反魚雷魚雷戰(zhàn)斗部對(duì)來襲魚雷爆炸毀傷效應(yīng)仿真

劉 銳, 魯忠寶, 王明洲

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反魚雷魚雷戰(zhàn)斗部對(duì)來襲魚雷爆炸毀傷效應(yīng)仿真

劉 銳, 魯忠寶, 王明洲

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

為了獲得反魚雷魚雷(ATT)戰(zhàn)斗部水中爆炸對(duì)來襲魚雷的毀傷效應(yīng), 以ANSYS LS- DYNA有限元分析軟件為平臺(tái), 對(duì)ATT攻擊對(duì)象(來襲魚雷)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的建模, 并采用流固耦合算法針對(duì)ATT戰(zhàn)斗部在不同距離、不同角度下對(duì)來襲魚雷的爆炸毀傷效應(yīng)進(jìn)行了仿真計(jì)算, 得出了ATT戰(zhàn)斗部的毀傷半徑、來襲魚雷的毀傷判據(jù)以及ATT對(duì)來襲魚雷的毀傷規(guī)律。仿真結(jié)果表明, 在水中爆炸作用下, 來襲魚雷燃料艙段殼體較其他部分殼體更易發(fā)生變形或破裂。該研究可為魚雷的毀傷效應(yīng)評(píng)定及ATT戰(zhàn)斗部研究提供參考。

反魚雷魚雷; 來襲魚雷; 水中爆炸; 流固耦合; 毀傷半徑

0 引言

要得到較為準(zhǔn)確的反魚雷魚雷(anti-torpedo torpedo, ATT)戰(zhàn)斗部對(duì)來襲魚雷爆炸毀傷效應(yīng)的仿真結(jié)果，需要從以下幾方面入手。首先, 要建立較為準(zhǔn)確的來襲魚雷有限元計(jì)算模型、ATT戰(zhàn)斗部炸藥模型和水介質(zhì)模型; 其次, 要采取合適的算法, 本文主要涉及的是水中爆炸沖擊波對(duì)來襲魚雷整體結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)問題, 所以采用流固耦合算法;第三, 實(shí)際作戰(zhàn)中雷目均為高速小目標(biāo), 交會(huì)姿態(tài)十分復(fù)雜, 通過計(jì)算多種工況下ATT戰(zhàn)斗部對(duì)來襲魚雷的爆炸毀傷效應(yīng)仿真計(jì)算模型, 使得仿真工作更為實(shí)際和全面; 最后, 來襲魚雷在ATT戰(zhàn)斗部爆炸作用下的毀傷包括來襲魚雷結(jié)構(gòu)的破壞及來襲魚雷內(nèi)部設(shè)備的損壞, 這些都有可能導(dǎo)致來襲魚雷喪失作戰(zhàn)能力, 因此需要從外部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部設(shè)備2個(gè)方面對(duì)來襲魚雷的毀傷效應(yīng)進(jìn)行考察, 使得計(jì)算結(jié)果的分析更為合理, 得到來襲魚雷的毀傷判據(jù)、ATT的毀傷半徑及對(duì)來襲魚雷的毀傷規(guī)律更為準(zhǔn)確。

1 有限元模型的建立

1.1 來襲魚雷的有限元模型

對(duì)來襲魚雷結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化分析, 建立的來襲魚雷幾何模型主要包括魚雷殼體、雷頭橡膠、戰(zhàn)斗部裝藥、雷尾殼體、鰭、舵、軸、配重梁及其他等效結(jié)構(gòu), 對(duì)各部分選取合適的密度、彈性模量、泊松比等材料參數(shù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分, 形成來襲魚雷有限元模型。

1.2 炸藥和水介質(zhì)有限元模型

為了保證網(wǎng)格質(zhì)量, 建模時(shí)炸藥和水介質(zhì)均使用映射網(wǎng)格建模, 結(jié)合工況特點(diǎn)(見圖1), 將水域建成圓柱體幾何模型, 這樣不僅有利于炸藥和水域映射網(wǎng)格的劃分, 提高計(jì)算的精度和效率, 而且在計(jì)算不同工況時(shí), 只需要在圓柱體水域內(nèi)變換來襲魚雷的距離和角度, 而不用對(duì)炸藥和水域重新建模, 大大提高了工作效率。此外, 根據(jù)計(jì)算工況對(duì)稱性的特點(diǎn), 炸藥和水介質(zhì)采用四分之一有限元建模, 大大減少了計(jì)算時(shí)間。

