牽引速度對裝藥水中爆炸沖擊波的影響

郭克強(qiáng)， 惲炅明

(安徽神劍科技股份有限公司， 安徽 合肥 230022)

沖擊波超壓是衡量戰(zhàn)斗部毀傷威力的重要指標(biāo)之一， 能夠在一定距離上對目標(biāo)產(chǎn)生殺傷破壞作用[1].

隨著現(xiàn)代海軍防御能力的不斷提高， 各國也相應(yīng)開展了關(guān)于高效毀傷水中、 水面目標(biāo)的研究， 其中對近場沖擊波超壓特性的研究顯得尤為重要[2]. 張社榮等[3]以數(shù)值模擬的方法對比分析了介質(zhì)物理屬性差異及爆轟產(chǎn)物界面對水下及空中爆炸沖擊波傳播特性的影響. 李建等[4]以試驗(yàn)方法研究了球形TNT及柱形含鋁炸藥的水中爆炸沖擊波傳播及氣泡脈動規(guī)律. 伍俊等[5]從不同炸藥水中爆炸機(jī)理、 水中爆炸沖擊波傳播、 水中爆炸氣泡脈動等6個方面綜述了水中爆炸作用機(jī)理及毀傷效應(yīng)研究. 王振雄等[6]以試驗(yàn)方法測試分析了淺水中爆炸時不同水底介質(zhì)對水中沖擊波壓力峰值的影響， 指出在水泥夾石水底測得的沖擊波壓力峰值約為軟泥水底所測壓力峰值的4/3.

由于柱形裝藥水中爆炸沖擊波場較為復(fù)雜， 無法用現(xiàn)有數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述， 目前的研究手段仍以試驗(yàn)和數(shù)值模擬為主. 以往研究大多關(guān)注的是裝藥水中靜態(tài)條件下的爆炸沖擊波場， 比如趙繼波等[7]利用試驗(yàn)方法研究了TNT藥柱水中爆炸近場壓力軸向衰減規(guī)律， 并指出近場軸向壓力遵循指數(shù)衰減規(guī)律. 但實(shí)際中， 戰(zhàn)斗部往往是在高速運(yùn)動中爆炸產(chǎn)生沖擊波對目標(biāo)進(jìn)行毀傷， 與靜態(tài)爆炸毀傷區(qū)別較大. 且隨著超空泡等技術(shù)的應(yīng)用， 裝藥受水下運(yùn)載體牽引作用而產(chǎn)生的運(yùn)動速度得到很大提高. 限于試驗(yàn)條件及炸藥作用環(huán)境的特殊性， 關(guān)于水中運(yùn)動裝藥爆炸沖擊波超壓場的研究較少. 聶源等[8]雖以數(shù)值模擬的方法進(jìn)行了球形裝藥空中動態(tài)爆炸沖擊波超壓研究， 并得出了裝藥牽引速度及方位角對沖擊波超壓值的影響規(guī)律， 但因水與空氣兩種介質(zhì)物理屬性的不同， 使爆炸沖擊波傳播特性存在一定差異. 因此， 對柱形裝藥水中動態(tài)爆炸沖擊波場的研究有著重要意義. 本文主要以數(shù)值模擬的方法研究水中柱形裝藥牽引速度和長徑比對爆炸近場沖擊波超壓的影響規(guī)律， 為水中戰(zhàn)斗部的設(shè)計(jì)、 威力評估和艦艇的抗爆防護(hù)設(shè)計(jì)提供參考.

1 數(shù)值模擬方法有效性驗(yàn)證

在數(shù)值模擬過程中， 模型的網(wǎng)格單元尺寸、 材料參數(shù)等因素對結(jié)果分析的準(zhǔn)確性有很大影響， 且單元尺寸與當(dāng)量存在一定匹配關(guān)系[9]. 為驗(yàn)證計(jì)算模型網(wǎng)格單元尺寸、 材料參數(shù)的合理性， 參考文獻(xiàn)[7]中試驗(yàn)構(gòu)型建立仿真模型并計(jì)算， 對比兩種分析方法結(jié)果的一致性.

