魯忠寶, 南長(zhǎng)江, 步相東

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水下目標(biāo)爆炸毀傷時(shí)戰(zhàn)斗部相似律仿真與試驗(yàn)

魯忠寶, 南長(zhǎng)江, 步相東

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第705研究所, 陜西 西安, 710075)

在進(jìn)行水中兵器戰(zhàn)斗部對(duì)目標(biāo)的爆炸毀傷試驗(yàn)時(shí), 為了確定能否由縮比戰(zhàn)斗部對(duì)目標(biāo)的毀傷效應(yīng)推廣預(yù)測(cè)原型戰(zhàn)斗部, 根據(jù)相似理論首先確立了戰(zhàn)斗部尺寸、沖擊波測(cè)點(diǎn)距離以及靶板距離采用相同縮比時(shí)的幾種研究模型, 然后通過(guò)數(shù)值仿真結(jié)合水下爆炸試驗(yàn)測(cè)試的方法, 計(jì)算了沖擊波壓力與靶板應(yīng)變, 并進(jìn)行了比較分析。結(jié)果表明, 各研究模型的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好, 各模型對(duì)應(yīng)的沖擊波壓力與靶板應(yīng)變之間的偏差都很小, 說(shuō)明滿(mǎn)足相似律的縮比模型能夠預(yù)測(cè)原型戰(zhàn)斗部對(duì)水下目標(biāo)的爆炸毀傷特性。本文結(jié)論為戰(zhàn)斗部水下爆炸的威力評(píng)估提供了依據(jù)。

水中兵器; 水下爆炸; 戰(zhàn)斗部; 毀傷效應(yīng); 相似律

0 引言

在水中兵器戰(zhàn)斗部技術(shù)研究中, 戰(zhàn)斗部對(duì)目標(biāo)的毀傷威力評(píng)估是一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容, 在相關(guān)技術(shù)的研究中, 通常采用數(shù)值仿真結(jié)合水下爆炸試驗(yàn)的方式來(lái)開(kāi)展。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)的飛快發(fā)展, 在進(jìn)行戰(zhàn)斗部水下爆炸對(duì)目標(biāo)的毀傷研究時(shí), 可以采用有限元分析軟件建模計(jì)算, 對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)估, 提高工作效率, 但隨后仍然需要進(jìn)行相應(yīng)的爆炸試驗(yàn), 對(duì)結(jié)果進(jìn)行綜合分析才具有足夠的說(shuō)服力。然而在水下爆炸毀傷試驗(yàn)中, 水下目標(biāo)尤其是艦船, 采用真實(shí)模型費(fèi)用大, 不易實(shí)施, 需要進(jìn)行水下目標(biāo)縮比模型的相似律研究, 國(guó)內(nèi)也有相關(guān)的研究成果[1]。但對(duì)于戰(zhàn)斗部, 尤其是水中兵器的1:1大口徑戰(zhàn)斗部的水下爆炸試驗(yàn), 對(duì)場(chǎng)地要求很高, 而且操作困難, 耗資巨大, 而水下戰(zhàn)斗部的尺度效應(yīng)研究還不夠充分。

對(duì)于水下爆炸沖擊波, 依據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)[2]可知, 當(dāng)一定尺寸的裝藥在水中爆炸后, 在距離爆炸源處進(jìn)行壓力測(cè)量, 然后再做出裝藥的全部線(xiàn)性尺寸變化倍的新試驗(yàn), 若用來(lái)測(cè)量沖擊波壓力及其他特征的長(zhǎng)度和時(shí)間的比例尺與裝藥尺寸均增加相同的倍數(shù), 則所測(cè)特性將基本不變。由相關(guān)論文[3]也可得知, 水下爆炸沖擊波符合相似律。但水下爆炸對(duì)目標(biāo)的毀傷規(guī)律十分復(fù)雜, 不同尺度的戰(zhàn)斗部爆炸毀傷效應(yīng)規(guī)律更未深入研究, 如果相同的目標(biāo)距戰(zhàn)斗部的距離與裝藥尺寸采用相同的縮比時(shí), 目標(biāo)靶的毀傷效果相近, 則可以認(rèn)為戰(zhàn)斗部水下爆炸對(duì)目標(biāo)的毀傷基本滿(mǎn)足相似規(guī)律, 這樣在進(jìn)行水下戰(zhàn)斗部對(duì)目標(biāo)尤其是魚(yú)雷等小型水下目標(biāo)的毀傷威力評(píng)估時(shí), 可以直接采用真實(shí)的目標(biāo)模型, 作用距離與裝藥尺寸采用相同的縮比來(lái)進(jìn)行研究。為探索是否存在這一規(guī)律, 就需要開(kāi)展水下戰(zhàn)斗部對(duì)目標(biāo)爆炸毀傷時(shí)的相似規(guī)律研究。

