典型戰(zhàn)斗部水下爆炸侵徹仿真

李惠明， 陳智剛， 趙東華， 楊 力， 李 超， 趙長(zhǎng)嘯

(1. 武漢軍械士官學(xué)校， 武漢 430075； 2. 中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 太原 030051)

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典型戰(zhàn)斗部水下爆炸侵徹仿真

李惠明1,2， 陳智剛2， 趙東華1， 楊 力2， 李 超1， 趙長(zhǎng)嘯1

(1. 武漢軍械士官學(xué)校， 武漢 430075； 2. 中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 太原 030051)

為了研究典型戰(zhàn)斗部水下侵徹情況，采用ANSYS-LS/DYNA3D有限元仿真軟件，對(duì)圓柱形裝藥和半球形空穴裝藥水中爆炸情況進(jìn)行數(shù)值模擬，并分析了兩者沖擊波壓力、氣泡直徑的變化。結(jié)果表明：25μs時(shí)，半球形空穴裝藥近距離產(chǎn)生的沖擊波壓力是圓柱形裝藥的3倍多，但隨著距離的增大，不同裝藥的影響逐漸減??；500μs時(shí)，半球形空穴裝藥水中爆炸形成的氣泡軸向直徑是圓柱形裝藥的1.5倍。采用ANSYS-LS/DYNA3D有限元仿真軟件，對(duì)圓錐形裝藥戰(zhàn)斗部和半球形裝藥戰(zhàn)斗部爆炸成型和水中侵徹情況進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明：半球形裝藥戰(zhàn)斗部形成的射流外形良好，侵徹水層的速度降較小，更適合水中侵徹破壞。

水下爆炸； 侵徹仿真； 數(shù)值模擬； 裝藥結(jié)構(gòu)； 沖擊波

1　引言

我國(guó)擁有長(zhǎng)達(dá)1.8萬多km的海岸線,海上軍事能力非常重要，其中魚雷是海軍作戰(zhàn)的主要作戰(zhàn)武器之一。目前國(guó)內(nèi)研發(fā)的魚雷在定向聚能爆破技術(shù)方面相對(duì)國(guó)外還有較大差距。本文主要從小型爆破戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)著手，根據(jù)炸藥在水介質(zhì)中的爆炸理論，結(jié)合聚能裝藥的研究成果〔1〕，對(duì)裝藥結(jié)構(gòu)在水中運(yùn)用進(jìn)行了理論研究、數(shù)值模擬驗(yàn)證。以期為水下戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)提供一定依據(jù)。

2　理論分析

根據(jù)水中爆轟原理〔2-3〕，炸藥在均勻、靜止的深水中爆炸時(shí)，高壓的爆炸產(chǎn)物急劇向外膨脹，便在水中形成初始沖擊波，水中初始沖擊波壓力比空氣中的大得多。由于水的不可壓縮性、密度大，其波陣面壓力和速度下降很快，且波形不斷拉寬。在形成初始沖擊波的同時(shí)，爆炸氣體的氣團(tuán)向外膨脹并做功。隨著氣泡的膨脹，氣泡的壓力隨著膨脹而不斷下降，當(dāng)氣泡膨脹到內(nèi)部的壓力等于外部流體壓力時(shí)，氣泡的內(nèi)外壓力差變?yōu)榱?，氣泡的膨脹速度達(dá)到最大，由于水向外擴(kuò)散的慣性作用，氣泡繼續(xù)膨脹，氣泡內(nèi)的壓力小于流體靜壓，壓力波出現(xiàn)負(fù)值。當(dāng)流體的擴(kuò)散動(dòng)能消耗完畢時(shí)，氣泡體積達(dá)到最大，壓力達(dá)到最低。在外部靜壓力的作用下，周圍的水開始反向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)壓縮氣泡，使氣泡不斷收縮，其壓力逐漸增加。同樣聚合水流慣性運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，氣泡被過度壓縮，其內(nèi)部壓力高于周圍的平衡壓力，直到氣體壓力能阻止氣泡的壓縮而達(dá)到新的平衡。這是氣泡脈動(dòng)的第一次循環(huán)結(jié)束。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示〔3〕，裝藥在水中爆炸能產(chǎn)生水中沖擊波、氣泡和壓力波。這三者對(duì)目標(biāo)都會(huì)造成一定程度的毀傷和破壞作用。

