精確制導(dǎo)武器作用下艦船結(jié)構(gòu)變形計(jì)算研究

晏衛(wèi)東，劉延青，馬曉明，魏 琳，張 戈，郭 君，張阿漫

（1.中國(guó)人民解放軍某部，遼寧 葫蘆島 125000；2.哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001）

0 引言

艦船在空中爆炸載荷作用下，其局部結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生大變形，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大破口，伴隨著藥包的爆轟過(guò)程，大量高溫氣體混合物以及高溫火球向外急速膨脹，與艦船結(jié)構(gòu)相互作用，對(duì)艦船造成一次破壞，在此過(guò)程中產(chǎn)生的彈片以及艙室破片會(huì)對(duì)艦船造成二次損傷。可見(jiàn)，空中爆炸對(duì)艦船的損傷是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，因此給相關(guān)研究增加了難度。

鑒于其在國(guó)防領(lǐng)域中的重要性，各國(guó)海軍以及國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)艦船損傷機(jī)理及計(jì)算方法進(jìn)行了大量研究［1，2］。如美國(guó)、俄羅斯等國(guó)海軍通過(guò)實(shí)船實(shí)彈試驗(yàn)考查艦船的抗爆抗沖擊能力，我國(guó)海軍也進(jìn)行了少量實(shí)船實(shí)彈試驗(yàn)，獲取了少量珍貴數(shù)據(jù)。國(guó)外學(xué)者Brode、Sadovskyi、Alekseev、Henrych等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論手段得到了計(jì)算空中爆炸沖擊波載荷的經(jīng)驗(yàn)公式，并給出了這些公式的適用范圍；Taylor對(duì)沖擊波各參數(shù)進(jìn)行相似假設(shè)后，求解爆炸波的動(dòng)量和質(zhì)量守恒方程并得出了著名的“泰勒相似解”。上海交通大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)、海軍工程大學(xué)、701研究所等單位在空中爆炸領(lǐng)域開(kāi)展了相關(guān)研究并取得了一定的成果；賈光輝、顧壘、向文飛等人通過(guò)理論分析對(duì)爆炸過(guò)程進(jìn)行了分析和推導(dǎo)，得出了應(yīng)力波傳播規(guī)律；朱錫、白雪飛等人以實(shí)船試驗(yàn)為基礎(chǔ)進(jìn)行比較，得出破口計(jì)算公式。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)及數(shù)值仿真技術(shù)的長(zhǎng)足進(jìn)步，應(yīng)用數(shù)值計(jì)算方法已成為研究爆炸問(wèn)題的重要手段，特別是LS－DYNA在求解結(jié)構(gòu)碰撞沖擊和爆炸等問(wèn)題有著突出的特點(diǎn)［3］，因此在空中爆炸研究領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

1 爆炸載荷的求解

1.1 近場(chǎng)爆炸載荷的求解

1.1.1 爆轟產(chǎn)物初始參數(shù)的求解

對(duì)于分子式為CαHβOγNv的炸藥，其爆炸產(chǎn)生的熱效應(yīng)主要取決于其含量中碳、氫和氧3種元素的化學(xué)反應(yīng)，按照其含氧量可以分成3種情況對(duì)炸藥爆炸產(chǎn)生的爆熱進(jìn)行計(jì)算［4］。由于反艦導(dǎo)彈武器戰(zhàn)斗部多為混合裝藥，因而用單一裝藥求解爆轟參數(shù)的方法不能準(zhǔn)確求解，因此采用物質(zhì)的能量守恒求得炸藥爆炸成分平均分子式，然后再求出混合炸藥的爆轟參數(shù)。

1.1.2 近場(chǎng)爆炸載荷壓力峰值的求解

確定爆轟產(chǎn)物初始參數(shù)后，應(yīng)用高溫氣體膨脹理論求解近場(chǎng)爆炸載荷。

1.1.3 近場(chǎng)載荷正壓作用時(shí)間的求解

由于應(yīng)用理論求解很難準(zhǔn)確得出近場(chǎng)載荷隨時(shí)間的變化規(guī)率，因而采用數(shù)值方法計(jì)算TNT炸藥自由場(chǎng)中近場(chǎng)爆炸壓力載荷正壓作用時(shí)間，根據(jù)爆熱等效原理求解混合裝藥爆炸壓力載荷正壓作用時(shí)間；高能炸藥模型采用LS－DYNA程序中 MAT＿HIGH＿EXPLOSIVE＿BURN模型，其相應(yīng)參數(shù)分別通過(guò)計(jì)算及文獻(xiàn)［5］得到；爆轟產(chǎn)物的壓力一般根據(jù)JWL狀態(tài)方程計(jì)算，空氣流場(chǎng)采用NULL材料模型，通過(guò)JWL狀態(tài)方程計(jì)算得到載荷大小，并將其加載到空氣流場(chǎng)上的節(jié)點(diǎn)化為節(jié)點(diǎn)力，用LINEAR－POLY－NOMI－AL狀態(tài)方程加以描述。

