曲大偉，王團(tuán)盟

（1. 海軍裝備部 西安局，陜西 西安，710065； 2. 中國船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所，陜西 西安，710075）

影響魚雷定向戰(zhàn)斗部威力的偏心起爆仿真與試驗(yàn)

曲大偉1，王團(tuán)盟2

（1. 海軍裝備部 西安局，陜西 西安，710065； 2. 中國船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所，陜西 西安，710075）

定向起爆技術(shù)可大幅提高魚雷戰(zhàn)斗部的能量利用率, 加大對大中型艦船目標(biāo)的毀傷?；诖? 對重型魚雷定向戰(zhàn)斗部縮比樣機(jī)在3種不同起爆方式下, 在相同測點(diǎn)處的沖擊波超壓進(jìn)行仿真計(jì)算和試驗(yàn)測試, 結(jié)果表明,戰(zhàn)斗部3點(diǎn)偏心起爆方式產(chǎn)生的沖擊波超壓在一定范圍內(nèi), 在目標(biāo)方向上較中心起爆方式有所增強(qiáng), 偏心距愈大,沖擊波超壓增強(qiáng)幅度愈大。因此, 3點(diǎn)偏心起爆可作為重型魚雷定向戰(zhàn)斗部優(yōu)先選擇的起爆方式。該文的研究將為優(yōu)化重型魚雷戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)提供參考。

重型魚雷； 定向戰(zhàn)斗部； 偏心起爆； 沖擊波超壓

0　引言

重型魚雷戰(zhàn)斗部多數(shù)屬于爆破型，為了充分利用裝藥能量，提高化學(xué)能量轉(zhuǎn)化為動能的效率，

戰(zhàn)斗部起爆方式是關(guān)鍵技術(shù)之一。重型魚雷戰(zhàn)斗部采用中心一點(diǎn)或后端面平面起爆方式，戰(zhàn)斗部爆炸后能量向魚雷徑向均勻分布或向魚雷軸向前方匯聚，在反艦情況下，目標(biāo)處于魚雷上方，能量利用率較差。采用定向起爆技術(shù)，使戰(zhàn)斗部爆炸能量向位于魚雷上方的艦船目標(biāo)方向匯聚，能夠產(chǎn)生定向聚爆的效果，大幅度提高魚雷戰(zhàn)斗部的能量利用率，加大對大中型艦船目標(biāo)的毀傷。

文中利用有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA分別對中心起爆和3點(diǎn)偏心起爆方式下重型魚雷戰(zhàn)斗部縮比樣彈爆炸后在目標(biāo)方向上產(chǎn)生的沖擊波超壓進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，對比在目標(biāo)方向相同距離處沖擊波超壓的增益情況，優(yōu)選出較為合適的起爆方式及偏心距，為優(yōu)化重型魚雷戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)提供參考。

1　仿真模型建立

1.1幾何模型

重型魚雷戰(zhàn)斗部水下威力測試因海況復(fù)雜、測試范圍大、測試傳感器和效應(yīng)靶較難布置、動態(tài)下魚雷戰(zhàn)斗部爆炸近場和遠(yuǎn)場區(qū)域很難具體確定，常采用陸上靜爆試驗(yàn)進(jìn)行戰(zhàn)斗部性能摸底和毀傷效果評估，但全尺寸重型魚雷戰(zhàn)斗部靜爆試驗(yàn)費(fèi)時(shí)長、耗資大、試驗(yàn)條件較難控制，故常采用按一定比例縮小的模型代替原型試驗(yàn)，以取得工程設(shè)計(jì)或毀傷效應(yīng)分析中所需的各種數(shù)據(jù)，探求具體工程技術(shù)問題中有關(guān)物理量間的定性關(guān)系［1］。

數(shù)值仿真采用一定比例的縮比模型，模擬重型魚雷戰(zhàn)斗部不同起爆方式下的陸上靜爆試驗(yàn)。在ANSYS前處理程序中計(jì)算出魚雷戰(zhàn)斗部縮比模型裝藥量1.412 kg，裝藥形狀為長徑比L/D=1.5的圓柱體，有限域空氣介質(zhì)形狀為（φ1 600×930） mm的圓柱體，戰(zhàn)斗部裝藥有限元模型見圖1。受定向起爆方式的影響，沖擊波在空氣中傳播只關(guān)于1個(gè)平面對稱。為縮短計(jì)算時(shí)間，取1/2結(jié)構(gòu)建立3D模型，仿真系統(tǒng)示意見圖2。各部分模型均為SOLID164［2］實(shí)體單元類型，映射網(wǎng)格劃分。仿真系統(tǒng)有限元模型共劃分379 008個(gè)六面體單元，炸藥、空氣均劃分為Euler單元，空氣邊界設(shè)定為非反射邊界（*BOUNDARY_NON_ REFLEC TING［3］）。

