船艙內(nèi)靜止裝藥和運(yùn)動(dòng)裝藥爆炸的毀傷效果仿真

吳世永，王偉力，李永勝

(海軍航空工程學(xué)院， 山東 煙臺(tái)　264001)

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船艙內(nèi)靜止裝藥和運(yùn)動(dòng)裝藥爆炸的毀傷效果仿真

吳世永，王偉力，李永勝

(海軍航空工程學(xué)院， 山東 煙臺(tái)264001)

摘要：采用數(shù)值仿真方法對(duì)不同質(zhì)量的靜止裝藥和運(yùn)動(dòng)裝藥在船艙內(nèi)爆炸的過程進(jìn)行了研究，分析了裝藥的運(yùn)動(dòng)速度對(duì)船艙的毀傷效果和船艙內(nèi)流場分布的影響。計(jì)算結(jié)果表明，運(yùn)動(dòng)裝藥在船艙內(nèi)爆炸對(duì)運(yùn)動(dòng)正方向艙壁的毀傷效果大于靜止裝藥，且隨著裝藥速度的增大而增加；而對(duì)運(yùn)動(dòng)反方向艙壁的毀傷效果小于靜止裝藥，且隨著裝藥速度的增加而減小。由于運(yùn)動(dòng)裝藥易使運(yùn)動(dòng)正方向艙壁出現(xiàn)破口，使得船艙泄壓，導(dǎo)致對(duì)運(yùn)動(dòng)反方向艙壁的毀傷效果比靜止裝藥爆炸時(shí)要小，不利于從整體上毀傷船艙。運(yùn)動(dòng)裝藥在船艙內(nèi)爆炸時(shí)在運(yùn)動(dòng)正方向艙壁上產(chǎn)生的超壓峰值明顯大于靜止裝藥，且隨著裝藥速度的增大而增大，而在運(yùn)動(dòng)反方向艙壁上產(chǎn)生的超壓峰值要低于靜止裝藥，且隨著裝藥速度的增大而降低。

關(guān)鍵詞：數(shù)值仿真；船艙；爆炸；毀傷效果

本文引用格式：吳世永，王偉力，李永勝.船艙內(nèi)靜止裝藥和運(yùn)動(dòng)裝藥爆炸的毀傷效果仿真分析[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(7):23-27.

Citation format:WU Shi-yong, WANG Wei-li, LI Yong-sheng.Simulation on Damage Effect of Ship Cabin Subjected to Blast Loading of Static and Moving Explosive[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(7):23-27.

目前，戰(zhàn)斗部對(duì)船艙的毀傷研究主要是分析靜止戰(zhàn)斗部在船艙內(nèi)爆炸時(shí)的毀傷效果[1-4]。但在實(shí)戰(zhàn)中，戰(zhàn)斗部穿過艙壁后，常常以很大的運(yùn)動(dòng)速度在船艙內(nèi)爆炸。裝藥在靜止和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)爆炸時(shí)，其沖擊波的毀傷效應(yīng)會(huì)有很大的不同[5-6]。隨著反艦導(dǎo)彈末端速度的增大，高速運(yùn)動(dòng)的戰(zhàn)斗部對(duì)艦船艙室的毀傷效果越來越受到人們的重視。杜紅棉等[8]利用火箭撬的動(dòng)爆試驗(yàn)，評(píng)估了高速導(dǎo)彈對(duì)模擬船艙的毀傷效果，認(rèn)為在導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)正方向的反射沖擊波比反方向的反射沖擊波大，兩者比達(dá)到3.5∶1。但由于船艙內(nèi)爆炸試驗(yàn)成本高，周期長，利用試驗(yàn)得到的船艙內(nèi)爆炸的規(guī)律性結(jié)果不多。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)值仿真方法來研究裝藥在船艙內(nèi)爆炸的規(guī)律越來越受到人們的重視。

