近場爆炸作用下水下目標(biāo)結(jié)構(gòu)毀傷特性

況 貺

(海軍駐上海滬東中華造船(集團(tuán))有限公司軍事代表室, 上海 200129)

0 引 言

目前，國內(nèi)學(xué)者通常根據(jù)所研究問題的特點，對水下爆炸載荷的2個階段即沖擊波和爆炸氣泡作用階段進(jìn)行了大量研究[1-4]，對相應(yīng)的毀傷情況也進(jìn)行了廣泛的研究[5-12]。根據(jù)這些研究成果，當(dāng)水下結(jié)構(gòu)距離爆源較近時，造成船體結(jié)構(gòu)局部破壞的主要載荷為沖擊波載荷。本文主要研究典型水下潛器艙段在魚雷近場爆炸下對它的局部毀傷效應(yīng)。仿真計算所使用的硬件平臺為高性能集群系統(tǒng)，最高可對1 000萬網(wǎng)格的水下爆炸仿真模型進(jìn)行仿真計算，其采用的平行計算技術(shù)和搭載的128核計算軟件能實現(xiàn)對水下爆炸作用機(jī)理的更精確模擬以及快速計算。仿真計算使用ABAQUS軟件，其采用的是聲固耦合法，此方法采用聲學(xué)單元模擬流場，載荷包含沖擊波和氣泡脈動的綜合作用，同時還考慮了空化壓力的影響。

1 仿真計算過程

以曙光5000集群系統(tǒng)為計算平臺，以128核并行版ABAQUS大型有限元計算軟件為仿真計算手段，以某水下潛器艙段為目標(biāo)，針對320 kg TNT當(dāng)量爆破型戰(zhàn)斗部的遠(yuǎn)場沖擊威力和近場毀傷能力進(jìn)行仿真計算。

1.1 仿真方法驗證

結(jié)合某實船爆炸數(shù)據(jù)， 對仿真方法進(jìn)行驗證。

計算工況為1 000 kg TNT，距左舷70 m、水深50 m沉底爆炸，龍骨沖擊因子為0.337。根據(jù)當(dāng)時爆炸時測點的實際情況選取進(jìn)行比對的測點位置，分別選擇3個應(yīng)變測點和3個加速度測點。測點具體位置分別為：01甲板55#肋位迎爆面中縱桁縱向應(yīng)變測點、主甲板25#肋位迎爆面縱桁縱向應(yīng)變測點、內(nèi)底45#肋位迎爆面第一扶強(qiáng)材邊中間根部板格應(yīng)變測點、01甲板27#肋位垂向加速度測點、主甲板76#肋位垂向加速度測點、內(nèi)底47#肋位垂向加速度測點。對比結(jié)果如表1和表2所示。

表1 3個應(yīng)變測點峰值對比

表2 3個加速度測點峰值對比

通過對峰值的相對誤差計算，得出應(yīng)變峰值平均精度為77.48%，加速度峰值平均精度為77.52%，平均相對誤差均在30%以內(nèi)，計算精度符合工程要求。

1.2 仿真計算對象

計算對象以某水下艦艇為原型，截取中部2個艙段為計算模型，長度約為7 m，型寬為7 m，型深為8 m，其有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元模型

1.3 仿真工況設(shè)計

仿真試驗共設(shè)置了7個工況，如表3所示。工況設(shè)計主要依據(jù)水中兵器的裝藥量及使用情況，其中第1個工況采用與驗證算法工況相同的沖擊因子。

表3 有限元模型計算工況設(shè)置

1.4 測點選取

模型共設(shè)置了11個測點，測點位置均位于模型中橫剖面位置，如表4和圖2所示。

表4 水面目標(biāo)靶模型測點位置

表4 水面目標(biāo)靶模型測點位置

圖2 水下目標(biāo)靶模型測點位置

1.5 仿真計算結(jié)果

gk-7爆源位于模型長度方向中部距左舷水平距離6 m水下爆炸，針對320 kg TNT當(dāng)量的戰(zhàn)斗部毀傷能力進(jìn)行仿真計算(沖擊因子為2.980)。仿真結(jié)果顯示：結(jié)構(gòu)外部非耐壓殼出現(xiàn)大面積塑性變形，外部結(jié)構(gòu)基本損毀，但沒有破口出現(xiàn)，非耐壓殼與耐壓殼之間頂部連接縱桁有部分塑性變形，耐壓殼有輕微塑性變形，其他結(jié)構(gòu)基本完好。應(yīng)力云圖、不同位置加速度變化及峰值變化曲線如圖3～圖8所示。

圖3 初始時刻應(yīng)力云圖

圖4 最終狀態(tài)應(yīng)力云圖

圖5 垂向加速度時程曲線

圖6 垂向加速度峰值變化曲線

圖7 橫向上垂向加速度時程曲線

圖8 橫向上垂向加速度峰值變化曲線

一系列水下毀傷目標(biāo)等效靶仿真試驗研究表明：典型水下潛器艙段結(jié)構(gòu)模型外部非耐壓殼和2層殼體之間的水體吸收了絕大部分爆炸沖擊能量，在爆源較近時也只造成了外部非耐壓殼的嚴(yán)重變形甚至結(jié)構(gòu)基本損毀，但均沒有出現(xiàn)破口，內(nèi)部耐壓殼只產(chǎn)生了輕微塑性變形，結(jié)構(gòu)基本完好。結(jié)構(gòu)沖擊加速度方面：在爆源距離較遠(yuǎn)時，內(nèi)部結(jié)構(gòu)垂向加速度峰值較大，而2層殼體加速度峰值相對較?。辉诮嚯x爆炸時，外部非耐壓殼與內(nèi)部結(jié)構(gòu)垂向加速度峰值基本相當(dāng)，而內(nèi)部耐壓殼垂向加速度峰值還是相對較小。