文獻(xiàn)[7]中試驗(yàn)主裝藥為TNT， 在藥柱一端面采用季戊四醇四硝酸酯(PETN)傳爆藥起爆， 主裝藥的物理參數(shù)見表 1， 表中D為直徑，L為長度，ρ為密度.

表 1 文獻(xiàn)[7]試驗(yàn)主裝藥物理參數(shù)

圖 1 文獻(xiàn)[7]試驗(yàn)構(gòu)型對應(yīng)模型Fig.1 Model corresponding to the experimental configuration of Ref.[7]

圖 1 是以文獻(xiàn)[7]中試驗(yàn)構(gòu)型建立的物理模型及對應(yīng)的1/2軸對稱平面有限元模型， 網(wǎng)格大小為0.5 mm×0.5 mm. 為排除沖擊波邊界反射對計(jì)算結(jié)果的影響， 除對稱軸外， 各水域邊界設(shè)為非反射邊界條件(Flow_out邊界條件). TNT炸藥采用標(biāo)準(zhǔn)JWL狀態(tài)方程[10]描述， 為

(1)

式中：e為單位質(zhì)量內(nèi)能；v為爆轟產(chǎn)物相對比容；A，B，R1，R2和ω為常數(shù).

水的狀態(tài)方程采用多項(xiàng)式狀態(tài)方程[10]描述， 為

p=A1μ+A2μ2+A3μ3+(B0+B1μ)ρ0ew.(2)

當(dāng)水受拉或空化時(μ<0)， 其狀態(tài)方程為

p=T1μ+T2μ2+B0ρ0ew,(3)

式中：A1，A2，A3，B0，B1，T1和T2為常數(shù)；μ=ρ/ρ0-1，ρ為水的密度，ρ0為水的初始密度；ew為水的比內(nèi)能；ew=(ρgh+P0)/ρB0，h為水深，P0為大氣壓力.

TNT炸藥與水的狀態(tài)方程參數(shù)分別見表 2， 表 3.

表 2 TNT炸藥狀態(tài)方程參數(shù)[10-11]

表 3 水狀態(tài)方程參數(shù)[10-11]

試驗(yàn)數(shù)據(jù)[7]與模擬結(jié)果對比見表 4.

表 4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)[7]與模擬結(jié)果對比

由表 4 可知， 數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)值吻合較好， 誤差不超過5%， 驗(yàn)證了網(wǎng)格單元尺寸、 材料參數(shù)的合理性.

采用與驗(yàn)證模型相同的網(wǎng)格單元尺寸、 材料參數(shù)建立新模型， 對柱形裝藥水中動態(tài)爆炸沖擊波超壓場作進(jìn)一步分析.

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 牽引速度對裝藥爆炸沖擊波超壓場影響分析

為研究水中裝藥牽引速度V對爆炸沖擊波超壓場的影響， 建立了長徑比(L/d)為1， 質(zhì)量為200 g的TNT裝藥水中爆炸模型. 計(jì)算分析了裝藥在牽引速度分別為0, 50, 100, 150, 200 m/s時的沖擊波超壓場， 并在距裝藥幾何中心180 mm、 不同方位角θ(0°, 45°, 90°, 135°和180°)上設(shè)置多個觀測點(diǎn)， 見圖 2.

提取各觀測點(diǎn)在不同牽引速度下對應(yīng)的沖擊波超壓峰值ΔP， 并繪制曲線圖(見圖 3).

分析圖 3 可知， 當(dāng)柱形裝藥水中靜態(tài)爆炸(即V=0 m/s)時， 由于結(jié)構(gòu)及起爆方式的特殊性， 沖擊波超壓峰值ΔP在不同方位角θ上表現(xiàn)出一定差異， 其中θ=0°方向上超壓峰值最大，θ=135°方向上超壓峰值最小， 兩者相差25.3%.

