表5所示。工況設計主要依據(jù)水中兵器的裝藥量及使用情況，其中第1～11工況用于毀傷規(guī)律分析；第12工況用于抗鄰雷爆炸驗證；第13工況用于初步湖試設計驗證，后兩種工況沖擊因子基本相同。

表5 模型計算工況設置

6 仿真計算結(jié)果及分析

6.1 仿真計算結(jié)果

6.1.1 毀傷效果圖

根據(jù)仿真計算結(jié)果對徑向不同爆距、等距不同方位、試驗設計驗證的毀傷情況進行分析。

1）目標徑向毀傷特征

徑向不同爆距作用下的毀傷效果如圖5所示。當爆炸距離為12m時，受沖擊波影響目標結(jié)構(gòu)主要變形為彈性變形，波峰過后可以恢復到初始狀態(tài)；爆炸距離為9m時，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塑性變形，殼體內(nèi)凹，可觀察到縱向肋骨和環(huán)形加強結(jié)構(gòu)形狀；爆炸距離為6m時，結(jié)構(gòu)明顯毀傷呈“瘦馬”變形，內(nèi)凹幅度增大，殼體表面出現(xiàn)褶皺，可觀察到加強肋和艙壁輪廓，加強肋開始出現(xiàn)變形；爆炸距離為5m時，結(jié)構(gòu)整體毀傷嚴重呈塌底變形，縱向肋骨彎折，環(huán)形肋骨塌陷，但表面未觀察到破損；爆炸距離為3m時，在結(jié)構(gòu)整體毀傷嚴重基礎上可觀察到較小破口，因此，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破口的臨界爆炸距離在3m到3.5m之間。根據(jù)后期計算，確定出現(xiàn)破口臨界爆炸距離為3.1m。當爆炸距離為2m時，結(jié)構(gòu)整體折斷，內(nèi)部加強結(jié)構(gòu)損毀，結(jié)構(gòu)大規(guī)模失效，水中目標裝藥室完全暴露。

圖5 不同爆炸距離的毀傷效果圖（徑向）

2）不同方位毀傷效果

選取內(nèi)部結(jié)構(gòu)開始損毀時的爆距（5m）和表面開始出現(xiàn)破口時的爆距（3m）在結(jié)構(gòu)正后方布置爆源對比研究側(cè)方位起爆和正后方起爆對結(jié)構(gòu)的毀傷效果，如圖6～8所示。

圖6給出爆距為5m時，側(cè)面起爆和后方起爆毀傷效果對比圖。在后方起爆時，可在結(jié)構(gòu)表面觀察到內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)，艙壁和肋骨未發(fā)生塌陷，結(jié)構(gòu)完整度優(yōu)于側(cè)面起爆。

圖6 爆距5m的毀傷效果圖

圖7給出爆距為3m時，側(cè)面起爆和后方起爆毀傷效果對比圖。后方起爆時結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)褶皺，可觀察到艙壁和肋骨輪廓，結(jié)構(gòu)整體未塌陷折斷，表面無破口，完整度優(yōu)于側(cè)面起爆。

圖7 爆距3m的毀傷效果圖

圖8給出結(jié)構(gòu)等效塑性應變云圖。0.1ms結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)塑性變形，0.4ms結(jié)構(gòu)加強肋之間殼體出現(xiàn)內(nèi)凹，1ms加強肋被壓扁變形，1.4ms結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破口。

圖8 爆距3m結(jié)構(gòu)等效應變云圖

3）試驗設計驗證分析

針對抗鄰雷爆炸及湖試的情況進行仿真計算驗證。

圖9～10給出了抗鄰雷爆炸情況下目標等效應力、應變云圖。文中的計算對象為殼體結(jié)構(gòu)，內(nèi)部無填充物，與實際戰(zhàn)斗部存在一定差距，殼體的抗沖擊強度降低，在裝藥結(jié)構(gòu)實體部分，毀傷計算結(jié)果的數(shù)值偏大，需要裝填炸藥對結(jié)果進行修正。