圖1　裝藥有限元模型Fig. 1　Finite element model of charging

圖2　仿真系統(tǒng)示意圖Fig. 2　Schematic of the simulation system

1.2材料模型

炸藥能量瞬間釋放，近似理想爆轟，符合Chapman-Jouget條件和Rankine-Hugoniot［4］關(guān)系，其材料模型選用高能炸藥燃燒與增長模型。爆轟產(chǎn)物的膨脹采用JWL （Jones-Wilkins-Lee）狀態(tài)方程，此狀態(tài)方程可以很好地描述高能炸藥爆炸作用過程及爆轟產(chǎn)物，其形式為

式中: A，B，R1，R2和ω為試驗(yàn)擬合參數(shù)； E為體積內(nèi)能，J·m-3； V為體積，m3。

炸藥的材料模型及狀態(tài)方程主要參數(shù)見表1。

表1　炸藥材料模型及狀態(tài)方程主要參數(shù)Table 1　Main parameters of explosive material model and equation of state

空氣介質(zhì)采用空材料［3］本構(gòu)關(guān)系的線性多項(xiàng)式狀態(tài)方程來描述，不考慮應(yīng)力偏量，僅在與周圍介質(zhì)接觸時(shí)考慮空氣楊氏模量和泊松比的作用，且

式中: C0～C6為多項(xiàng)式系數(shù)； η=ρ/ρ0-1，且ρ ρ0為當(dāng)前密度和初始密度比率。空氣介質(zhì)線性多項(xiàng)式狀態(tài)方程主要參數(shù)見表2。

表2　空氣介質(zhì)線性多項(xiàng)式狀態(tài)方程主要參數(shù)Table 2　Main parameters of linear polynomial equation of state for air medium

1.3算法選擇

ANSYS/LS-DYNA程序具有Lagrange、Euler和ALE（arbitrary lagrangian eulerian）算法。Lagrange算法的單元網(wǎng)格附著在材料上，隨著材料的流動而產(chǎn)生單元網(wǎng)格的變形。但是在結(jié)構(gòu)變形過于巨大時(shí)，有可能使有限元網(wǎng)格造成嚴(yán)重畸變，引起數(shù)值計(jì)算的困難，甚至程序終止運(yùn)算。ALE算法和Euler算法可以克服單元嚴(yán)重畸變引起的數(shù)值計(jì)算困難，并實(shí)現(xiàn)流體-固體耦合的動態(tài)分析。Euler算法則是材料在一個(gè)固定的網(wǎng)格中流動，在LS-DYNA中只要將有關(guān)實(shí)體單元標(biāo)志Euler算法，并選擇輸運(yùn)算法［5］，就可以進(jìn)行仿真計(jì)算。

文中用有限元仿真程序計(jì)算距爆炸中心一定距離處的沖擊波超壓，仿真系統(tǒng)只有炸藥和空氣2種物質(zhì)。由于炸藥爆炸過程和空氣介質(zhì)具有流體特性，采用Euler算法比較合適。

2　仿真過程

魚雷戰(zhàn)斗部內(nèi)部有各種管路、傳感器、控制組件和電子元器件，受內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸限制，根據(jù)理論分析及戰(zhàn)斗部裝藥空間實(shí)際特點(diǎn)，設(shè)計(jì)戰(zhàn)斗部起爆偏心距為Δδ1=0mm ，Δδ2=17 mm，Δδ3= 27 mm3種。當(dāng)偏心距Δδ1=0 mm時(shí)，起爆點(diǎn)數(shù)量為1，且位于戰(zhàn)斗部幾何中心，即為中心單點(diǎn)起爆方式。當(dāng)偏心距Δδ2=17 mm，Δδ3=27 mm時(shí)，起爆點(diǎn)數(shù)量為3，且在戰(zhàn)斗部裝藥內(nèi)同一條直線上均勻分布。設(shè)計(jì)算程序終止時(shí)間500 ηs，通過ANSYS/LS-DYNA后處理程序LS- PREPOST可看出3種起爆方式下2.5 ηs和90 ηs時(shí)刻的沖擊波形圖（見圖3和圖4）。

圖3　2.5 ηs時(shí)刻3種起爆方式爆炸沖擊波形圖Fig. 3　Explosive shock wave forms of three initiation ways at 2.5 ηs