3　計(jì)算模型及材料模型

3.1計(jì)算模型

模型由炸藥、藥型罩、水介質(zhì)、空氣和殼體組成(圖1)，其中炸藥、水介質(zhì)和空氣三種材料采用歐拉網(wǎng)格建模，單元使用多物質(zhì)ALE算法〔4〕。殼體采用拉格朗日方法，兩者通過流固耦合算法作用。在無限水介質(zhì)中爆炸，爆炸作用系統(tǒng)關(guān)于中心軸對(duì)稱，在模型外表面采用壓力透射邊界，使沖擊波在模型外表面不產(chǎn)生反射。在對(duì)稱邊界上施加對(duì)稱約束，采用面起爆方式。單位制cm-g-μs。

1-水介質(zhì)Water medium；2-炸藥Explosive；3-殼體Shell；4-空氣Air圖1　裝藥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Scheme of charge structure

3.2材料模型

數(shù)值模擬中炸藥采用高能奧克托今炸藥，采用JWL狀態(tài)方程來描述爆轟產(chǎn)物的壓力、體積、能量特性。奧克托今爆轟性能參數(shù)如表1所示。

紫銅藥型罩在成型過程已變?yōu)榱黧w行為，采用Zerilli-Armstrong材料模型，如表2所示。

使用Gruneisen狀態(tài)方程描述液態(tài)水，其參數(shù)如表3所示。

表1　主裝藥的基本材料參數(shù)

表2　紫銅材料的基本材料參數(shù)

表3　水介質(zhì)性能參數(shù)和Gruneisen狀態(tài)方程參數(shù)

使用空白材料和EOS_LINEAR_POLYNOMIAL線性多項(xiàng)式狀態(tài)方程模擬空氣，線性多項(xiàng)式狀態(tài)方程的內(nèi)部能量呈線性分布。狀態(tài)方程中重要參數(shù)如表4所示。

表4　空氣基本材料參數(shù)

采用高強(qiáng)度鋁合金作為戰(zhàn)斗部殼體材料。由于殼體變形不是研究重點(diǎn)，所以僅采用塑性動(dòng)態(tài)硬化模型即可，該模型狀態(tài)方程中重要參數(shù)如表5所示。

表5　殼體基本材料參數(shù)

4　模擬結(jié)果及分析

4.1圓柱形裝藥、半球形空穴裝藥模擬分析

圓柱形裝藥〔5〕、半球形空穴兩種裝藥在25，45，65，105，165μs水域中的沖擊波傳播情況模擬結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2　圓柱形裝藥沖擊波傳播情況Fig.2　Shock wave propagation of cylindrical charge

圖3　半球形空穴裝藥沖擊波傳播情況Fig.3　Shock wave propagation of half spherical charge

通過后處理軟件分析：在25μs時(shí)，半球形裝藥產(chǎn)生的最高沖擊波壓力是圓柱形裝藥的3倍多，達(dá)到16GPa，從外形上看，半球形裝藥形成的沖擊水流頭部尖銳，能量集中，更有利于提高局部破壞能力。

在水介質(zhì)10cm處取質(zhì)點(diǎn)A(14539)，通過后處理軟件分析沖擊波在該質(zhì)點(diǎn)速度變化情況(圖4)，可以看出，50μs半球形裝藥的速度是圓柱形裝藥的4倍，但速度降較大，并在300μs后速度趨向一致。

圖4　質(zhì)點(diǎn)A處沖擊波速度曲線圖Fig.4　Curve graph of shock wave velocity in point A

在水介質(zhì)50cm處再取質(zhì)點(diǎn)B(16267)，通過后處理軟件分析該質(zhì)點(diǎn)沖擊波壓力變化情況(圖5)，壓力曲線有明顯振蕩性， 經(jīng)驗(yàn)證分析〔1，4〕，是爆炸后產(chǎn)生的殼體破片在水介質(zhì)中高速侵徹的結(jié)果，可增強(qiáng)毀傷作用，柱形裝藥略強(qiáng)于半球形裝藥。

圖5　質(zhì)點(diǎn)B處沖擊波壓強(qiáng)曲線Fig.5　Curve graph of shock wave pressure in point B

兩種裝藥在第一次氣泡脈動(dòng)內(nèi)腔變化情況如圖6所示。對(duì)比可以看出：半球形裝藥產(chǎn)生的氣泡空腔半徑大于圓柱形裝藥，近距離軸向處氣泡空腔半徑是圓柱形裝藥的1.5倍，根據(jù)氣泡脈動(dòng)研究〔6-8〕，水下爆炸除了沖擊波作用外，氣泡脈動(dòng)對(duì)附近物體也可造成不同程度的破壞。