圖9 等效應力云圖（gk12）

圖10 塑性應變云圖（gk12）

圖11～12給出湖試設計工況下的目標等效應力、應變云圖。通過計算得到水中目標殼體的最大應力達到181MPa，應力云圖如圖11所示。圖12給出了水中目標殼體的應變云圖。從整個計算結(jié)果來看，水中目標殼體的有效應變最大值達到0.059，尚未達到所設置的鋁合金的失效應變值0.12。因此，結(jié)合圖11可看出，水中目標在該工況下，殼體已發(fā)生屈服，進行塑性階段，但并未產(chǎn)生失效破壞。

圖11 等效應力云圖（gk13）

圖12 塑性應變云圖（gk13）

6.1.2 應力應變隨爆距變化關(guān)系

6.2 計算結(jié)果說明

1）殼體填充裝藥的影響

內(nèi)部無填充物，殼體的抗沖擊強度降低，在裝藥結(jié)構(gòu)實體部分，毀傷計算結(jié)果的數(shù)值偏大。

2）爆距影響

當藥包質(zhì)量相同時，隨著爆距減小結(jié)構(gòu)應力應變變大，爆炸作用增強，此種現(xiàn)象與水下爆炸規(guī)律相符合。

表6 應力應變隨爆炸距離變化關(guān)系（徑向）

當爆炸距離為12m時，受沖擊波影響結(jié)構(gòu)主要變形為彈性變形，波峰過后可以恢復到初始狀態(tài)；爆炸距離為9m時，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塑性變形，殼體內(nèi)凹，可觀察到縱向肋骨和環(huán)形加強結(jié)構(gòu)形狀；爆炸距離為6m時，結(jié)構(gòu)明顯毀傷呈“瘦馬”變形，內(nèi)凹幅度增大，殼體表面出現(xiàn)褶皺，可觀察到加強肋和艙壁輪廓，加強肋開始出現(xiàn)變形；爆炸距離為5m時，結(jié)構(gòu)整體毀傷嚴重呈塌底變形，縱向肋骨彎折，環(huán)形肋骨塌陷，但表面未觀察到破損。

3）破口產(chǎn)生的初步判斷

爆炸距離為3m時，在結(jié)構(gòu)整體毀傷嚴重基礎上可觀察到較小破口，因此，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破口的臨界爆炸距離在3m～3.5m之間。根據(jù)后期計算，初步確定出現(xiàn)破口臨界爆炸距離為3.1m。當爆炸距離為2m時，結(jié)構(gòu)整體折斷，內(nèi)部加強結(jié)構(gòu)損毀，結(jié)構(gòu)大規(guī)模失效，水中目標裝藥室完全暴露。

4）方位的影響

從毀傷效果比對分析發(fā)現(xiàn)，側(cè)面起爆對結(jié)構(gòu)毀傷大于后方起爆；目標結(jié)構(gòu)受爆炸沖擊毀傷時，伴隨瞬間加速度和速度增加的剛體運動和整體振動，產(chǎn)生鞭狀效應，對結(jié)構(gòu)內(nèi)部元器件產(chǎn)生沖擊影響；水中目標內(nèi)部縱向和環(huán)形加強肋大程度提高水中目標抗沖擊性能，在加強肋結(jié)構(gòu)失效前目標體結(jié)構(gòu)不易損毀。

7 結(jié)語

1）殼體填充裝藥與否對抗毀傷結(jié)果存在很大的影響，通過計算結(jié)果可看出，在裝藥不變、爆距一定的計算工況下，目標殼體結(jié)構(gòu)中未填充炸藥的部分會失效破壞，而填充炸藥的殼體部分未達到殼體材料的屈服應力。

2）相同藥包質(zhì)量時，隨著爆距減小應力應變變大，現(xiàn)象符合水下爆炸規(guī)律。

3）初步確定出現(xiàn)破口臨界爆炸距離為3.1m。

4）爆炸方位對毀傷效果存在一定的影響，側(cè)面起爆對結(jié)構(gòu)毀傷程度大于后方起爆，也即徑向毀傷程度高于軸向。