圖1 ATT對(duì)來襲魚雷毀傷示意圖

在ANSYS LS-DYNA中, 炸藥引爆以后, 其爆轟產(chǎn)物的壓力根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JWL(Jone-Wilkins-Lee)炸藥方程式(1)來模擬各種炸藥爆炸過程, 它可以比較精確地描述爆轟產(chǎn)物的膨脹驅(qū)動(dòng)做功過程[1]

式中:*=/0為爆轟產(chǎn)物的相對(duì)比容;為比熱力學(xué)能;,,1,2,分別為JWL的5個(gè)待定參數(shù)。

根據(jù)ATT戰(zhàn)斗部裝藥特點(diǎn), 設(shè)定炸藥的爆轟參數(shù), 選取合適的,,1,2,值, 具體參數(shù)調(diào)整方法可參考文獻(xiàn)[1]; 水介質(zhì)可使用空白材料模型MAT_NULL, 采用Mie-Grüneisen狀態(tài)方程。

1.3 ATT戰(zhàn)斗部對(duì)來襲魚雷爆炸毀傷的有限元模型

炸藥在水中的爆炸過程是一個(gè)高速的化學(xué)變化過程, 加之水介質(zhì)的流動(dòng)性很大, 為了更好地模擬炸藥水中爆炸沖擊波的傳播及對(duì)來襲魚雷的毀傷效應(yīng), 炸藥和水采用歐拉網(wǎng)格, 單元使用多物質(zhì)任意拉格朗日-歐拉(arbitrary lagrange euler, ALE)算法, 來襲魚雷采用拉格朗日網(wǎng)格, 在來襲魚雷和水之間采用耦合算法, 這樣就實(shí)現(xiàn)了流體-固體耦合的動(dòng)態(tài)分析[2]。部分工況的有限元模型如圖2所示。

圖2 ATT戰(zhàn)斗部對(duì)來襲魚雷爆炸毀傷有限元仿真模型

2 仿真計(jì)算

2.1 水中沖擊波仿真結(jié)果

水中爆炸經(jīng)驗(yàn)公式[3]

其中:為爆炸距離, m;為TNT當(dāng)量值, kg;和為參數(shù)。

將式（2）計(jì)算所得不同距離處水中爆炸沖擊波峰值壓力與數(shù)值仿真得到的結(jié)果進(jìn)行比較, 得圖3所示曲線。由圖中可看出, 在2 ~16 m處數(shù)值仿真得到的水中沖擊波峰值壓力與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值比較吻合。

2.2 來襲魚雷殼體上點(diǎn)的計(jì)算數(shù)值及分析

殼體是魚雷整體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位, 也是魚雷最先受到爆炸沖擊的薄弱部位, 殼體一旦破裂, 會(huì)導(dǎo)致魚雷完全喪失作戰(zhàn)能力, 因此研究來襲魚雷殼體受到爆炸沖擊的動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)了解來襲魚雷的毀傷情況具有重要意義。

圖3 沖擊波峰值壓力比較

此次仿真計(jì)算了4種距離(=4 m, 8 m, 12 m, 15 m), 5種角度(=0°, 45°, 90°, 135°, 180°)共20種工況下ATT戰(zhàn)斗部水中爆炸對(duì)來襲魚雷的毀傷模型。下面對(duì)各種工況下來襲魚雷不同艙段殼體上點(diǎn)的等效塑性應(yīng)變進(jìn)行考察。點(diǎn)的具體位置如圖4所示。其中,點(diǎn)位于頭段殼體上,點(diǎn)位于戰(zhàn)雷段殼體上,點(diǎn)位于燃料艙段殼體上,點(diǎn)位于動(dòng)力艙段殼體上,點(diǎn)位于尾艙段殼體上。

圖4 來襲魚雷殼體上的考察點(diǎn)

