超空泡射彈侵徹間隔薄靶的數(shù)值模擬研究

李 恒，唐 奎，段 慧，馮 煒

(1.海軍研究院， 北京 100161； 2.南京理工大學(xué) 瞬態(tài)物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210094)

利用超空泡減阻技術(shù)可以有效減小水下射彈的阻力，從而提高射彈的存速能力和航行距離[1]。美國、俄羅斯等國家基于這一原理已研制水下超空泡射彈，國內(nèi)近年也開展了大量的試驗(yàn)和仿真工作[2-7]。曹偉等[2]利用高速射彈試驗(yàn)對自然超空泡的形態(tài)特性和發(fā)展規(guī)律進(jìn)行了深入研究。熊天紅等[3]結(jié)合數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究了超空泡形態(tài)下高速射彈的阻力特性。嚴(yán)平等[4]結(jié)合仿真開展了超空泡射彈對典型水雷目標(biāo)毀傷特性的研究。陳偉善等[5]通過數(shù)值模擬研究了空化器形狀對超空泡射彈尾拍航行時(shí)運(yùn)動特性的影響。侯宇等[6]結(jié)合高速攝像技術(shù)開展了超空泡射彈小水角高速斜入水性能的實(shí)驗(yàn)研究。然而，當(dāng)前針對超空泡射彈水下侵徹典型目標(biāo)及其毀傷特性的研究相對較少。

隨著魚/水雷技術(shù)的不斷發(fā)展，其對水面艦艇的威脅日趨嚴(yán)重，用超空泡射彈對抗魚/水雷攻擊是艦艇水下末端防御武器系統(tǒng)中一個(gè)不可忽視的重要發(fā)展方向[8,9]。本文在分析魚雷、水雷結(jié)構(gòu)易損性基礎(chǔ)上，對超空泡射彈水下侵徹魚/水雷的毀傷特性問題開展了數(shù)值模擬研究，給出侵徹過程的空泡演化規(guī)律和魚/水雷毀傷失效的初步判據(jù)。

1 典型目標(biāo)結(jié)構(gòu)等效分析

魚雷是近代各次海戰(zhàn)中使用最多和殺傷力最大的水中兵器，由于其具有自動跟蹤與攻擊目標(biāo)、隱蔽性強(qiáng)、爆炸威力大和使用范圍廣等特點(diǎn)，它始終是各國海軍的主戰(zhàn)武器[10]。在反魚雷技術(shù)中，硬毀傷技術(shù)(即直接摧毀來襲魚雷)是當(dāng)前水面艦艇魚雷防御系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢。

魚雷主要由4個(gè)系統(tǒng)組成，包括自導(dǎo)系統(tǒng)(雷頂段)、引信戰(zhàn)斗部(戰(zhàn)雷頭)、推進(jìn)系統(tǒng)(電池艙和后艙)、線導(dǎo)與控制系統(tǒng)(線導(dǎo)艙)，如圖1所示。其中，魚雷自導(dǎo)頭殼體位于魚雷的前端，外形呈流線型椎體形狀。頭部殼體壁厚均勻，以A184魚雷為例，其頭部壁厚為5.5±0.5 mm，內(nèi)腔均布四道環(huán)形加強(qiáng)筋，筋寬12 mm，筋高24 mm。其余各部分外殼厚度相對頭部更薄，約為3 mm。采用超空泡射彈對魚雷目標(biāo)進(jìn)行攔截時(shí)，如果射彈能夠有效擊穿防護(hù)力最大的頭部殼體，并持續(xù)深入破壞內(nèi)部部件，則射彈打擊魚雷其他部位時(shí)也能順利完成攔截任務(wù)。另外，由于魚雷頭部呈流線型椎體形狀，射彈在打擊魚雷頭部時(shí)會存在多種著靶角度。因此，本文擬將魚雷頭部等效為雙層間隔靶，前靶板用于模擬魚雷頭部外殼，選用8 mm厚度的高強(qiáng)度鋁合金(由于魚雷頭部殼體厚度本身為5～6 mm，另外還有內(nèi)置加強(qiáng)筋，進(jìn)行等效處理后確定殼體厚度為8 mm)；后靶板用于模擬內(nèi)部部件，保險(xiǎn)起見，將其等效為5 mm厚的高強(qiáng)度鋁合金板。

