陳高杰,吳林杰,程素秋,劉文思

(中國人民解放軍 91439部隊,遼寧 大連 116041)

0 引言

水中兵器裝藥一般填裝在金屬戰(zhàn)斗部內(nèi)部,開展金屬殼體裝藥水下爆炸方面的研究十分重要。K.Takahashi等[1]對裝藥在不同的厚度、金屬以及藥量條件下,采用實驗的方法開展了水下爆炸的特性研究,發(fā)現(xiàn)了殼體對爆炸效果的加強作用;D.A.Jones等[2]分別對6 mm、12 mm鋼殼約束下10 kg柱形H6炸藥進行了實驗與數(shù)值仿真研究;LI Yujie等[3]也開展了有空隙帶殼裝藥的研究。但他們都沒能準(zhǔn)確模擬出沖擊波的峰值及波形,而且數(shù)值模型中殼體材料模型的選擇也存在一定不足。盛振新[4]、裴善報[5]等對小藥量帶殼裝藥進行了數(shù)值仿真研究,未推廣應(yīng)用到大當(dāng)量戰(zhàn)斗部中。因此需要利用數(shù)值仿真成本低、效率高并可指導(dǎo)驗證實驗的優(yōu)勢開展爆破型戰(zhàn)斗部殼體對爆炸威力影響研究。

文中基于爆破型戰(zhàn)斗部水中爆炸威力評估方法,選取某型爆破型魚雷戰(zhàn)斗部為研究對象,通過建立有效的爆破型戰(zhàn)斗部有限元模型,設(shè)計出合理的仿真計算工況,利用ALE方法分析研究了無限水域中殼體對爆破型戰(zhàn)斗部爆炸威力的影響。

1 戰(zhàn)斗部爆炸威力評估方法

目前,水中兵器領(lǐng)域國內(nèi)外使用的戰(zhàn)斗部爆炸威力評估標(biāo)準(zhǔn)主要有3種:沖擊波峰值標(biāo)準(zhǔn)、沖擊因子標(biāo)準(zhǔn)和沖擊加速度標(biāo)準(zhǔn)[6]。

1) 沖擊波峰值標(biāo)準(zhǔn)。

該標(biāo)準(zhǔn)是前蘇聯(lián)對戰(zhàn)爭中繳獲的艦船隔艙進行大量水中爆炸試驗,由試驗數(shù)據(jù)分析獲得。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:艦船一層底(外殼)被破壞時,它所受到的水中沖擊波峰值壓力為8～10 MPa;艦船的二層底被破壞時,沖擊波峰值壓力為17～20 MPa;艦船的三層底被破壞時,沖擊波峰值壓力為70 MPa。該評估方法以船體擊穿作為損傷標(biāo)準(zhǔn),比較適合魚雷等近距離爆炸武器。

2) 沖擊因子標(biāo)準(zhǔn)。

沖擊因子標(biāo)準(zhǔn)是英國、意大利以及北約許多國家共同采用的標(biāo)準(zhǔn),可根據(jù)對艦船毀傷程度的要求將其換算為概率值,僅適合非接觸爆炸。

3) 沖擊加速度標(biāo)準(zhǔn)。

沖擊加速度標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)美國軍標(biāo)MIL-S-901C制定的。在公式推導(dǎo)過程中進行了集總平均處理,更適合像水雷等遠(yuǎn)距離爆炸,從而使沖擊波相對較全面均勻作用于目標(biāo)的情況。

文中選取某型爆破型魚雷戰(zhàn)斗部為研究對象,采用沖擊波峰值壓力標(biāo)準(zhǔn)評估其爆炸威力。該雷戰(zhàn)斗部為柱形裝藥,藥量為200 kg的RS211高能炸藥,采用后端面平面波起爆方式。

2 數(shù)值仿真模型

2.1 計算模型

由于戰(zhàn)斗部為柱形裝藥,采用二維軸對稱模型,對稱軸為x軸,水域取7 m×14 m。殼體材料分別采用4340鋼和2024T351鋁,厚度分別取0(無殼)、5 mm、10 mm、15 mm、20 mm。為了保證沖擊波傳播的連續(xù)性,裝藥和水域采用均勻網(wǎng)格,網(wǎng)格尺寸為15 mm,人工粘性系數(shù)VL=0.2,VQ=1,設(shè)置transmit無反射邊界條件。僅考慮沖擊波峰值壓力的影響。殼體采用Lagrange單元,炸藥和水采用Euler單元,兩種單元之間施加Lagrange/Euler耦合。計算模型和戰(zhàn)斗部有限元模型如圖1和圖2所示,測點布置在距中軸線2 m、4 m、6 m處,采用右側(cè)端面起爆方式。

圖1 計算模型圖Fig.1 Diagram of calculation model

圖2 戰(zhàn)斗部有限元模型圖Fig.2 Diagram of finite element model of warhead

2.2 材料模型及參數(shù)

炸藥爆轟產(chǎn)物采用Jones-Wilkins-Lee(JWL)狀態(tài)方程進行壓力計算,各參數(shù)取值見表1[7]。

表1 RS211炸藥JWL狀態(tài)方程參數(shù)Table 1 Parameters of JWL EOS of explosive RS211

式中:pexp為爆轟產(chǎn)物的壓力;η為爆轟產(chǎn)物的相對比容,即η=ρ/ρ0;Aexp、Bexp、R1、R2和ω為與炸藥狀態(tài)有關(guān)的常數(shù);u為高能炸藥單位質(zhì)量的內(nèi)能。