本研究利用有限元商業(yè)軟件LS-DYNA對(duì)具有不同運(yùn)動(dòng)速度的裝藥在典型船艙內(nèi)爆炸的過程進(jìn)行了數(shù)值仿真，分析了裝藥量和裝藥速度對(duì)典型船艙的毀傷效果和壓力場分布的影響。研究結(jié)果可以為提高典型船艙的抗爆性能和反艦導(dǎo)彈對(duì)船艙的毀傷效果提供理論支持。

1理論分析

炸藥在空氣中爆炸時(shí)，會(huì)瞬間形成高溫高壓的爆轟產(chǎn)物，同時(shí)向周圍空氣中傳播爆炸沖擊波。爆炸沖擊波在空氣中傳過時(shí)，在沖擊波陣面上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很大的超壓，接著超壓按指數(shù)迅速衰減，在很短時(shí)間內(nèi)降至負(fù)壓。沖擊波超壓是衡量炸藥對(duì)結(jié)構(gòu)破壞的重要參數(shù)之一，超壓的大小與炸藥的能量和距離爆心的遠(yuǎn)近有關(guān)。文獻(xiàn)[6]作者認(rèn)為，當(dāng)具有較高速度的運(yùn)動(dòng)裝藥爆炸時(shí)，裝藥的動(dòng)能最終將轉(zhuǎn)化成其他形式的能量釋放出來，故其爆炸所產(chǎn)生的能量要比靜止裝藥爆炸大得多，有的可增加一倍以上。當(dāng)裝藥的運(yùn)動(dòng)方向與爆轟產(chǎn)物飛散的方向一致時(shí)，爆炸毀傷效果增加最明顯，并隨著兩者速度矢量夾角的增加而減小。在運(yùn)動(dòng)正方向上形成的沖擊波超壓峰值為[8]

(1)

其中:Ds為炸藥的爆速；k為未擾動(dòng)空氣的等熵指數(shù)；Δp為靜止裝藥爆炸空氣沖擊波初始超壓。而在反方向上形成的沖擊波超壓峰值為

(2)

當(dāng)運(yùn)動(dòng)裝藥在船艙室內(nèi)爆炸時(shí)，爆炸沖擊波對(duì)裝藥運(yùn)動(dòng)正方向艙壁的毀傷效果會(huì)隨著沖擊波超壓峰值和爆炸沖量的增加而增加，但是對(duì)運(yùn)動(dòng)反方向艙壁的毀傷效果卻會(huì)被削弱。因此，運(yùn)動(dòng)裝藥在船艙內(nèi)爆炸的綜合毀傷效果需要通過試驗(yàn)或者數(shù)值仿真進(jìn)一步研究。

2靜止裝藥和運(yùn)動(dòng)裝藥在船艙內(nèi)爆炸的毀傷效果仿真計(jì)算

2.1裝藥在船艙內(nèi)爆炸仿真計(jì)算模型

典型船艙如圖1所示，艙室的尺寸為9m×5.7m×2.5m，呈扁平長方體結(jié)構(gòu)。上下甲板和側(cè)舷較厚，與側(cè)舷相對(duì)的縱壁板和兩側(cè)的橫壁板較薄。各艙壁板均為帶筋板結(jié)構(gòu)，布置了扁鋼和T型鋼。裝藥為長徑比為1的圓柱形TNT炸藥，質(zhì)量分別為80kg、10kg和1.1kg，裝藥爆炸時(shí)的初始位置為船艙中心，起爆點(diǎn)位于裝藥中心。計(jì)算時(shí)，運(yùn)動(dòng)裝藥的速度大小分別為300m/s、500m/s、700m/s和900m/s，運(yùn)動(dòng)方向是從側(cè)舷指向縱壁板。計(jì)算采用二分之一模型。在各艙壁板的中心位置設(shè)置A、B、C、D和E監(jiān)測點(diǎn)，在炸藥的軸線上分別設(shè)置F和G兩個(gè)距離爆心均為1.4m的監(jiān)控點(diǎn)，分別用來監(jiān)測作用在艙壁和空氣自由場的流場壓力。計(jì)算中采用流固耦合算法，各艙壁采用Lagrange算法，而空氣和炸藥采用ALE算法。