1 研究模型的建立

研究模型見(jiàn)圖1所示, 戰(zhàn)斗部樣彈中心點(diǎn)、沖擊波壓力測(cè)點(diǎn)、目標(biāo)靶板中心點(diǎn)均位于水下同一水平面內(nèi), 目標(biāo)靶板位于沖擊波壓力測(cè)點(diǎn)相對(duì)一側(cè), 靶板四角固支。沖擊波壓力測(cè)點(diǎn)距樣彈中心的距離為1,2,3, 目標(biāo)靶表面距樣彈中心的距離為, 戰(zhàn)斗部樣彈為圓柱形×。

圖1 水下戰(zhàn)斗部爆炸毀傷尺度效應(yīng)研究模型示意圖

為便于研究, 目標(biāo)靶板選擇45號(hào)鋼, 其長(zhǎng)、寬、厚為600 mm×600 mm×6 mm, 在目標(biāo)靶板背面中心線(xiàn)上均勻布置3處應(yīng)變測(cè)點(diǎn), 每處測(cè)點(diǎn)進(jìn)行正交2個(gè)方向的應(yīng)變測(cè)試, 目標(biāo)靶板上應(yīng)變片布置情況如圖2所示。每個(gè)模型中采用相同的目標(biāo)靶板與測(cè)點(diǎn)。戰(zhàn)斗部樣彈選擇復(fù)合炸藥。

圖2 應(yīng)變測(cè)試布設(shè)圖

戰(zhàn)斗部尺寸、沖擊波壓力測(cè)點(diǎn)、目標(biāo)靶板距戰(zhàn)斗部樣彈距離采用相同的縮比尺度, 研究模型1:=100 mm,=120 mm,1=1 m,2=1.6 m,3=3 m,=1 m; 研究模型2:=75 mm,=90 mm,1=0.75 m,2=1.2 m,3=2.25 m,=0.75 m; 研究模型3:=50 mm,=60 mm,1=0.5 m,2=0.8 m,3=1.5 m,=0.5 m。

2 仿真計(jì)算

當(dāng)今有限元分析軟件在爆炸領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用, 其中ANSYS/LS_DYNA強(qiáng)大的ALE和Euler算法及炸藥的材料與狀態(tài)方程廣泛地應(yīng)用于各種水下爆炸分析中, 可以較為真實(shí)地模擬炸藥水下爆炸對(duì)目標(biāo)毀傷作用的全過(guò)程, 相關(guān)資料表明[4], ANSYS/LS-DYNA在水中爆炸分析中有很多成功的案例。在開(kāi)展試驗(yàn)之前進(jìn)行相應(yīng)的仿真研究, 可以對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)估, 完善試驗(yàn)方案, 提高效率。