水雷沉于水底，主要由裝藥雷體和引信艙組成。由于水雷一般由低碳鋼沖壓而成，厚度約為4 mm，且其外形為弧形，因此進(jìn)行等效處理可以等效為8 mm的高強(qiáng)度鋁合金板；而內(nèi)部部件等效為5 mm厚的高強(qiáng)度鋁合金板。

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型及材料參數(shù)

本文采用有限元程序AUTODYN對超空泡射彈斜侵徹等效間隔靶的毀傷特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。由于模型具有對稱性，因此建立1/2有限元模型以減少計(jì)算量，計(jì)算模型如圖2所示。超空泡射彈結(jié)構(gòu)如圖3所示，其頭部為空化器為平頭形，直徑為5 mm彈體最大橫截面積為12.6 mm，彈體總長度為156 mm，設(shè)置彈體初速為400 m/s。為了簡化模型，有限元計(jì)算中忽略了彈體尾翼的影響。靶板為平板，前面板厚度為8 mm，后靶板厚度為5 mm，兩者之間的垂直間距為8 cm。最大水域尺寸為5 cm×10 cm×92 cm。初始時(shí)刻，沿彈體軸向方向，射彈頭部到靶板的距離均為40 cm。水介質(zhì)和空氣介質(zhì)采用歐拉網(wǎng)格建模，超空泡射彈和靶板采用拉格朗日網(wǎng)格建模，射彈、靶板與水、空氣之間采用多物質(zhì)流固耦合(ALE，Arbitrary Lagrange Euler)算法。通過施加流出和透射邊界條件將歐拉域和靶板等效為半無限體。超空泡射彈材料為鎢合金，選用Shock狀態(tài)方程和Johnson-Cook材料模型；靶板材料為6061-T6鋁合金，選用Shock狀態(tài)方程和Steinberg材料模型，設(shè)置最大失效應(yīng)變?yōu)?.0；空氣選用理想氣體狀態(tài)方程，水選用多項(xiàng)式狀態(tài)方程。相關(guān)材料參數(shù)直接取自AUTODYN材料庫，這里不一一列舉。

圖2 有限元計(jì)算模型

圖3 超空泡射彈結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 數(shù)值計(jì)算有效性分析

為驗(yàn)證文中建立的數(shù)值計(jì)算模型，采用Hrubes[11]實(shí)驗(yàn)中的彈型及工況在此計(jì)算模型下進(jìn)行了仿真，將仿真所得空泡形態(tài)與Hrubes[11]實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。圖4可以看出：采用上述模型仿真得到的空泡外形輪廓與Hrubes[11]實(shí)驗(yàn)照片中的基本一致，通過測量不同位置處的空泡尺寸與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)(圖5)，兩者之間的誤差在4%以內(nèi)[11]。綜上說明本文所述數(shù)值計(jì)算模型能夠較好地模擬超空泡射彈空化流場。

圖4 仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5 仿真空泡數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 計(jì)算結(jié)果與分析

為了分析入射角度對超空泡射彈侵徹靶板前水中空泡演化規(guī)律，以及入射角對超空泡射彈侵徹等效間隔靶毀傷特性的影響規(guī)律，本文設(shè)置了彈體以0°、30°、50°、60°和75°入射角侵徹靶板的5種工況。接下來將結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行深入分析。