由于材料的屈服強(qiáng)度均比較大，且原始結(jié)構(gòu)模型局部加強(qiáng)設(shè)計均較完善，而外部非耐壓殼和2層殼體間的水體又吸收了大部分爆炸能量，因此結(jié)構(gòu)可不進(jìn)行加強(qiáng)改動。水下毀傷目標(biāo)等效靶結(jié)構(gòu)經(jīng)仿真試驗驗證設(shè)計合理，能夠達(dá)到設(shè)計要求。

2 毀傷理論方法及等級評定

艦船結(jié)構(gòu)在水中爆炸具有不同的毀傷形式，大致分為局部毀傷和總體毀傷，對于局部毀傷，采用引入抵抗因子和毀傷因子的毀傷評估模型。

2.1 局部毀傷形式

毀傷最簡單的形式就是塑性變形，塑性變形是永久的，通常輕微毀傷指的就是塑性變形。塑性變形是一個動態(tài)過程，當(dāng)塑性變形達(dá)到一定程度時，板的厚度會變得過薄，板被撕裂，形成破口。破口是一種比塑性毀傷嚴(yán)重許多的毀傷形式，通常定義為嚴(yán)重毀傷。一般的破口不會造成船體沉沒，但是當(dāng)破口的范圍很大時，船體迅速進(jìn)水，就有可能造成船體的沉沒。因此，船體沉沒是最嚴(yán)重的毀傷形式。水中爆炸造成的毀傷一般分為5個級別，如表5所示。

表5 船舶毀傷的5個級別

2.2 局部毀傷量化

局部結(jié)構(gòu)塑性毀傷為

(1)

式(1)表明結(jié)構(gòu)毀傷是在2個因素的聯(lián)合作用下產(chǎn)生的：第1個因子是能量密度W1/2/R，它表達(dá)了沖擊環(huán)境；第2個因子是(σsh)1/2，表達(dá)了結(jié)構(gòu)的抗損能力。式(1)可作為代替沖擊因子評估毀傷的一個公式?？紤]到無量綱化，可以將(1)變換為

(2)

定義

(3)

式中：FS為沖擊因子，代表能量密度。

定義

FR=(σsh)1/2

(4)

式中：FR為抵抗因子，代表結(jié)構(gòu)對沖擊的抵抗能力。該值越大，抗爆能力就越大；反之，抗爆能力就越小。

定義

(5)

式中：FD為毀傷因子，代表結(jié)構(gòu)的毀傷情況。

毀傷因子事實上是應(yīng)變的平方根(圓板應(yīng)變的平方根和毀傷因子相等)，亦即

(6)

式(6)說明了毀傷因子的物理意義。

將式(4)和式(5)代回式(2)，得到

(7)

式(7)具有非常明顯的直觀含義，毀傷因子與沖擊因子成正比，與抵抗因子成反比。

任意炸藥水下爆炸作用下的毀傷因子計算公式為

(8)

式中：FD為為毀傷因子；FS為沖擊因子；FR為抵抗因子。

(9)

式(1)～式(9)中：W為藥包的質(zhì)量，kg；R為藥包距目標(biāo)的距離，m；σs為材料的屈服極限，Pa；a為板格相當(dāng)長度，m；h為板的相當(dāng)厚度，m；ksh為常數(shù)，ksh≈300；Cm和Cr為與炸藥相關(guān)的常數(shù)，其數(shù)值可以通過試驗的方法確定。

2.3 水下目標(biāo)船舶的毀傷等級劃分

毀傷因子和毀傷等級的關(guān)系，如表6所示。表6中的毀傷等級與表5中毀傷等級相對應(yīng)，5級毀傷可當(dāng)作無毀傷或彈性變形狀態(tài)。

表6 水下目標(biāo)船舶的毀傷等級劃分

3 仿真方法與理論分析方法比對

根據(jù)選擇的戰(zhàn)斗部類型以及計算目標(biāo)，采用公式(6)計算毀傷因子，根據(jù)表6對照說明毀傷的情況。首先根據(jù)仿真工況計算出目標(biāo)的沖擊因子，其次根據(jù)目標(biāo)特征計算其抵抗因子，再次根據(jù)沖擊因子及抵抗因子計算出根據(jù)毀傷等級確定毀傷因子的值，結(jié)果如表7所示。

表7 水下目標(biāo)船舶的毀傷因子

參照表5(毀傷級別)及表6(水面船舶毀傷等級劃分)，由表7可知：工況1、2、3的毀傷因子對應(yīng)的等級為5級、4級(輕微毀傷，出現(xiàn)輕微塑性變形)、4級至3級(中等毀傷，出現(xiàn)嚴(yán)重塑性變形)，與仿真計算所描述的毀傷情形相比較，兩者比較吻合。工況4、5、6、7的毀傷因子對應(yīng)的毀傷等級為5級、4級、4級至3級、3級至2級(嚴(yán)重毀傷，出現(xiàn)破口)，與仿真計算結(jié)果基本一致。

4 結(jié) 論

(1)結(jié)合實船數(shù)據(jù)對仿真計算方法進(jìn)行驗證，證明了仿真計算方法的可靠性，為目標(biāo)毀傷仿真計算奠定基礎(chǔ)。

(2)采用仿真計算方法對水下爆炸作用下目標(biāo)的毀傷情況進(jìn)行計算，同時采用毀傷理論對其毀傷情況進(jìn)行分析。

(3)對仿真方法和理論分析方法所得計算結(jié)果進(jìn)行比對，2種方法的計算結(jié)果比較吻合。

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