目標(biāo)靶板選用各項(xiàng)同性隨動(dòng)強(qiáng)化的彈塑性金屬材料模型(MAT_PLASTIC_KINEMATIC), 其密度=7.83×103kg/m3, 彈性模量=210 GPa, 泊松比=0.3, 屈服應(yīng)力=0.5 GPa; 水選用空白材料模型(NULL), 狀態(tài)方程為EOS_ GRUNEISEN, 其密度為=1.025×103kg/m3;炸藥選用的高能炸藥燃燒與增長(zhǎng)模型(MAT_HIGH_ EXPLOSIVE _BURN), EOS_JWL狀態(tài)方程, 其密度=1.7×103kg/m3, 爆速=7 980 m/s, 爆壓P=29.5 GPa, 各材料模型與狀態(tài)方程中參數(shù)的意義與取值可見(jiàn)相關(guān)手冊(cè)[5]。各部分模型均采用SOLID164實(shí)體單元類(lèi)型, 對(duì)結(jié)構(gòu)(目標(biāo)靶板)選取Lagrange算法, 對(duì)流體(水和炸藥)選取Euler/ALE算法, 通過(guò)關(guān)鍵字*CONSTRAINED_ LAGRANGE_IN_SOLID實(shí)現(xiàn)流固耦合。對(duì)1/2的3D模型施加對(duì)稱(chēng)面約束來(lái)取代整個(gè)模型進(jìn)行計(jì)算。設(shè)置炸藥的中心點(diǎn)為起爆點(diǎn)。另外在有限的水單元的邊界上定義壓力流出邊界條件(由關(guān)鍵字*BOUNDARY_ PRESSURE _OUTFLOW_SET設(shè)定)來(lái)模擬無(wú)限水域, 使計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確。所建立的某一研究模型的有限元模型見(jiàn)圖3所示。有關(guān)算法及其實(shí)現(xiàn)方法可參見(jiàn)文獻(xiàn)[6]。

圖3 有限元仿真模型

對(duì)各個(gè)研究模型仿真計(jì)算后可得到水中各點(diǎn)沖擊波壓力曲線(xiàn)、靶板的變形效果、靶板上各點(diǎn)的應(yīng)變值。其中研究模型3中的沖擊波曲線(xiàn)見(jiàn)圖4所示, 靶板毀傷效果見(jiàn)圖5所示, 各點(diǎn)豎直方向應(yīng)變曲線(xiàn)見(jiàn)圖6所示。所有仿真計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1所示。

3 試驗(yàn)測(cè)試

按照上述建立的研究模型, 加工了試驗(yàn)樣彈, 目標(biāo)靶板, 試驗(yàn)支架, 測(cè)試電纜等, 在爆炸水池中進(jìn)行爆炸毀傷試驗(yàn), 采用壓力測(cè)試系統(tǒng)與應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)對(duì)各個(gè)研究模型中的測(cè)點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試記錄。每一種研究模型進(jìn)行了3次爆炸試驗(yàn)。

加工好的試驗(yàn)樣彈見(jiàn)圖7所示; 粘貼應(yīng)變片的目標(biāo)靶板見(jiàn)圖8所示; 壓力傳感器采用美國(guó)PCB公司生產(chǎn)的138A25及138A10傳感器, 結(jié)合PCB公司482A22型適配器連接示波器形成壓力測(cè)試系統(tǒng); 采用日本株式會(huì)社東京測(cè)器研究所的YEFLA-5型應(yīng)變片, 橋盒和國(guó)產(chǎn)YE3818C型應(yīng)變儀連接示波器形成應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)。為了在水下布放時(shí), 保證試驗(yàn)樣彈、傳感器測(cè)點(diǎn)、靶板的相對(duì)位置, 專(zhuān)門(mén)加工試驗(yàn)支架以方便定位, 試驗(yàn)支架見(jiàn)圖9所示。

圖4 研究模型3中的各點(diǎn)沖擊波壓力計(jì)算曲線(xiàn)

圖5 研究模型3中的t=240 μs時(shí)靶板應(yīng)力計(jì)算云圖

圖6 研究模型3中的靶板各點(diǎn)應(yīng)變計(jì)算曲線(xiàn)

表1 仿真計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

對(duì)各個(gè)研究模型的3次試驗(yàn)過(guò)程中各點(diǎn)沖擊波壓力曲線(xiàn)、靶板的變形效果、靶板上各點(diǎn)的應(yīng)變曲線(xiàn)進(jìn)行測(cè)試記錄。其中研究模型2中的某一次爆炸測(cè)試中沖擊波曲線(xiàn)見(jiàn)圖10所示, 靶板變形效果見(jiàn)圖11所示。剔除試驗(yàn)結(jié)果中的奇異值之后, 形成的所有試驗(yàn)結(jié)果的均值統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