3.1 入射角度對空泡演化規(guī)律的影響

當(dāng)射彈以0°侵徹等效間隔靶時(shí)，相關(guān)數(shù)值模擬結(jié)果如圖6所示[11]，同時(shí)引入了文獻(xiàn)[11]中的部分試驗(yàn)結(jié)果用以驗(yàn)證數(shù)值模擬得到的空泡演化規(guī)律的正確性。如圖6所示，在超空泡射彈進(jìn)入水域初期，在彈體前端空化器作用下迅速形成空泡，隨著彈丸的運(yùn)動，空泡逐漸伸長，同時(shí)空泡的直徑也逐漸增大，最終形成紡錘形超空泡將整個(gè)射彈包裹住，使彈體在水中穩(wěn)定航行。如圖6所示1 000 μs時(shí)刻，在超空泡射彈撞擊靶板的瞬間，由于瞬態(tài)高速沖擊，在碰撞點(diǎn)附近形成高溫高壓區(qū)，同時(shí)靶板產(chǎn)生劇烈變形，導(dǎo)致彈靶碰撞區(qū)域附近出現(xiàn)了空化片層。并且，隨著彈體不斷侵入靶板，該空化片層的直徑不斷增大，通過對比圖6(b)～圖6(d)可以看出。與此同時(shí)，由射彈在水中運(yùn)動形成的超空泡的直徑也在不斷增大，這一點(diǎn)同樣可以通過對比圖6(b)～圖6(d)可以看出。當(dāng)超空泡射彈已經(jīng)完全穿透兩層間隔靶時(shí)，該空泡仍處于持續(xù)膨脹階段。另外，圖6的左側(cè)還給出了文獻(xiàn)[11]中的部分與圖6右側(cè)仿真結(jié)果對應(yīng)時(shí)刻基本相相同的試驗(yàn)結(jié)果，通過對比可以看出：本文通過數(shù)值模擬得到的超空泡射彈垂直侵徹水下靶板過程中的空泡演化規(guī)律與文獻(xiàn)[11]中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相同，也進(jìn)一步驗(yàn)證了本文計(jì)算結(jié)果的有效性。

圖6 超空泡射彈垂直侵徹間隔靶仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)入射角度調(diào)整為30°時(shí)，超空泡射彈斜侵徹等效間隔靶的仿真計(jì)算結(jié)果如圖7、圖8、圖9所示。如圖7(a)可以看出，在超空泡射彈侵徹靶板前，同樣形成了空間對稱的紡錘形超空泡將整個(gè)射彈包裹住，但是當(dāng)彈體頭部逐漸靠近靶板時(shí)，空泡外形開始變得不對稱，距離靶板更近一側(cè)的氣-液界面開始向彈體表面靠近，這是由射彈和靶板結(jié)構(gòu)間的兩相區(qū)壓力場分布不對稱引起的。如圖8所示，當(dāng)超空泡射彈與靶板之間的距離足夠近時(shí)，射彈與靶板之間的兩相區(qū)壓力開始作用于靶板，并在靶板前表面形成反射壓縮波，使得距離靶板較近一側(cè)水介質(zhì)中的壓力較大，進(jìn)而導(dǎo)致空泡-水介質(zhì)界面向彈體表面靠近。射彈與靶板之間的距離越小，這種現(xiàn)象越明顯。如圖7(b)所示，在超空泡射彈撞擊靶板的瞬間，碰撞點(diǎn)附近靶板產(chǎn)生劇烈變形，同時(shí)在彈靶接觸區(qū)域附近出現(xiàn)了以碰撞區(qū)為中心，沿靶板表面向四周擴(kuò)散的空化片層。而且，沿靶板傾斜方向向下一側(cè)的空化層擴(kuò)散更快更明顯，反之，沿靶板傾斜方向向上一側(cè)的空化層擴(kuò)散速度則非常緩慢，這一現(xiàn)象同樣是由水介質(zhì)中的壓力場分布不對稱造成的。