不同工況下來襲魚雷殼體上各考察點(diǎn)所受的最大等效塑性應(yīng)變?nèi)绫?所示。由表1中可看出: 1) 在同一姿態(tài)下(相同), 來襲魚雷殼體上各點(diǎn)所受的最大等效塑性應(yīng)變會(huì)隨距離的增加而減小, 在=12 m時(shí)(此處水中沖擊波峰值壓力為15.54 MPa)只有部分姿態(tài)下的部分點(diǎn)會(huì)有塑性應(yīng)變, 即來襲魚雷殼體在部分姿態(tài)下會(huì)發(fā)生塑性變形; 而在=15 m時(shí)各種姿態(tài)下來襲魚雷殼體上的點(diǎn)基本上沒有塑性應(yīng)變, 即在15 m外, 來襲魚雷殼體基本上不會(huì)發(fā)生塑性變形; 2) 各種工況下點(diǎn)所受的等效塑性應(yīng)變一般較大, 即點(diǎn)更容易發(fā)生塑性變形。

2.3 來襲魚雷外部結(jié)構(gòu)毀傷情況

從2.2節(jié)的分析可得來襲魚雷殼體發(fā)生變形的條件, 但殼體是否會(huì)破裂不僅與殼體上點(diǎn)所受的應(yīng)力和應(yīng)變有關(guān), 還與殼體結(jié)構(gòu)(例如不同艙段的殼體厚度會(huì)有所不同)有關(guān), 從圖5中可觀察殼體是否發(fā)生破裂及其他外部結(jié)構(gòu)的毀傷情況，并判斷出某些工況下來襲魚雷毀傷嚴(yán)重完全喪失作戰(zhàn)能力, 某些工況下來襲魚雷毀傷情況不明顯, 單從外部結(jié)構(gòu)中無法判斷來襲魚雷是否喪失作戰(zhàn)能力, 因此需要做進(jìn)一步的分析。

表1 20種工況下來襲魚雷殼體上各點(diǎn)所受的最大等效塑性應(yīng)變

Table 1 Maximum equivalent plastic strain of each point on incoming torpedo shell in 20 conditions

2.4 來襲魚雷內(nèi)部點(diǎn)的計(jì)算數(shù)值及分析

來襲魚雷內(nèi)部設(shè)備雖然不像殼體那樣遭受水中沖擊波的直接作用, 但卻會(huì)在沖擊波的作用下發(fā)生震蕩而損壞, 而震蕩的劇烈程度應(yīng)從加速度大小和作用時(shí)間2個(gè)方面去考慮, 因此這里采用以下2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)來襲魚雷內(nèi)部設(shè)備進(jìn)行考察。

1) 美國(guó)軍標(biāo)MIL-S-901C[4]中規(guī)定海軍船用大于2.7 t的重型設(shè)備的沖擊性能用浮動(dòng)沖擊平臺(tái)進(jìn)行考核。結(jié)果說明要使美軍船用設(shè)備損壞, 水中爆炸給艦船施加的沖擊加速度不能小于234.4 g。

2) GJB548A-96電子器件試驗(yàn)方法和程序中對(duì)電子設(shè)備機(jī)械沖擊的篩選辦法進(jìn)行了詳細(xì)的說明, 沖擊試驗(yàn)設(shè)備應(yīng)能夠按規(guī)定對(duì)器件本體施加4 900~294 000峰值加速度的沖擊脈沖, 其持續(xù)時(shí)間為0.1~1.0 ms, 具體試驗(yàn)條件及要求見表2。

表2 加速度峰值及作用時(shí)間

Table 2 Peak value of acceleration and action time

在來襲魚雷各艙段內(nèi)部分別取一點(diǎn), 圖6中,1位于頭段內(nèi),1位于戰(zhàn)雷段內(nèi),1位于燃料艙段內(nèi),1位于動(dòng)力艙段內(nèi),1位于尾艙段內(nèi)。

以=12 m,=0°工況為例, 來襲魚雷內(nèi)部1點(diǎn)在方向上加速度隨時(shí)間的響應(yīng)曲線如圖7所示。

圖6 來襲魚雷內(nèi)部考察點(diǎn)