圖6　不同時(shí)刻水域中氣泡分布Fig.6　Bubble distribution in water at different time

圖7　兩種戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)Fig.7　Structures of two kinds of warhead

4.2圓錐形裝藥、半球形裝藥戰(zhàn)斗部模擬分析

圖7為圓錐形裝藥、半球形裝藥戰(zhàn)斗部的結(jié)構(gòu)，其中藥型罩采用紫銅材料，并和水、空氣、炸藥采用歐拉網(wǎng)格建模，ALE算法處理。

圖8反映了圓錐形裝藥戰(zhàn)斗部在20，40，60μs爆炸的成型情況，在90，250，450μs侵徹水介質(zhì)的結(jié)果。

圖8　圓錐形裝藥戰(zhàn)斗部水下爆炸成型和侵徹情況Fig.8　The explosion forming and penetration in water by comicalness charge

圖9反映了半球形裝藥戰(zhàn)斗部爆炸成型和侵徹結(jié)果。

圖9　半球形裝藥戰(zhàn)斗部水下爆炸成型和侵徹情況Fig.9　The explosion forming and penetration in water by hemisphere charge

通過后處理軟件分析兩種戰(zhàn)斗部成型以后侵徹水介質(zhì)的情況，如表6所示。

表6　兩種戰(zhàn)斗部在水介質(zhì)中侵徹情況

根據(jù)表6得出，圓錐形空穴裝藥戰(zhàn)斗部射流初速高，但在水中衰減很快，杵體直徑大，不利于在水中侵徹破甲，半球形空穴裝藥戰(zhàn)斗部射流外形好，前后端速度差小，更適合水中侵徹破甲。

5　結(jié)論

(1)半球形空穴裝藥對(duì)爆炸點(diǎn)附近的水介質(zhì)沖擊波局部作用場(chǎng)明顯強(qiáng)于圓柱形裝藥。

(2)半球形空穴裝藥爆炸在水介質(zhì)中產(chǎn)生的氣泡脈動(dòng)軸向半徑大，有利于破壞防護(hù)裝甲。

(3)圓柱形裝藥爆炸在水介質(zhì)中產(chǎn)生的振蕩作用略強(qiáng)于半球形空穴裝藥，但這不是主要破壞作用。

(4)半球形空穴裝藥戰(zhàn)斗部射流外形好，速度差小，侵徹水層和破甲效果好。

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Penetrationunderwaterexplosionbytypicalwarheadsimulation

LIHui-ming1,2,CHENZhi-gang2,ZHAODong-hua1，YANGLi2，LIChao1,ZHAOChang-xiao1

(1．WuhanOrdnanceN.C.O.School,Wuhan430075,China;2．SchoolofMechanicalandEngineering,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China)

Toinvestigatethetypicalwarheadpenetrationunderwater，thenumericalsimulationofexplosionofcylindricalchargeandhalfsphericalcavitychargeinwaterbyfiniteelementsoftwareANSYS-LS/DYNA3Dwasstudied，andthechangesofshockwavepressureandbubblediameterwereanalyzed.Theresultindicatedthatshockwavepressureproducedbyhalfsphericalcavitychargewasmorethanthreetimesaslargeascylindricalchargeat25μs,buttheinfluenceofdifferentchargesdecreasedbydistanceincreasing.Bubblediameterproducedbyhalfsphericalcavitychargewas1.5timesofcylindricalchargeat500μs.WarheadexplosionformingandwaterpenetrationofhalfsphericalchargeandconicalchargewerealsosimulatedbyANSYS-LS/DYNA3D.Theresultindicatedthatjetshapeformedbyhalfsphericalchargewasbetter,velocitydropofpenetrationlayerwassmaller,whichwasmoresuitedinpenetrationunderwater.

Underwaterexplosion;Penetrationsimulation;Numericalsimulation;Chargestructure;Shockwave

1006-7051(2016)04-0039-04

2016-01-17

軍隊(duì)青年基金項(xiàng)目

李惠明(1985-),男, 碩士,主要研究彈箭遠(yuǎn)程與高效毀傷技術(shù)。E-mail:huimingl159@126.com

TD265.3+3

Adoi： 10.3969/j.issn.1006-7051.2016.04.008