圖7 超空泡射彈以30°入射角侵徹間隔靶仿真結(jié)果

圖8 超空泡射彈以30°入射角侵徹靶板前彈、靶和水中的壓力分布仿真結(jié)果

圖9 彈靶接觸區(qū)域附近水介質(zhì)流場矢量圖

如圖9所示為彈體侵徹靶板初期，彈靶接觸區(qū)域附近的水介質(zhì)流場分布矢量圖。由圖9可以看出，彈靶撞擊區(qū)的水介質(zhì)發(fā)生了空化，越靠近撞擊區(qū)的空泡-水介質(zhì)界面的運(yùn)動速度越大，且其運(yùn)動方向幾乎與靶板表面平行。另外，如圖9所示A點(diǎn)與B點(diǎn)處的空泡-水介質(zhì)界面都有向O點(diǎn)運(yùn)動的趨勢，但是受到左側(cè)靶板的約束，導(dǎo)致A點(diǎn)附近水介質(zhì)中的壓力增大，進(jìn)而抑制了A點(diǎn)處空泡-水介質(zhì)界面的擴(kuò)散速度。相反，如圖9所示C、D兩點(diǎn)處的空泡-水介質(zhì)界面的運(yùn)動方向都平行于靶板表面向下，且兩者的運(yùn)動不受靶板的約束，因此這兩點(diǎn)所在一側(cè)的空泡-水介質(zhì)界面運(yùn)動速度總是大于A、B點(diǎn)所在的一側(cè)。此外，C點(diǎn)處空泡-水介質(zhì)界面的運(yùn)動速度遠(yuǎn)大于D點(diǎn)處，由此形成了如圖7(c)和圖7(d)中所示的以撞擊點(diǎn)為中心的沿靶板表面向下的快速擴(kuò)散空化片層。另外，就超空泡射彈在水介質(zhì)中運(yùn)動形成的空泡而言，在彈體斜侵徹靶板過程中，其直徑大小也處于持續(xù)增大過程中，與彈體垂直侵徹靶板時(shí)的空泡變化規(guī)律基本相同。

而當(dāng)超空泡射彈侵徹靶板的入射角度增大到50°～75°時(shí)，在侵徹靶板前由于彈體在水介質(zhì)中運(yùn)動形成的空泡的結(jié)構(gòu)尺寸與彈靶夾角更小時(shí)存在較大差異。一方面，由于彈體著靶角度太大，導(dǎo)致彈體著靶前彈頭附近的空泡形態(tài)出現(xiàn)嚴(yán)重的不對稱性，如圖10(a)中橢圓形框標(biāo)記范圍所示。處于彈體與靶板夾角較小一側(cè)的空泡-水介質(zhì)界面幾乎緊貼著彈頭表面，而另一側(cè)的空泡-水介質(zhì)界面與彈頭表面卻存在較大間隙。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，彈體著靶前，彈體頭部附近空泡的不對稱性隨著著靶角度的增大而增大。另一方面，在較大著靶角度下，彈體難以侵入靶板，出現(xiàn)嚴(yán)重的彈道偏移，彈身于靶板發(fā)生大面積碰撞，導(dǎo)致靶板出現(xiàn)大變形，同時(shí)碰撞區(qū)附近靶板產(chǎn)生了劇烈的振動，形成了如圖10(b)中橢圓形框標(biāo)記范圍所示的局部空化。

