柱形裝藥水下爆炸近場沖擊波數(shù)值仿真

黃 洪,盧 熹,王 健

柱形裝藥水下爆炸近場沖擊波數(shù)值仿真

黃 洪,盧 熹,王 健

(沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院,遼寧 沈陽,110159)

柱形裝藥作為水下爆炸的常用裝藥結(jié)構(gòu),目前其研究多集中于水下爆炸遠(yuǎn)場,近場沖擊波研究較少。為了得到柱形裝藥水下爆炸前向近場沖擊波威力相關(guān)參數(shù),文中建立了以柱形裝藥前端圓柱面垂直方向距離為,水平方向距離為的近場沖擊波威力場。首先利用AUTODYN仿真軟件對等裝藥量TNT球型裝藥和長徑比范圍為1.1～2的柱形裝藥水下爆炸過程進(jìn)行了仿真,分析了柱形裝藥水下爆炸近場沖擊波衰減規(guī)律。通過結(jié)合Cole經(jīng)驗公式,優(yōu)化柱形裝藥仿真值,采用Logistic函數(shù)擬合得到柱形裝藥前向近場沖擊波壓力峰值經(jīng)驗公式,計算得到壓力峰值平均誤差約為5%,驗證了該經(jīng)驗公式的準(zhǔn)確性。研究結(jié)果可為柱形裝藥水下爆炸近場威力參數(shù)計算提供參考。

水下爆炸; 柱形裝藥; 數(shù)值仿真; 沖擊波

0 引言

裝藥結(jié)構(gòu)水下爆炸沖擊波是深水炸彈和魚雷等反潛武器對目標(biāo)的主要?dú)绞街?其常用的裝藥結(jié)構(gòu)有球型和柱形2種。球型裝藥結(jié)構(gòu)因結(jié)構(gòu)簡單、中心對稱等特點(diǎn),研究成果較為成熟。Stemberg[1]和Hammond[2]研究了柱形裝藥水下爆炸沖擊波壓力峰值受不同長徑比影響,得出在爆炸遠(yuǎn)場,柱形裝藥爆炸可等效于等藥量球型裝藥。有學(xué)者利用數(shù)值仿真技術(shù)研究了不同條件下,水下爆炸沖擊波傳播衰減規(guī)律[3-6]。蔣國巖等[7]分析了水下爆炸國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,討論了未來水下爆炸的研究方向。徐豫新等[8]利用AUTODYN軟件仿真球型裝藥水下爆炸沖擊波傳播和氣泡脈動影響因素,得到在邊界條件設(shè)置合理的條件下,一維、二維計算都可精確描述水下爆炸威力場。周睿等[9]研究了條形藥包在不同起爆部分爆炸產(chǎn)生沖擊波的衰減特性,修正得到條形藥包水下爆炸的Cole公式。張鵬翔等[10]探討了淺層水中爆炸直達(dá)波壓力峰值的計算方法,修正了Cole爆炸壓力經(jīng)驗公式。張弛宇等[11]研究了柱形裝藥與球型裝藥遠(yuǎn)場等效關(guān)系,得到了在爆炸遠(yuǎn)場柱形裝藥爆炸近似計算公式。王奕鑫等[12]通過理論分析和淺水試驗研究,得到在近場條件下,柱形藥包壓力峰值需對經(jīng)驗公式乘以0.65～0.97之間的修正系數(shù),遠(yuǎn)場可利用Cole經(jīng)驗公式近似。

以上對柱形裝藥水下爆炸沖擊波研究多利用Cole經(jīng)驗公式修正的方法[13],所得擬合公式在沖擊波近場誤差較大,公式也較為復(fù)雜。文中利用AUTODYN仿真軟件仿真了不同長徑比柱形裝藥水下爆炸過程,重點(diǎn)研究了近場沖擊波傳播規(guī)律,結(jié)合Cole經(jīng)驗公式,考慮位置參數(shù)、長徑比,擬合得到壓力峰值經(jīng)驗計算公式。該經(jīng)驗公式計算得到的近場沖擊波壓力峰值精確度較高,平均誤差為5%,且適用不同長徑比柱形裝藥結(jié)構(gòu),公式適用范圍廣,可為柱形裝藥水下爆炸近場威力參數(shù)計算提供依據(jù)。