圖1　炸藥在船艙內(nèi)爆炸仿真計(jì)算模型

2.2裝藥在船艙內(nèi)爆炸仿真計(jì)算的驗(yàn)證

在爆轟波到達(dá)艙壁之前，爆轟波的傳播可以看作是在空氣自由場中的傳播，可以用裝藥在無限空氣中爆炸的超壓峰值經(jīng)驗(yàn)公式驗(yàn)證仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性。當(dāng)裝藥量為80kg時(shí)，由Henrych[7]給出的經(jīng)驗(yàn)公式，可以得到靜止裝藥爆炸時(shí)，監(jiān)測點(diǎn)F和G的超壓峰值均為7.66MPa，由式(1)和式(2)可得，當(dāng)裝藥具有900m/s的運(yùn)動(dòng)速度時(shí)，監(jiān)測點(diǎn)F的超壓峰值為5.44MPa，監(jiān)測點(diǎn)G的超壓峰值為10.25MPa。圖2給出了通過數(shù)值仿真計(jì)算得到的靜止裝藥和運(yùn)動(dòng)裝藥爆炸時(shí)監(jiān)測點(diǎn)F和G的壓力時(shí)程曲線。從圖中可以看出，當(dāng)靜止裝藥爆炸時(shí)，由于監(jiān)測點(diǎn)F和G處于對(duì)稱位置，壓力時(shí)程曲線完全一樣，超壓峰值為7.68MPa，與經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)照誤差為0.26%。當(dāng)裝藥以900m/s運(yùn)動(dòng)時(shí)，爆炸沖擊波到達(dá)運(yùn)動(dòng)正方向監(jiān)測點(diǎn)G的時(shí)間要明顯早于運(yùn)動(dòng)反方向的監(jiān)測點(diǎn)F，監(jiān)測點(diǎn)F的超壓峰值為5.87MPa，與式(2)結(jié)果對(duì)照誤差為7.9%，監(jiān)測點(diǎn)G的超壓峰值為10.33MP，與式(1)結(jié)果對(duì)照誤差為0.78%?？梢姅?shù)值仿真得到的結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果相比較誤差很小，可以認(rèn)為數(shù)值仿真結(jié)果較為合理可靠。

圖2　靜止裝藥和運(yùn)動(dòng)裝藥爆炸時(shí)監(jiān)測點(diǎn)F和G的壓力時(shí)程曲線比較(80 kg，仿真計(jì)算結(jié)果)

2.3靜止裝藥和運(yùn)動(dòng)裝藥爆炸對(duì)船艙的毀傷效果比較

圖3給出了質(zhì)量為80kg、10kg和1.1kg的TNT裝藥以不同運(yùn)動(dòng)速度在船艙內(nèi)爆炸時(shí)的毀傷效果。不同速度的80kgTNT在船艙內(nèi)爆炸時(shí)，各艙壁均完全分解，向四周飛散。但是裝藥的運(yùn)動(dòng)速度不同時(shí)，各艙壁的分解時(shí)刻不同。從圖3(a)可以看出，在裝藥運(yùn)動(dòng)正方向的縱壁板的變形隨著裝藥速度的增大而增大，而反方向的側(cè)舷與上下甲板的分離時(shí)刻隨著裝藥速度的增大而延遲。當(dāng)靜止裝藥爆炸時(shí)，在橫壁板的中心出現(xiàn)了一個(gè)破洞。當(dāng)裝藥為10kgTNT時(shí)，橫壁板和縱壁板均與艙室分離，而側(cè)舷與上下甲板的連接處沒有出現(xiàn)破壞，如圖3(b)所示。當(dāng)裝藥為1.1kgTNT時(shí)，右側(cè)的縱壁板與上下甲板的連接處最先破壞，破壞程度隨著裝藥速度的增大而增大。靜止裝藥爆炸時(shí)，后側(cè)的橫壁板與艙室的連接處出現(xiàn)近似左右對(duì)稱的局部破壞，而當(dāng)運(yùn)動(dòng)裝藥爆炸時(shí)，橫壁板與艙室連接處右側(cè)的破壞程度明顯大于左側(cè)，如圖3(c)所示。所以運(yùn)動(dòng)裝藥在船艙內(nèi)爆炸時(shí)，對(duì)運(yùn)動(dòng)正方向艙壁的破壞大于靜止裝藥，而對(duì)運(yùn)動(dòng)反方向艙壁的破壞明顯小于靜止裝藥。運(yùn)動(dòng)裝藥在船艙內(nèi)爆炸時(shí)，會(huì)使得運(yùn)動(dòng)正方向艙壁出現(xiàn)破壞的時(shí)間明顯比靜止裝藥提前，造成船艙泄壓，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)裝藥對(duì)船艙的整體毀傷要小于靜止裝藥爆炸。