圖7 試驗(yàn)樣彈

圖8 粘貼應(yīng)變片的靶板

圖9 試驗(yàn)支架

圖10 研究模型2中測(cè)點(diǎn)X1處各傳感器沖擊波實(shí)測(cè)曲線(xiàn)

圖11 研究模型2中目標(biāo)靶板實(shí)測(cè)破壞情況

4 結(jié)果分析

針對(duì)以上的研究模型, 采用數(shù)值仿真以及試驗(yàn)測(cè)試的方式, 得到了各個(gè)研究模型中的沖擊波壓力曲線(xiàn)及其峰值, 靶板的應(yīng)變曲線(xiàn)及其最大應(yīng)變。圖4與圖10中的曲線(xiàn)以及圖6與試驗(yàn)測(cè)得的曲線(xiàn)波形十分相似, 表1與表2中對(duì)應(yīng)的結(jié)果也比較接近, 這均表明, 本文得到的結(jié)果是具有可信度的。

對(duì)表1及表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較可知, 對(duì)于相同的目標(biāo)靶板, 戰(zhàn)斗部尺寸、沖擊波壓力測(cè)點(diǎn), 目標(biāo)靶板距戰(zhàn)斗部樣彈距離采用相同的縮比尺度, 對(duì)應(yīng)點(diǎn)所得的沖擊波壓力峰值、最大應(yīng)變值均較為接近。這表明, 戰(zhàn)斗部水下爆炸時(shí), 不僅爆炸威力參數(shù)滿(mǎn)足幾何相似規(guī)律, 戰(zhàn)斗部對(duì)目標(biāo)的爆炸毀傷效應(yīng)也基本滿(mǎn)足相似規(guī)律。

如果以最大尺度的研究模型1為參照, 可以計(jì)算得縮比之后的研究模型2與研究模型3在對(duì)應(yīng)尺度距離處結(jié)果的相對(duì)偏差, 見(jiàn)表3所示。由表3中的對(duì)比關(guān)系可以看出, 各相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的沖擊波壓力峰值的偏差都很小, 最大才7.6%, 這表明, 當(dāng)戰(zhàn)斗部尺寸以及距戰(zhàn)斗部中心距離按照相同的比例縮放之后, 所測(cè)量的沖擊波壓力基本不變。由表3還可看出, 各相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變偏差也都很小, 基本都在12%以?xún)?nèi), 這表明, 當(dāng)戰(zhàn)斗部尺寸以及靶板距戰(zhàn)斗部中心距離按照相同的比例縮放之后, 相同位置所測(cè)的應(yīng)變值十分接近。由分析可知, 選擇真實(shí)尺寸戰(zhàn)斗部的縮比模型進(jìn)行威力試驗(yàn), 不僅沖擊波壓力參數(shù)符合相似律, 而且對(duì)目標(biāo)的毀傷效應(yīng)也基本滿(mǎn)足相似律, 在進(jìn)行真實(shí)戰(zhàn)斗部對(duì)目標(biāo)的毀傷研究時(shí), 采用縮比戰(zhàn)斗部進(jìn)行水下爆炸毀傷試驗(yàn)是可行的。

表2 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果均值統(tǒng)計(jì)表

表3 以研究模型1為參照時(shí)縮比模型所得結(jié)果的相對(duì)偏差絕對(duì)值

5 結(jié)束語(yǔ)

本文采用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA, 對(duì)戰(zhàn)斗部尺寸、沖擊波壓力測(cè)點(diǎn)距離, 靶板距離采用不同的縮比尺度時(shí), 各點(diǎn)沖擊波壓力及相同靶板的應(yīng)變進(jìn)行了仿真計(jì)算, 隨后開(kāi)展了相同模型的水下爆炸試驗(yàn), 計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合, 具有可信度。由研究結(jié)果的分析得出, 對(duì)于相同的目標(biāo)靶板, 戰(zhàn)斗部尺寸、沖擊波壓力測(cè)點(diǎn)距離, 目標(biāo)靶板距離采用相同的縮比尺度時(shí), 沖擊波壓力參數(shù)以及對(duì)目標(biāo)的毀傷效應(yīng)都符合相似律, 說(shuō)明了由縮比模型的戰(zhàn)斗部毀傷試驗(yàn)可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)真實(shí)戰(zhàn)斗部對(duì)目標(biāo)的毀傷情況。