圖4　90 ηs時(shí)刻3種起爆方式仿真系統(tǒng)沖擊波形圖Fig. 4　Simulated shock wave forms of three initiation ways at 90 ηs

中心起爆方式下，縮比戰(zhàn)斗部軸向和徑向沖擊波在空氣中呈對稱性傳播，在距裝藥較近處沖擊波陣面呈橢球形； 另外2種不同偏心距在3點(diǎn)起爆方式下，沖擊波在空氣中傳播只有一個(gè)對稱面（即仿真系統(tǒng)模型對稱平面），在縮比戰(zhàn)斗部徑向方向，沖擊波向偏心起爆點(diǎn)偏離戰(zhàn)斗部軸線的相反方向增強(qiáng)，在縮比戰(zhàn)斗部軸向方向無明顯變化。

3　仿真結(jié)果與試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1計(jì)算測試距離

根據(jù)爆炸沖擊波在傳播過程中的衰減規(guī)律，空氣中沖擊波壓力大小與對比距離有關(guān)［6］

式中:r為對比距離，mkg-3； r為測點(diǎn)到爆炸中心的距離，m； W為TNT裝藥質(zhì)量，kg；

在相同對比距離條件下，沖擊波超壓的大小是相同的，即

依據(jù)實(shí)際重型魚雷戰(zhàn)斗部裝藥量和戰(zhàn)斗部對目標(biāo)的最佳作用距離，由對比距離計(jì)算出，1.412 kg、1.7倍TNT當(dāng)量的炸藥測試距離為400 mm和600 mm。

3.2仿真結(jié)果

在縮比戰(zhàn)斗部徑向方向，距中軸線400 mm、600 mm處分別選取單元287 520、294 432繪制沖擊波壓力時(shí)程曲線見圖5和圖6。

圖5　400 mm處沖擊波壓力曲線Fig. 5　Curves of shock wave pressure versus time at a distance of 400 mm

從圖中可知，采用3點(diǎn)偏心起爆較中心起爆在相同測試距離處，空氣中沖擊波超壓有明顯增強(qiáng)； 偏心距Δδ3=27 mm 較Δδ2=17 mm在相同測點(diǎn)沖擊波超壓有所增強(qiáng)； 在相同測點(diǎn)，3點(diǎn)偏心起爆較中心起爆沖擊波壓力更早達(dá)到峰值，這說明3點(diǎn)偏心起爆后，沖擊波在空氣中傳播速度比中心起爆方式下的速度大。仿真計(jì)算結(jié)果各種數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表3。

圖6　600 mm處沖擊波壓力曲線Fig. 6　Curves of shock wave pressure versus time at a distance of 600 mm

表3　仿真及試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Table 3　Statistics of simulation and experiment results

3.3試驗(yàn)驗(yàn)證

驗(yàn)證試驗(yàn)采用和數(shù)值仿真計(jì)算基本相同的樣彈結(jié)構(gòu)尺寸和布置方法，3種不同起爆方式的重型魚雷縮比戰(zhàn)斗部樣彈各試驗(yàn)2發(fā)，測試距樣彈軸線400 mm和600 mm處的沖擊波超壓。根據(jù)CB1238-93《魚雷戰(zhàn)斗部靜爆試驗(yàn)方法》的要求，戰(zhàn)斗部放在試驗(yàn)架上引爆，試驗(yàn)架高度應(yīng)滿足

式中: H為戰(zhàn)斗部離地面高度，m。

戰(zhàn)斗部裝藥按1.7倍TNT當(dāng)量計(jì)，試驗(yàn)中縮比戰(zhàn)斗部試驗(yàn)架的理論高度為

試驗(yàn)架實(shí)際高度設(shè)定為1 000 mm。試驗(yàn)系統(tǒng)布置如圖7，試驗(yàn)現(xiàn)場如圖8。3種起爆方式下測試沖擊波超壓平均值統(tǒng)計(jì)見表3，偏心起爆對比中心起爆沖擊波超壓增益情況見表4。

由表3和表4知，重型魚雷戰(zhàn)斗部縮比樣彈沖擊波超壓仿真計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)測試結(jié)果比較接近，2種方式在相同測點(diǎn)處的沖擊波超壓，以及偏心起爆方式下對比中心起爆方式下的沖擊波超壓增益值平均偏差為5.58%； 偏心起爆產(chǎn)生的沖擊波超壓在一定的距離范圍內(nèi)，在目標(biāo)方向上增加9.3%～24.5%； 偏心距為27 mm的起爆方式在目標(biāo)方向上沖擊波超壓增強(qiáng)幅度較偏心距為17 mm的大。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以推論，如果繼續(xù)增大偏心距，在起爆點(diǎn)的相對一側(cè)相同測點(diǎn)處的沖擊波超壓仍然會繼續(xù)增強(qiáng)，但最大偏心距不僅受戰(zhàn)斗部裝藥尺寸限制，也受戰(zhàn)斗部總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的限制，偏心距的設(shè)定需要結(jié)合戰(zhàn)斗部總體設(shè)計(jì)統(tǒng)籌考慮。