圖10 超空泡射彈以75°入射角侵徹間隔靶仿真結(jié)果

3.2 入射角度對彈靶毀傷特性的影響

圖11可以看出：著靶角度為0°時(shí)，射彈侵徹靶板前，射彈和靶板結(jié)構(gòu)間存在隨著距離減小而迅速增大的兩相區(qū)壓力[如圖11(b)所示的兩相區(qū)壓力最大值為376.2 MPa]，由此導(dǎo)致靶板中形成了較大的應(yīng)力波向后傳播，并在其后表面形成反射拉伸波[如圖11(c)所示]。在射彈和靶板結(jié)構(gòu)間兩相區(qū)壓力的作用下，靶板產(chǎn)生了明顯的應(yīng)力變化，但是靶板并沒有產(chǎn)生顯著的形變。如圖6(b)可以看出，彈體頭部在侵徹過程中存在輕微的鐓粗現(xiàn)象。當(dāng)彈體頭部穿透前靶板后，彈體的錐體段開始侵入靶板，進(jìn)一步擴(kuò)大靶板上的開孔尺寸。如圖6(c)所示，在1 200 μs時(shí)，超空泡射彈的最大橫截面積彈體段已經(jīng)完全穿過前靶板，其殘余速度約為375 m/s，足以進(jìn)一步侵徹后靶板。至1 700 μs時(shí)，垂直入射超空泡射彈完全穿透前后兩層等效靶板，即在初速為400 m/s，超空泡射彈垂直侵徹的工況下，彈體能有效穿透魚/水雷的殼體并對其內(nèi)部構(gòu)件造成破壞性損傷。如圖6(d)所示，彈體穿透靶板后，兩層靶板均表現(xiàn)為典型的局部塑性破孔失效，前靶板由于厚度大，還伴隨著比較明顯的整體變形；后靶板厚度較小，因此彈孔附近出現(xiàn)了顯著的局部大變形。

圖11 超空泡射彈垂直侵徹靶板前的空泡形貌、水中和彈靶壓力分布仿真結(jié)果

調(diào)整超空泡射彈入射角度為30°，超空泡射彈侵徹靶板的應(yīng)力云圖如圖12所示。如圖12(a)所示，在930 μs時(shí)，超空泡射彈開始侵徹靶板，彈頭的一側(cè)首先撞擊靶板并產(chǎn)生較大的變形。隨后，整個(gè)彈體頭部侵入靶板，由于彈體頭部不同位置的受力不均勻，彈體頭部出現(xiàn)不規(guī)則變形，如圖12(b)所示。在侵徹過程中，彈靶相互作用形成的轉(zhuǎn)動力矩作用于彈體，同時(shí)彈體尾部比較細(xì)長，因此彈體上出現(xiàn)了復(fù)雜的應(yīng)力分布狀態(tài)，如圖12(b)所示。如圖12(c)所示，在 1 090 μs時(shí)，在慣性力和轉(zhuǎn)動力矩的共同作用下，超空泡射彈細(xì)長尾部出現(xiàn)顯著的受壓和受拉情況，其中A、B位置處彈體材料受壓，而C、D位置處受拉。通過對比圖12(c)和12(d)的彈尾形貌可以看出，侵徹過程中彈尾存在明顯的振動現(xiàn)象。由于彈體頭部在侵徹前置靶板時(shí)發(fā)生不規(guī)則變形，形成近似半球形的頭部，導(dǎo)致彈體在侵徹后置靶板時(shí)受到的偏轉(zhuǎn)力矩更小，使彈體在侵徹后置靶板時(shí)彈道更加穩(wěn)定。但是，當(dāng)彈體椎體段侵入后置靶板時(shí)，彈靶作用點(diǎn)偏向如圖12(e)中所示O點(diǎn)所在一側(cè)，在偏轉(zhuǎn)力矩的作用下，彈體彈體開始向O點(diǎn)所在一側(cè)偏轉(zhuǎn)，直至整個(gè)彈體完全穿透后置靶板，如圖12(f)和圖12(g)所示。圖13給出的是超空泡射彈以30°著靶角度侵徹雙層間隔靶過程中彈體在不同時(shí)刻的位置和姿態(tài)，以及靶板的最終破孔形貌的應(yīng)力云圖，圖13可以看出：超空泡射彈在穿透雙層間隔靶后，其彈道發(fā)生了顯著的改變。特別其彈道沿著垂直于靶板表面的方向發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，這將有利于彈體對魚/水雷等內(nèi)部結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步破壞。在該工況下，兩層靶板在侵徹結(jié)束后的后表面均為典型的塑性破孔失效，而靶板的前表面均由于斜侵徹造成一側(cè)有顯著唇邊，一側(cè)沒有；與垂直侵徹相比，該工況下的兩層靶板均未表現(xiàn)出較大的整體變形。