通常的水下目標(biāo)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜, 大都包含電子功能件, 要將戰(zhàn)斗部對(duì)水下目標(biāo)的爆炸毀傷進(jìn)行較為全面的評(píng)價(jià), 應(yīng)涉及應(yīng)力、應(yīng)變、沖擊加速度等更多方面的響應(yīng), 而本文的目標(biāo)靶板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 也只是測(cè)試了應(yīng)變, 因此, 后續(xù)還需選擇更為復(fù)雜的水下目標(biāo), 進(jìn)行更多的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的研究, 進(jìn)一步驗(yàn)證相似律在戰(zhàn)斗部對(duì)目標(biāo)毀傷中的適用準(zhǔn)確性。另外, 本文的戰(zhàn)斗部為典型的爆破戰(zhàn)斗部, 其他類(lèi)型的戰(zhàn)斗部有不同的殺傷元素, 對(duì)目標(biāo)的毀傷效應(yīng)是否符合相似律還有待進(jìn)一步研究。

[1] 李海濤. 船體梁在近距爆炸沖擊波作用下動(dòng)態(tài)響應(yīng)的相似律研究[J]. 振動(dòng)與沖擊, 2010, 29(9): 28-32. Li Hai-tao. Similarity Law for Dynamic Response of Hull Girder Subjected to Underwater Explosion in Near Field[J]. Journal of Vibration and Shock, 2010, 29(9): 28-32.

[2] 崔秉貴. 目標(biāo)毀傷工程計(jì)算[M]. 北京:北京理工大學(xué)出版社, 1995.

[3] 馮麟涵. 彈塑性結(jié)構(gòu)水下爆炸相似律研究[J]. 中國(guó)艦船研究, 2010, 5(5): 1-5. Feng Lin-han. Investigation on the Similarity Criterion of Elastic-Plastic Structures Subjected to Underwater Explo- sion[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2010, 5(5):1-5.

[4] 張勝民. 基于有限元軟件ANSYS7.0的結(jié)構(gòu)分析[M]. 北京:清華大學(xué)出版社, 2003.

[5] ANSYS公司. ANSYS/LS-DYNA User′s Manual[M], USA: ANSYS公司, 2003.

[6] ANSYS股份有限公司北京辦事處. ANSYS/LS-DYNA算法基礎(chǔ)和使用方法[M], 北京: ANSYS股份有限公司北京辦事處, 2000.

Simulation and Experimentation on the Similarity Law of Warhead for Destroying Underwater Target

LU Zhong-bao, NAN Chang-jiang, BU Xiang-dong

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China)

To learn if damage effect of a scale-down torpedo warhead can be used to predict that of a prototype warhead for destroying underwater target, based on the similarity theory, some models are established with same scales in warhead size, testing distance of shock wave, and distance of target plate. The shock wave pressure and target plate strain are calculated and compared by simulation and underwater explosion experiment. The calculation and experiment results coincide well, and the deviations of corresponding shock wave pressure and target plate strain of the models are very small, which indicates that the scale-down models following the similarity law can accurately predict the destroy characteristics of the prototype warhead against underwater target. This study may provide a basis for the power evaluation of underwater warhead.

underwater weapon; underwater explosion; warhead; damage effect; similarity law

TJ410.33; TQ56

A

1673-1948(2012)01-0069-05

2011-05-19;

2011-07-18.

國(guó)防科技預(yù)研基金項(xiàng)目(101060301).

魯忠寶(1978–), 男, 碩士, 主要從事水中兵器戰(zhàn)斗部的研究與設(shè)計(jì).

(責(zé)任編輯: 許 妍)