圖 2 柱形裝藥水中爆炸模型Fig.2 Explosion model of cylindrical charge in water

圖 3 各觀測點(diǎn)在不同工況下的沖擊波超壓峰值曲線Fig.3 Overpressure peak curve of each observation point under different working conditions

隨著裝藥牽引速度的增大， 超壓峰值ΔP在各方位角所表現(xiàn)的差值更為明顯. 當(dāng)方位角θ≤90° 時， 沖擊波超壓峰值隨著裝藥牽引速度的增大而增大， 當(dāng)方位角θ>90° 時， 沖擊波超壓峰值隨著裝藥牽引速度的增大而減小.

當(dāng)裝藥牽引速度一定時， 沖擊波超壓隨著方位角的增加先減小后增大， 其中最大超壓峰值出現(xiàn)在沿裝藥牽引速度方向(即θ=0°)上， 最小超壓峰值出現(xiàn)在方位角θ=135°方向上. 當(dāng)牽引速度V=200 m/s時， 沿裝藥牽引速度方向超壓峰值相比靜態(tài)提高了6%， 而沿方位角θ=135°方向上超壓峰值減小了8.9%， 兩者差值也由靜態(tài)工況下的 25.3% 提高到35.9%.

2.2 藥柱長徑比對爆炸沖擊波超壓場影響分析

對長徑比(L/d)為1∶1, 1.5∶1和2∶1， 質(zhì)量為200 g的TNT藥柱在牽引速度分別為 0 m/s和200 m/s進(jìn)行了水中爆炸數(shù)值模擬， 得到了典型時刻沖擊波近場壓力云圖， 如圖 4 所示.

圖 4 不同工況下TNT藥柱水中爆炸典型時刻沖擊波壓力云圖Fig.4 Pressure nephogram of blast wave of TNT cylindrical charge in water under different working conditions

由圖 4 可知， 由于柱形裝藥結(jié)構(gòu)及起爆方式的特殊性， 其爆炸產(chǎn)生的沖擊波場在不同工況下均出現(xiàn)局部高超壓區(qū). 當(dāng)藥柱長徑比(L/d)較小時， 高超壓區(qū)主要集中在藥柱軸線正方向上， 隨著藥柱長徑比的增大， 高超壓區(qū)逐漸由軸線正向向藥柱徑向位置轉(zhuǎn)移.

對比不同工況藥柱爆炸沖擊波壓力云圖發(fā)現(xiàn)， 在同一時刻長徑比相同的藥柱， 牽引速度為200 m/s 條件下所產(chǎn)生的局部超壓峰值總是大于靜態(tài)爆炸(V=0 m/s)時的超壓峰值.

為深入了解不同長徑比藥柱在牽引速度影響下爆炸沖擊波超壓場特性， 在離裝藥中心距離r(100 mm≤r≤220 mm)范圍內(nèi)沿不同方位角每隔40 mm設(shè)定一個觀測點(diǎn)， 提取并繪制了不同工況下近場沖擊波超壓峰值曲線， 如圖 5 所示.

分析圖 5(a), (c), (e)發(fā)現(xiàn)， 在距離裝藥中心100～140 mm范圍內(nèi)均存在峰值曲線交叉的現(xiàn)象， 原因是藥柱長徑比的變化使設(shè)置的觀測點(diǎn)與TNT藥柱幾何模型距離不一致， 導(dǎo)致部分峰值偏高， 但隨著觀測點(diǎn)與TNT藥柱距離的增大， 峰值曲線呈現(xiàn)規(guī)律性變化. 為提高分析的準(zhǔn)確性， 在對數(shù)據(jù)量化時應(yīng)去除距離裝藥中心100～140 mm范圍內(nèi)觀測點(diǎn)相關(guān)數(shù)據(jù).