圖7 L=12 m, θ=0°工況下A1點(diǎn)Z方向加速度曲線

從表3可以得出, 要使來襲魚雷內(nèi)部設(shè)備損壞, 來襲魚雷內(nèi)部點(diǎn)的加速度峰值平均值的最小值要在874.1~911.8 g之間。

表3 不同工況下各點(diǎn)加速度峰值平均值及脈沖持續(xù)時(shí)間

Table 3 Average values of peak acceleration and pulse duration time in different conditions

2.5 來襲魚雷毀傷情況

綜合2.3節(jié)和2.4節(jié)的分析判斷可以得知: 當(dāng)爆炸距離為8 m以下時(shí), 可確定來襲魚雷在任何姿態(tài)下都會(huì)喪失作戰(zhàn)能力; 當(dāng)爆炸距離在8~12 m時(shí), 在=0°, 90°, 180°姿態(tài)下, 來襲魚雷會(huì)完全喪失作戰(zhàn)能力；在=0°, 135°姿態(tài)下, 來襲魚雷可能會(huì)喪失作戰(zhàn)能力; 當(dāng)爆炸距離在12~15 m時(shí), 來襲魚雷在=45°姿態(tài)下可能會(huì)喪失作戰(zhàn)能力, 其他姿態(tài)下不會(huì)喪失作戰(zhàn)能力，具體情況參見表4。

表4 20種工況下來襲魚雷毀傷情況表

Table 4 Damages of an incoming torpedo in 20 conditions

3 結(jié)論

通過對(duì)不同爆炸距離、不同姿態(tài)共20種工況下ATT戰(zhàn)斗部對(duì)來襲魚雷爆炸毀傷的數(shù)值仿真, 可得如下結(jié)論。

1) 當(dāng)來襲魚雷受到ATT戰(zhàn)斗部爆炸沖擊時(shí), 來襲魚雷燃料艙段較其他艙段更易變形或破裂;

2) ATT的毀傷半徑大致為12 m, 在這個(gè)范圍內(nèi), 來襲魚雷可能殼體破裂, 舵、鰭被破壞或內(nèi)部設(shè)備損壞而喪失作戰(zhàn)能力;

3) 要使來襲魚雷殼體破裂, 水中沖擊波峰值壓力要達(dá)到15.54 MPa, 要使來襲魚雷內(nèi)部設(shè)備損壞, 設(shè)備上的沖擊加速度要達(dá)到900 g以上。

[1] 劉銳. 不同條件下水中爆炸沖擊壓力場(chǎng)分布特性研究[D]. 北京: 北京理工大學(xué), 2010.

[2] 時(shí)黨勇, 李裕春, 張勝民. 基于ANSYS/LS-DYNA 8.1進(jìn)行顯式動(dòng)力分析[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2005.

[3] Cole. 水下爆炸[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 1960.

[4] 孟慶玉, 張靜遠(yuǎn). 魚雷作戰(zhàn)效能分析[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2003.

Simulation of Explosive Damage Effect of ATT Warhead on Incoming Torpedo

LIU Rui, LU Zhong-bao, WANG Ming-zhou

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

To assess the damage effect of anti-torpedo torpedo (ATT) warhead on an incoming torpedo, we establish an incoming torpedo model with the finite element analysis software ANSYS LS-DYNA, simulate the explosive damage effect of ATT warhead on an incoming torpedo with different distances and different angles by using the fluid-solid coupling algorithm, and obtain the damage radius of ATT warhead, the damage criterion of an incoming torpedo, and the damage laws of an ATT against an incoming torpedo. Simulation results show that deformation and fracture occur more easily on the shell of fuel tank section of an incoming torpedo than on other shells in underwater explosion. This study may benefit the damage effect assessment of an ATT and the research of ATT warhead.

anti-torpedo torpedo (ATT); incoming torpedo; underwater explosion; fluid-solid coupling; damage radius

TJ630.2

A

1673-1948(2012)05-0375-05

2012-07-26;

2012-09-13.

劉 銳(1984-), 男, 碩士, 工程師, 主要研究方向?yàn)轸~雷戰(zhàn)斗部及觸發(fā)引信.

(責(zé)任編輯: 楊力軍)