進(jìn)一步增大著靶角度，當(dāng)入射角度為50°時(shí)，由于著靶角度更大，因此彈體在穿透第一層靶板之后的頭部變形更加嚴(yán)重，如圖13所示該彈體在1 200 μs時(shí)的彈體頭部變形嚴(yán)重，形成較大的彎折角度。通過與彈體在著靶前的彈道軌跡對比可以看出，該著靶角度下，彈體穿透兩層靶板后的彈道出現(xiàn)了與著靶角為30°時(shí)基本相同的偏轉(zhuǎn)。同時(shí)，該工況下兩層靶板最終的失效破壞情況也與著靶角為30°時(shí)基本相同。而當(dāng)著靶角度增加到60°時(shí)，彈體在侵徹前置靶板時(shí)產(chǎn)生的形變更加嚴(yán)重，由1 300 μs時(shí)的彈體形貌圖可以看出，彈體頭部彎折角度接近90°。彈體產(chǎn)生如此嚴(yán)重的變形，導(dǎo)致彈體在侵徹后置靶板時(shí)，變形彈頭與靶板的接觸面積顯著增大，同時(shí)彈體在侵徹過程中難以保持原彈道軌跡不變，最終形成沿平行于靶板表面一側(cè)的彈道偏轉(zhuǎn)。由最終的靶板形貌可以看出，著靶角度增加到60°時(shí)，與更小著靶角度工況相比，前置靶板的整體大變形有所增加，后置靶板的破孔尺寸顯著增大，同時(shí)存在非常顯著的整體大變形。著靶角度為75°時(shí)，超空泡射彈在前置靶板表面出現(xiàn)跳彈行為，并且由于與靶板的大面積接觸碰撞導(dǎo)致前置靶板產(chǎn)生了形狀的大變形，但并無破孔。由此可以看出，當(dāng)初速為400 m/s時(shí)，控制超空泡射彈的著靶角度在60°以內(nèi)，則彈體能夠高效毀傷典型魚/水雷目標(biāo)；當(dāng)著靶角度接近75°時(shí)，超空泡射彈出現(xiàn)跳彈行為，難以對目標(biāo)造成毀滅性打擊。

圖13 超空泡射彈以不同角度斜侵徹間隔靶時(shí)彈體在不同時(shí)刻的形貌及靶板最終形貌

4 結(jié)論

1) 超空泡射彈垂直侵徹間隔靶時(shí)的空泡演化規(guī)律與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致；彈體斜侵徹靶板時(shí)，著靶前的空泡形態(tài)表現(xiàn)出不對稱性，且著靶角度越大，這種不對稱性越顯著；斜侵徹過程中，處于彈體與靶板夾角較小一側(cè)的空泡膨脹受阻，而夾角較大一側(cè)的空泡迅速膨脹；著靶角度過大時(shí)，碰撞區(qū)附近靶板產(chǎn)生劇烈振動，同樣會形成局部空化。

2) 雙層間隔靶的損傷為典型的塑性破孔失效，當(dāng)彈體著靶角度較大時(shí)，前后靶板還伴有整體大變形；當(dāng)入射角度為30°和50°時(shí)，最終的殘余彈體彈道沿垂直于靶板表面的方向偏轉(zhuǎn)，有益于彈體對目標(biāo)內(nèi)部部件的進(jìn)一步毀傷；控制著靶角度在60°以內(nèi)，則彈體能夠高效毀傷典型魚/水雷目標(biāo)；當(dāng)著靶角度接近75°時(shí)，超空泡射彈出現(xiàn)跳彈行為，難以對目標(biāo)造成毀滅性打擊。