受裝藥牽引速度的影響， 不同長徑比藥柱在方位角θ=0°, 45°, 90°三個方向上所產(chǎn)生的超壓峰值均大于靜態(tài)爆炸超壓峰值， 見圖 5(a)～(c)； 在方位角θ=135°, 180°兩個方向上的超壓峰值均小于靜態(tài)爆炸超壓峰值， 見圖 5(d), (e). 該結(jié)論與上文分析結(jié)果相一致.

通過分析圖 5(a), (c)可知， 在藥柱牽引速度V=0 m/s的工況下， 由于藥柱長徑比的不同， 爆炸沖擊波超壓峰值在不同方位角上表現(xiàn)出一定差異： 長徑比較小的藥柱軸向(方位角θ=0°)超壓峰值高， 徑向超壓峰值低， 而長徑比大的藥柱軸向(方位角θ=0°)超壓峰值低， 徑向超壓峰值高. 受藥柱牽引速度的影響， 不同長徑比藥柱沖擊波超壓峰值在各方位角上差異更為明顯： 當(dāng)藥柱牽引速度V=200 m/s時， 長徑比(L/d)為1的藥柱軸向超壓峰值相比靜態(tài)提高了7.8%， 長徑比(L/d)為2的藥柱徑向超壓峰值相比靜態(tài)提高了7%.

圖 5 不同工況下TNT藥柱水中爆炸沖擊波超壓峰值曲線Fig.5 Overpressure peak curve of explosion shock wave of TNT cylindrical charge in waterunder different working conditions

3 結(jié) 論

1) 數(shù)值模擬了TNT藥柱水中爆炸近場壓力軸向衰減規(guī)律， 模擬結(jié)果與文獻(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果較為一致， 驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的有效性.

2) 牽引速度在0～200 m/s范圍內(nèi)， 長徑比(L/d)相同的藥柱隨著牽引速度的增大， 超壓峰值在不同方位角θ上的表現(xiàn)不同：θ≤90°時， 沖擊波超壓峰值隨著裝藥牽引速度的增大而增大， 當(dāng)方位角θ>90°時， 沖擊波超壓峰值隨著裝藥牽引速度的增大而減?。?當(dāng)牽引速度一定時， 沖擊波超壓隨著方位角的增加先減小后增大， 其中最大超壓峰值出現(xiàn)在沿裝藥牽引速度方向(即θ=0°)， 最小超壓峰值出現(xiàn)在方位角θ=135°方向上. 當(dāng)牽引速度V=200 m/s時， 兩超壓峰值相差達(dá)35.9%.

3) 靜爆工況下， 長徑比較小的藥柱軸向(方位角θ=0°)超壓峰值高， 徑向超壓峰值低， 而長徑比大的藥柱軸向(方位角θ=0°)超壓峰值低， 徑向超壓峰值高； 在藥柱牽引速度的影響下， 不同長徑比藥柱沖擊波超壓峰值在各方位角上的差異更明顯.

參考文獻(xiàn)：

[1] 師華強(qiáng)， 宗智， 賈敬蓓. 水下爆炸沖擊波的近場特性[J]. 爆炸與沖擊， 2009， 29(2)： 125-130.

Shi Huaqiang， Zong Zhi， Jia Jingbei. Short-rang character of underwater blast waves[J]. Explosion and Shock Waves， 2009， 29(2)： 125-130. (in Chinese)

[2] 陳霞. 新型水下高效毀傷戰(zhàn)斗部技術(shù)發(fā)展趨勢[J]. 水雷戰(zhàn)與艦船防護(hù)， 2013， 21(1)： 97-99.

Chen Xia. New development of high damage efficiency underwater warhead[J]. Mine Warfare & Ship Self-defence， 2013， 21(1)： 97-99. (in Chinese)

[3] 張社榮， 孔源， 王高輝. 水下和空中爆炸沖擊波傳播特性對比分析[J]. 振動與沖擊， 2014， 33(13)： 148-153.