1.2 中遠(yuǎn)場(chǎng)爆炸載荷的求解

當(dāng)r≥12r0（r為距爆心的距離，r0為球型藥包半徑），即爆轟氣體與爆炸沖擊波分離，應(yīng)用爆熱等效原理與經(jīng)驗(yàn)公式［6］結(jié)合的方法，求解中遠(yuǎn)場(chǎng)爆炸載荷壓力的峰值及正壓作用時(shí)間。

2 穿艙爆炸載荷作用下艦船結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)計(jì)算數(shù)值模擬方法

2.1 數(shù)值計(jì)算模型

以某型艦船遭受某型反艦導(dǎo)彈攻擊為例，主要采用大型非線性有限元軟件ANSYS／LS－DYNA，應(yīng)用顯式計(jì)算方法對(duì)該艦船在反艦導(dǎo)彈穿艙爆炸情況下的毀傷效果和結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬。

2.2 計(jì)算前處理

為保證數(shù)值計(jì)算載荷輸入的準(zhǔn)確性，本文采用在流場(chǎng)球型加載面施加爆炸壓力載荷的方法［7］；在加載面內(nèi)部施加內(nèi)部流場(chǎng)，以滿足對(duì)沖擊波艙室內(nèi)反射的要求；空氣流場(chǎng)劃分時(shí)，加載面與結(jié)構(gòu)之間劃分2～3層網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，以滿足沖擊波與結(jié)構(gòu)間的相互作用。內(nèi)部流場(chǎng)劃分足夠細(xì)致的網(wǎng)格，以保證計(jì)算的準(zhǔn)確性。

反艦導(dǎo)彈在穿艙過(guò)程中，將以穿甲形式侵入艙室內(nèi)部，對(duì)艙室結(jié)構(gòu)產(chǎn)生初始破壞。計(jì)算其穿艙能力時(shí)，應(yīng)用有限元計(jì)算軟件LS／DYNA分別對(duì)其外表面及著彈點(diǎn)附近結(jié)構(gòu)定義“set＿segment”；應(yīng)用此方法計(jì)算穿艙破壞時(shí)，應(yīng)注意彈體網(wǎng)格與結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的尺寸匹配問(wèn)題，若結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與彈體網(wǎng)格尺寸相差較大，會(huì)產(chǎn)生彈體自由穿過(guò)船體而不發(fā)生破壞這一現(xiàn)象。本文設(shè)定兩者網(wǎng)格的尺寸關(guān)系為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格尺寸不大于彈體網(wǎng)格尺寸的5倍。

2.3 材料模型及參數(shù)

艦船材料以及破壞準(zhǔn)則的選取直接影響到數(shù)值計(jì)算的精度，艦船材料采用PLASTIC－KINEMATIC模型，考慮材料應(yīng)變率影響，采用Cowper－Symonds模型［8］描述，具體參數(shù)參見(jiàn)LS－DYNA關(guān)鍵字用戶手冊(cè)和理論手冊(cè)。

2.4 材料失效準(zhǔn)則

結(jié)構(gòu)產(chǎn)生塑性區(qū)可采用屈服應(yīng)力判斷準(zhǔn)則，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破口與否與有效塑性應(yīng)變密切相關(guān)。不同材料的有效塑性應(yīng)變是不同的，當(dāng)材料產(chǎn)生的應(yīng)變大于材料的有效塑性應(yīng)變時(shí)，材料開(kāi)始產(chǎn)生斷裂，即結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破口。

3 數(shù)值計(jì)算方法有效性驗(yàn)證

應(yīng)用上述方法，計(jì)算某型艦船結(jié)構(gòu)在某型反艦導(dǎo)彈穿艙載荷作用下的損傷效果，其效果與實(shí)船試驗(yàn)效果對(duì)比如圖1、圖2所示。實(shí)船試驗(yàn)無(wú)量綱值與數(shù)值計(jì)算無(wú)量綱值對(duì)比如表1所示。