1 數(shù)值模型

1.1 模型建立

因球型、柱形裝藥均為軸對稱結(jié)構(gòu),采用二維仿真模型能極大減少仿真運(yùn)算時間,利用AU- TODYN 18.0仿真軟件建立二維軸對稱CIRCLE計算模型。模型水域尺寸為水平方向3 m,豎直方向1.5 m,計算網(wǎng)格大小,方向均為2 mm,網(wǎng)格總數(shù)為1127251個,網(wǎng)格為歐拉網(wǎng)格。水域邊界條件設(shè)置為flow-out邊界條件,流體粘性參數(shù)取軟件默認(rèn)參數(shù)。水域模型材料采用POLY- NOMIAL狀態(tài)方程,參數(shù)設(shè)置為軟件默認(rèn)參數(shù),取水下50 m處比內(nèi)能值為536.875 J/kg,由式(1)計算給出。炸藥材料選用常規(guī)炸藥TNT,參數(shù)設(shè)置取軟件默認(rèn)參數(shù),密度取1.63 g/cm3。

球型裝藥結(jié)構(gòu)裝藥半徑42 mm,裝藥量約500 g,裝藥球心位于底端中部,起爆方式選用球心點(diǎn)起爆,如圖1所示。柱形裝藥結(jié)構(gòu)除長徑比不同,其他基本一致,柱形裝藥質(zhì)心位于底端中部,起爆方式為質(zhì)心點(diǎn)起爆,如圖2所示。

圖1 球型裝藥仿真模型

圖2 柱形裝藥仿真模型

1.2 工況參數(shù)設(shè)置

為保持柱形裝藥與球型裝藥模型的可對比性,柱形裝藥應(yīng)與球型裝藥采用等藥量原則,裝藥結(jié)構(gòu)采用柱形結(jié)構(gòu),仿真工況具體參數(shù)如表1所示。

為有效采集前向沖擊波壓力峰值參數(shù),對仿真水域放置采集數(shù)據(jù)觀察點(diǎn),根據(jù)建立威力場大小和后續(xù)數(shù)據(jù)分析,采用等距放置觀察點(diǎn)原則,在水平方向0.3～1.0 m,每隔0.1 m放置1個;豎直方向0～1 m,每隔0.05 m放置1個,共計放置160個觀察點(diǎn),具體觀察點(diǎn)放置如圖3所示,各個工況觀察點(diǎn)放置一致。

表1 柱形裝藥工況

圖3 觀察點(diǎn)放置

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 仿真模型驗證

球型裝藥中心起爆,爆炸沖擊波向裝藥四周傳播,因球型裝藥中心對稱,沖擊波壓力分布均勻呈球形,沖擊波壓力由球型裝藥中心向外增大,沖擊波邊緣壓力最大,當(dāng)仿真時間到達(dá)0.1 ms時,沖擊波邊緣壓力峰值為2.811×102MPa。隨沖擊波向四周傳播,沖擊波邊緣壓力峰值快速衰減,如圖4所示,當(dāng)仿真時間到達(dá)0.8 ms時,沖擊波邊緣壓力峰值僅為0.1 ms時的8%,仿真壓力峰值衰減規(guī)律與Cole經(jīng)驗公式計算值基本一致,但壓力峰值整體偏大。

以柱形裝藥工況4為例,因柱形裝藥結(jié)構(gòu)為軸對稱,裝藥空間分布不均導(dǎo)致沖擊波各方向傳播速度不同,沖擊波壓力分布呈橢圓狀。如圖5所示,當(dāng)仿真時間達(dá)0.8 ms時,柱形裝藥沖擊波壓力分布與球型裝藥基本一致,符合爆炸遠(yuǎn)場可近似等效于球型裝藥的規(guī)律。結(jié)合仿真結(jié)果和Cole經(jīng)驗公式,證明仿真模型能夠模擬球型和柱形裝藥水下爆炸過程。