Zhang Rongshe， Kong Yuan， Wang Gaohui. Comparative analysis on propagation characteristics of shock wave induced by underwater and air explosions[J]. Journal of Vibration and Shock， 2014， 33(13)： 148-153. (in Chinese)

[4] 李建， 榮吉利， 楊榮杰， 等. 水中爆炸沖擊波傳播與氣泡脈動的實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬[J]. 兵工學(xué)報(bào)， 2008， 29(12)： 1438-1443.

Li Jian， Rong Jili， Yang Rongjie， et al. Experiment and numerical simulation of shock wave propagation and bubble impulse of underwater explosion[J]. Acta Armamentarii， 2008， 29(12)： 1438-1443. (in Chinese)

[5] 伍俊， 楊益， 莊鐵栓. 水中爆炸作用機(jī)理及毀傷效應(yīng)研究綜述[J]. 火炸藥學(xué)報(bào)， 2016， 39(1)： 1-13.

Wu Jun， Yang Yi， Zhang Tieshuan. A review of research on action mechanism and damage effect of underwater explosion[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants， 2016， 39(1)： 1-13. (in Chinese)

[6] 王振雄， 顧文彬， 陳江海， 等. 淺水中爆炸水底介質(zhì)對水中沖擊波峰值壓力影響的試驗(yàn)研究[J]. 振動與沖擊， 2017， 36(4)： 243-248.

Wang Zhenxiong， Gu Wenbin， Chen Jianghai， et al. Expeimental study on the influence of the bottom medium on the peak pressure of explosion shock waves in shallow water[J]. Journal of Vibration and Shock， 2017， 36(4)： 243-248. (in Chinese)

[7] 趙繼波， 譚多望， 李金河， 等. TNT藥柱水中爆炸近場壓力軸向衰減規(guī)律[J]. 爆炸與沖擊， 2008， 28(6)： 539-543.

Zhao Jibo， Tan Duowang， Li Jinhe， et al. Axial pressure damping of cylindrical TNT charges in the near underwater-explosion field[J]. Explosion and Shock Waves， 2008， 28(6)： 539-543. (in Chinese)

[8] 聶源， 蔣建偉， 李梅. 球形裝藥空中動態(tài)爆炸沖擊波超壓場數(shù)值分析[C]. 第十四屆戰(zhàn)斗部與毀傷技術(shù)學(xué)術(shù)交流會論文集， 重慶， 2015： 625-630.

[9] 劉文祥， 張德志， 鐘方平， 等. 球形和等長徑圓柱裝藥在爆炸近區(qū)內(nèi)載荷差異的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 爆炸與沖擊， 2013， 33(3)： 330-336.

Liu Wenxiang， Zhang Dezhi， Zhong Fangping， et al. Blast loading difference betwent spherical charge and cylindrical charges with length equal to diameter at small scaled distance[J]. Explosion and Shock Waves， 2013， 33(3)： 330-336. (in Chinese)

[10] 盧熹， 王樹山， 馬峰， 等. 水下爆炸環(huán)肋圓筒損傷特性實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2015， 27(1)： 70-75.

Lu Xi， Wang Shushan， Ma Feng， et al. Experimental and numerical study of damage characteristics for ring-stiffened cylinder subjected to underwater explosion[J]. Transaction of Beijing Institute of Technology， 2015， 27(1)： 70-75. (in Chinese)

[11] 姜濤， 王貴芹， 斬發(fā)民， 等. 基于AUTODYN的潛艇典型艙段水中爆炸沖擊損傷研究[J]. 爆破器材， 2015， 44(6)： 61-64.

Jiang Tao， Wang Guiqin， Zhan Faming， et al. Impact damage analysis of typical submarine compartment subjected to underwater blastingbased on AUTODYN[J]. Explosive Materials， 2015， 44(6)： 61-64. (in Chinese)