水的狀態(tài)方程采用多項式狀態(tài)方程,對于流體在壓縮和拉伸狀態(tài)下具有不同的形式。

壓縮狀態(tài)下:

拉伸狀態(tài)下:

表2 水的狀態(tài)方程參數(shù)Table 2 Parameters of JWL EOS of water

金屬殼體采用Johnson-Cook模型[8],并考慮應(yīng)變率的影響,其本構(gòu)方程為

表3 殼體材料參數(shù)Table 3 Material parameters of shell

3 結(jié)果分析

殼體厚度分別取5 mm、10 mm、15 mm、20 mm的鋼殼、鋁殼與無殼狀態(tài)下的爆炸威力進行比較。僅給出厚度為10 mm時的壓力時程曲線和鋁殼厚10 mm時的壓力云圖。由圖3和圖4可知,戰(zhàn)斗部裝藥由端面引爆后,爆轟波向另一端面?zhèn)鞑?水中沖擊波壓力最終以球形方式向外傳播,傳播距離越遠(yuǎn)越接近于球形,沖擊波峰值壓力計算結(jié)果如表4和圖5所示。當(dāng)爆距為2 m時,隨著殼體厚度的增加,沖擊波峰值壓力呈現(xiàn)出振蕩減小的趨勢,且鋁殼比鋼殼振蕩頻率更快;當(dāng)爆距為4 m時,隨著殼體厚度的增加,沖擊波峰值壓力與爆距為2 m時相似,呈現(xiàn)出振蕩減小的趨勢, 但振蕩頻率變慢,相同殼體厚度時鋼殼比鋁殼的峰值壓力要小;當(dāng)爆距為6 m時,隨著殼體厚度的增加,沖擊波峰值壓力不再振蕩而是不斷衰減,與爆距為4 m時相似,相同殼體厚度時鋼殼比鋁殼的峰值壓力要小。

圖3 壓力時程曲線Fig.3 Curves of pressure history

圖4 鋁殼厚10 mm時壓力云圖Fig.4 Pressure nephogram with aluminum shell of 10 mm thickness

表4 不同殼體厚度及材料對應(yīng)的沖擊波峰值壓力Table 4 Shock waves' peak pressures of different shell thicknesses and materials

圖5 不同爆距峰值壓力隨殼體厚度的變化Fig.5 Peak pressures varies with shell thickness of different explosion distances

由于殼體的熔化、撕裂吸收會消耗一部分能量,沖擊波峰值壓力會隨著殼體厚度的增加而減小,但殼體同樣對沖擊波能量有累積作用。當(dāng)累積作用大于吸收作用時,又會使沖擊波峰值壓力隨著殼體厚度的增加而增大。因此,沖擊波峰值壓力會呈現(xiàn)出振蕩特性。但當(dāng)爆距到達(dá)一定值時累積作用衰減較大使吸收作用占主要地位,從而沖擊波峰值壓力呈現(xiàn)衰減趨勢而不再振蕩。此外,隨著殼體厚度的增加,沖擊波脈寬增大,沖擊波壓力爬升至峰值時刻有滯后效應(yīng)而非超前效應(yīng),這可能是由于殼體的約束延遲了爆轟波的釋放與傳播,而這種超前或滯后效應(yīng)與藥量或殼體有關(guān)。雖然這種延遲在沖擊波的傳播過程中表現(xiàn)并不明顯,但是延遲時間相對沖擊波時間衰減常數(shù)卻較大。

在殼體材料分別取4340鋼和2024T351鋁時,鋁殼體裝藥比鋼殼體裝藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波峰值壓力要高,且傳播速度要大。主要原因是:1)從能量守恒方面來看,由于鋁殼體質(zhì)量相對較小,且裝藥在爆炸過程中一部分殼體已經(jīng)燒蝕掉,爆炸驅(qū)動殼體的能量相對較少;而鋼殼體裝藥在爆炸過程中有較多能量消耗在對殼體的驅(qū)動上,因此沖擊波能量減少較多。2)從沖擊波在不同介質(zhì)中的傳播理論來看,鋁殼體的法面波阻抗與炸藥(或爆炸產(chǎn)物)波阻抗相對比較接近,而鋼殼體材料與炸藥及水波阻抗差別相對較大,從而導(dǎo)致裝藥爆炸的初始沖擊波參數(shù)的差異。

4 結(jié)束語

文中選取某爆破型魚雷戰(zhàn)斗部為研究對象,基于沖擊波峰值壓力的爆炸威力評估標(biāo)準(zhǔn),研究了無限水域中鋼和鋁兩種殼體對爆破型戰(zhàn)斗部爆炸威力的影響,得到以下結(jié)論:

1)對所研究戰(zhàn)斗部藥量下,殼體對爆炸威力的影響呈現(xiàn)出振蕩衰減特性,且爆距越近振蕩越大,爆距越遠(yuǎn)振蕩越小且衰減越明顯;殼體密度越大振蕩越大,衰減越大。

2)相同厚度下鋁殼體裝藥比鋼殼體裝藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波峰值壓力要高;沖擊波前期波形受殼體厚度影響較大,后期衰減波形趨于一致。

3)殼體的存在使沖擊波壓力爬升到峰值的時間有滯后效應(yīng),殼厚越大,滯后效應(yīng)越明顯。相同裝藥量下,沖擊波壓力峰值隨著殼厚的增加呈現(xiàn)類似拋物線的變化趨勢。