解體后飛散的艙壁會(huì)對(duì)相鄰船艙的人員和設(shè)備造成二次破壞，破壞程度隨著艙壁飛散速度的增大而增大，艙壁的飛散速度可以作為衡量毀傷效果的依據(jù)。圖4給出了運(yùn)動(dòng)速度不同的80kg裝藥在船艙內(nèi)爆炸時(shí)，縱壁板、側(cè)舷和橫壁板的飛散速度時(shí)程曲線。從圖4(a)可以看出，裝藥運(yùn)動(dòng)正方向的縱壁板的飛散速度隨著裝藥速度的增大而增大。裝藥靜止時(shí)，縱壁板的飛散速度為168m/s，裝藥速度為900m/s時(shí)，縱壁板的飛散速度達(dá)到222m/s，增加了32.1%。而裝藥運(yùn)動(dòng)反方向的側(cè)舷的飛散速度隨著裝藥速度的增大而降低，如圖4(b)所示。裝藥靜止時(shí)，側(cè)舷在10ms時(shí)的飛散速度為40m/s，而裝藥速度為900m/s時(shí)，側(cè)舷的飛散速度為23m/s，降低了42.5%。在裝藥運(yùn)動(dòng)垂直方向的橫壁板的飛散速度約為195m/s，受運(yùn)動(dòng)裝藥速度的影響不大。

圖3　靜止裝藥和運(yùn)動(dòng)裝藥爆炸對(duì)船艙的毀傷效果

圖4　縱壁板、側(cè)舷和橫壁板的飛散速度時(shí)程曲線

2.4靜止裝藥和運(yùn)動(dòng)裝藥船艙內(nèi)爆炸的流場分布

表1給出了質(zhì)量為80kg、10kg和1.1kg的TNT裝藥在船艙內(nèi)爆炸時(shí)，船艙內(nèi)各監(jiān)測點(diǎn)的超壓峰值。從表1中數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測點(diǎn)A、B和E的超壓峰值隨著裝藥速度變化的規(guī)律不明顯。這主要是由于裝藥速度不同時(shí)，爆炸沖擊波以不同的入射角傳播到監(jiān)測點(diǎn)A、B和E，同時(shí)上下甲板和橫壁板的加筋板結(jié)構(gòu)對(duì)爆炸沖擊波產(chǎn)生復(fù)雜反射，造成艙壁中心的監(jiān)測點(diǎn)A、B和E的沖擊波超壓峰值隨裝藥速度變化規(guī)律沒有一致性。但在裝藥運(yùn)動(dòng)反方向的監(jiān)測點(diǎn)C，超壓峰值隨著裝藥速度的增加而降低，而運(yùn)動(dòng)正方向的監(jiān)測點(diǎn)D的超壓峰值隨著裝藥速度的增加而增加。裝藥運(yùn)動(dòng)正方向上的監(jiān)測點(diǎn)D的壓力峰值明顯大于反方向的監(jiān)測點(diǎn)C，且兩者的比值隨著裝藥速度的增加而增大，80kg裝藥以900m/s運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩者的比值達(dá)到了4.30。