4 計(jì)算結(jié)果與討論

4.1 不同角度穿艙損傷分析

4.1.1 損傷模式及范圍

彈體穿艙角度設(shè)置示意圖如圖3所示。彈體以不同角度攻擊船體結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的破壞效果不同，計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)如表2所示。彈體穿艙過(guò)程中在幾個(gè)不同時(shí)刻船體結(jié)構(gòu)的變形及破壞情況如圖4所示。

圖1 迎穿艙面損傷效果對(duì)比示意圖

圖2 背穿艙面損傷效果對(duì)比示意圖

表1 某型反艦導(dǎo)彈攻擊下艦船損傷數(shù)據(jù)

圖3 彈體穿艙角度設(shè)置示意圖

表2 彈體以不同角度穿艙對(duì)船體結(jié)構(gòu)的損傷

4.1.2 彈體剩余速度及戰(zhàn)斗部起爆位置

彈體以不同角度穿艙其剩余速度隨時(shí)間的變化曲線如圖5所示，彈體以不同角度穿艙后，戰(zhàn)斗部起爆位置如表3所示。

圖4 彈體穿艙過(guò)程船體結(jié)構(gòu)的變形及破壞情況

4.2 爆炸損傷分析

4.2.1 損傷模式

侵爆過(guò)程不同時(shí)刻爆炸載荷對(duì)艦船結(jié)構(gòu)的損傷效果如圖6所示。

4.2.2 破壞范圍

彈體不同角度穿艙爆炸載荷對(duì)艦船結(jié)構(gòu)損傷及艦船結(jié)構(gòu)變形范圍如表4、表5所示。

圖5 彈體不同穿艙角度下其剩余速度隨時(shí)間變化曲線

表3 不同穿艙角度下戰(zhàn)斗部起爆位置

圖6 侵爆過(guò)程不同時(shí)刻損傷效果

表4 不同角度穿艙爆炸載荷對(duì)艦船結(jié)構(gòu)損傷范圍

表5 不同角度穿艙爆炸載荷下艦船結(jié)構(gòu)塑性變形范圍

5 結(jié)論

本文應(yīng)用理論方法和數(shù)值計(jì)算法相結(jié)合計(jì)算了穿艙及爆炸載荷作用下船體結(jié)構(gòu)損傷的破壞范圍及塑性變形范圍，通過(guò)數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)船試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，其吻合性良好，證明該方法有效。通過(guò)本文的計(jì)算得到以下結(jié)論：①應(yīng)用理論方法與數(shù)值計(jì)算方法相結(jié)合，可較為準(zhǔn)確地得到艙室內(nèi)爆炸載荷的壓力峰值及正壓作用時(shí)間，保證計(jì)算輸入的準(zhǔn)確性；②應(yīng)用修正球面加載法可以較為準(zhǔn)確地計(jì)算穿艙爆炸載荷作用下船體結(jié)構(gòu)的破壞及變形，計(jì)算過(guò)程中，應(yīng)選擇合適的加載面以保證入射壓力及壓力載荷與結(jié)構(gòu)相互作用的準(zhǔn)確性；③應(yīng)用LS／DYNA定義相互接觸的方法可以模擬反艦導(dǎo)彈彈體對(duì)艦船結(jié)構(gòu)的穿艙破壞作用，計(jì)算過(guò)程中，應(yīng)主要考慮艦船結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與彈體網(wǎng)格的匹配性，以得到準(zhǔn)確計(jì)算結(jié)果；④由數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以看出，穿艙爆炸載荷對(duì)于艦船結(jié)構(gòu)的破壞具有局部性；⑤反艦導(dǎo)彈彈體以不同角度穿艙對(duì)于艦船結(jié)構(gòu)的破壞范圍是不同的，隨著穿艙角度的減小，破壞范圍呈增大趨勢(shì)；⑥艦船結(jié)構(gòu)的損傷及變形范圍與反艦導(dǎo)彈彈體穿艙角度的增減并不呈簡(jiǎn)單的相同或相反趨勢(shì)，當(dāng)彈體以30°穿艙時(shí)，艦船結(jié)構(gòu)破壞及變形最大。

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