圖7　試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig. 7　Schematic of the experiment system

圖8　試驗(yàn)現(xiàn)場圖Fig. 8　Picture of experimental field

表4　對比中心起爆沖擊波超壓增益情況統(tǒng)計(jì)表Table 4　Statistics of shock wave overpressure peak gains by contrast with that of central initiation

4　結(jié)束語

通過對重型魚雷縮比戰(zhàn)斗部樣彈3種不同起爆方式下產(chǎn)生的沖擊波超壓的仿真計(jì)算，以及與試驗(yàn)結(jié)果的比較，可以得出如下結(jié)論: 1） 重型魚雷戰(zhàn)斗部縮比樣彈爆炸后，空氣中沖擊波超壓仿真計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)測試結(jié)果平均偏差5.58%，仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果符合性較好； 2） 戰(zhàn)斗部偏心起爆可使沖擊波超壓向偏心起爆點(diǎn)偏離戰(zhàn)斗部軸線的相反方向增強(qiáng)，3點(diǎn)偏心起爆產(chǎn)生的沖擊波超壓在一定的距離范圍內(nèi)，在目標(biāo)方向上較中心起爆增加9.3%～24.5%； 3） 偏心距為27 mm的起爆方式在目標(biāo)方向上沖擊波超壓增強(qiáng)幅度較偏心距為17 mm的大，可作為優(yōu)選偏心距； 4） 受魚雷戰(zhàn)斗部內(nèi)部結(jié)構(gòu)限制，從工程角度采用3點(diǎn)偏心起爆方式比較容易實(shí)現(xiàn)，并能在不增加戰(zhàn)斗部裝藥量的條件下較大幅度提高沖擊波在目標(biāo)方向的威力，可作為重型魚雷戰(zhàn)斗部起爆技術(shù)的優(yōu)先選擇方案。

［1］張守保，劉新房. 侵徹爆炸效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)重視的若干問題［C］//福建: 第四屆全國爆炸力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)學(xué)術(shù)會，2006.

［2］張寶平，張慶明，黃風(fēng)雷. 爆轟物理學(xué)［M］. 北京: 兵器工業(yè)出版社，2001.

［3］Livermore Software Technology Corporation. LS-DYNA Theoretical Manual［M］. California: Livermore Software Technology Corporation，2001.

［4］趙海鷗. LS-DYNA動力分析指南［M］. 北京: 兵器工業(yè)出版社，2003.

［5］Livermore Software Technology Corporation. LS-DYNA Keyword User′s Manual［M］. California: Livermore Software Technology Corporation，2003.

［6］北京工業(yè)學(xué)院八系《爆炸及其作用》編寫組. 爆炸及其作用［M］. 北京: 國防工業(yè)出版社，1979.

（責(zé)任編輯: 楊力軍）

Influence of Eccentric Initiation on Torpedo Directional Warhead Power：a Simulation and Experimental Research

QU Da-wei1，WANG Tuan-meng2
（1. Xi′an Representative Bureau，Naval Armament Department，Xi′an 710054，China； 2. The 705 Research Institute，China Shipbuilding Industry Corporation，Xi′an 710075，China）

Directional initiation technology can increase the power utilization ratio of directional warhead for a torpedo，and enhance the damage to large ship target. In this study，numerical simulation and experiment were conducted to investigate the shock wave overpressure of the scale-reduced prototype of heavyweight torpedo directional warhead at same testing point in three different initiation ways. The results show that in certain distance range，the 3-point eccentric initiation of the warhead generates higher shock wave overpressure in the direction of target than central initiation，and the shock wave overpressure increases significantly with the increase in eccentricity. Therefore，the 3-point eccentric initiation becomes the preferential initiation way for heavyweight torpedo directional warhead. This research may provide a reference for optimization design of heavyweight torpedo directional warhead.

heavyweight torpedo； directional warhead； eccentric initiation； shock wave overpressure

TJ630.2； TJ410.2

A

1673-1948（2015）02-0129-05

2014-12-25；

2015-01-24.

曲大偉（1975-），男，工程師，主要從事魚雷總體技術(shù)研究.