表1　裝藥在船艙內(nèi)爆炸時(shí)各監(jiān)測點(diǎn)的超壓峰值　MPa

以裝藥速度為橫坐標(biāo)，以各監(jiān)測點(diǎn)的超壓峰值Pmax與靜止裝藥爆炸時(shí)該位置的超壓峰值Pmax,v=0的比值為縱坐標(biāo)，得到不同裝藥量下監(jiān)測點(diǎn)C和D的超壓峰值隨裝藥速度的變化曲線，如圖5所示?？梢钥闯觯O(jiān)測點(diǎn)C的超壓峰值隨裝藥速度增大而減小的幅度在80kg、10kg和1.1kg3種裝藥量下基本保持一致，裝藥速度為900m/s時(shí)，超壓峰值降低了約40%。而監(jiān)測點(diǎn)D的超壓峰值隨裝藥速度增大而增加的幅度隨著裝藥量增加而增大。例如，運(yùn)動(dòng)速度為900m/s的1.1kg裝藥爆炸時(shí)在監(jiān)測點(diǎn)D產(chǎn)生的超壓峰值是靜止裝藥爆炸時(shí)的1.80倍，但裝藥量為10kg和80kg時(shí)，該數(shù)值分別為1.89和2.00。這說明運(yùn)動(dòng)裝藥爆炸對(duì)運(yùn)動(dòng)正方向艙壁的毀傷效果受裝藥量的影響比反方向大。

圖5　監(jiān)測點(diǎn)C和D的Pmax/Pmax,v=0隨裝藥速度的變化曲線

3結(jié)論

通過本項(xiàng)研究，可得到以下結(jié)論：

1) 運(yùn)動(dòng)裝藥在船艙內(nèi)爆炸時(shí)，對(duì)運(yùn)動(dòng)正方向艙壁的毀傷效果大于靜止裝藥，且隨著裝藥速度的增大而增加，而對(duì)運(yùn)動(dòng)反方向艙壁的毀傷效果小于靜止裝藥，且隨著裝藥速度的增大而減小。

2) 由于運(yùn)動(dòng)裝藥對(duì)運(yùn)動(dòng)正方向艙壁的毀傷效果增加，相對(duì)靜止裝藥爆炸，易使運(yùn)動(dòng)正方向艙壁出現(xiàn)破口，從而使得船艙泄壓，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)裝藥爆炸對(duì)運(yùn)動(dòng)反方向艙壁的毀傷效果比靜止裝藥要低，不利于從整體上毀傷船艙。

3) 運(yùn)動(dòng)裝藥在船艙內(nèi)爆炸時(shí)，在運(yùn)動(dòng)正方向艙壁上產(chǎn)生的超壓峰值明顯大于靜止裝藥，而且隨著裝藥速度的增大而增大，而運(yùn)動(dòng)反方向艙壁的超壓峰值要低于靜止裝藥，且隨著運(yùn)動(dòng)裝藥速度增大而降低。

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(責(zé)任編輯周江川)

收稿日期：2016-01-10；修回日期：2016-02-15

作者簡介：吳世永(1981—)，男，博士研究生，講師，主要從事沖擊動(dòng)力學(xué)研究。

doi:10.11809/scbgxb2016.07.006

中圖分類號(hào)：O383

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2096-2304(2016)07-0023-05

Simulation on Damage Effect of Ship Cabin Subjected to Blast Loading of Static and Moving Explosive

WU Shi-yong, WANG Wei-li, LI Yong-sheng

(Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001, China)

Abstract:The processes of the explosion of static and moving explosive with different mass inside ship cabin were studied using numerical simulation. The influence of explosive velocity on the cabin damage effect and the flow field distribution was analyzed. The calculation results show that the blasting of moving explosive induces more damage on the bulkhead in the moving direction than that of the static explosive, and the damage increases with the velocity of the explosive. It is opposite for the bulkhead in the opposite moving direction. The damage of the bulkhead in the opposite moving direction is reduced for the moving explosive, as the pressure relieves easily. The peak overpressure acting on bulkhead in the moving direction is greater for the moving explosive, comparing with the static explosive. In the opposite direction, the peak overpressure is lower for the moving explosive than that for the static explosive, and the peak overpressure decreases with the velocity of the explosive.

Key words:numerical simulation; ship cabin; blast; damage effect

【裝備理論與裝備技術(shù)】