圖4 球形裝藥沖擊波壓力分布

圖5 柱形裝藥沖擊波壓力分布

2.2 前向威力場建立原則

利用Cole經(jīng)驗公式求取壓力峰值

Cole經(jīng)驗公式基本總結(jié)了球型裝藥結(jié)構(gòu)水下爆炸相關(guān)參數(shù)值計算,與實際情況擬合較好。球型裝藥結(jié)構(gòu)如不考慮界面放射等影響,各個方向沖擊波參數(shù)基本一致,可用起爆距離和裝藥質(zhì)量完成參數(shù)擬合。柱形裝藥為軸對稱,各個方向沖擊波參數(shù)差異較大,球形裝藥參數(shù)擬合方法不適用于柱形裝藥。為對柱形裝藥水下爆炸沖擊波壓力峰值參數(shù)進(jìn)行擬合,在爆炸沖擊波主要作用前端面方向設(shè)立威力場,設(shè)裝藥前向威力場某點(diǎn)為(,),為該點(diǎn)水平軸向到裝藥質(zhì)心的距離,為豎直方向到裝藥質(zhì)心的距離,以此描述前向威力場的不同位置。

近場沖擊波威力場劃分區(qū)域首先應(yīng)保證仿真值與經(jīng)驗公式值具有可比性,考慮Cole經(jīng)驗公式適用參數(shù)范圍為球型裝藥直徑與爆炸距離比值應(yīng)大于6; 實際柱形裝藥水下爆炸沖擊波對目標(biāo)載荷的主要作用區(qū)域也為圓端面前向。結(jié)合仿真模型裝藥量為500 g,設(shè)置仿真模型威力場大小為柱形裝藥前端面水平方向0.3～1m,7～24倍等藥量球型裝藥半徑,豎直方向距離0～1m,0～24倍等藥量球型裝藥半徑。

截取部分仿真數(shù)據(jù)和Cole經(jīng)驗公式計算值如圖6所示,軟件仿真球型裝藥壓力峰值衰減規(guī)律與Cole經(jīng)驗公式值相同。仿真值與Cole經(jīng)驗值存在誤差,仿真值大于Cole經(jīng)驗值,隨,值增大,誤差減小,直到相等。對比仿真值與Cole經(jīng)驗值,得到不同位置的衰減率,修正柱形裝藥仿真參數(shù),以減少仿真軟件計算過程中存在的誤差,提高仿真值精確度。

圖6 仿真值與經(jīng)驗值對比曲線

以柱形裝藥工況3為例,如圖7所示,修正后柱形裝藥壓力峰值小于球型裝藥,隨著,值的增大,2種裝藥結(jié)構(gòu)壓力峰值差值逐漸減小,最終基本相等。修正處理其他長徑比工況,所得規(guī)律與圖7基本一致。

圖7 柱形裝藥參數(shù)處理對比

2.3 柱形裝藥近場沖擊波衰減規(guī)律

以工況3為例,修正后柱形裝藥威力場范圍各位置處壓力峰值與Cole經(jīng)驗公式計算值對比,如圖8所示。在相同條件下,隨著增大,仿真值與Cole經(jīng)驗值壓力峰值比值逐漸增大,在威力場邊界,柱形裝藥壓力峰值基本等于Cole經(jīng)驗值。參數(shù)值主要影響壓力峰值比值起始值,值越大,起始值越小,比值增長更平滑。其他不同工況與工況3規(guī)律基本一致,主要區(qū)別在壓力峰值比值初始值不同。

圖8 位置-壓力峰值比值

分別取不同長徑比柱形裝藥工況在=0.7 m處,隨變化的壓力峰值比值,如圖9所示。柱形裝藥在長徑比范圍1.1～2內(nèi),相等,長徑比增大,壓力峰值比值減小。壓力峰值比值增長速率基本一致,受長徑比影響較小。不同處與=0.7 m處規(guī)律基本一致。

圖9 長徑比-壓力峰值比值

3 柱形裝藥近場壓力峰值公式擬合

將威力場參數(shù),代換入式(2),并結(jié)合所求近場威力場范圍得

分析柱形裝藥與球型裝藥結(jié)構(gòu)近場沖擊波壓力峰值衰減規(guī)律,柱形裝藥壓力峰值主要受到、和長徑比參數(shù)影響。利用Logistic函數(shù)擬合,得到柱形裝藥近場壓力峰值計算經(jīng)驗公式

式中,1,2,和0為擬合參數(shù)。

以工況5為例,Logistic函數(shù)參數(shù)設(shè)置如表2所示。

依據(jù)擬合值得1,2,0,與的關(guān)系如下

結(jié)合工況1～5所有仿真數(shù)據(jù),修正Logistic函數(shù)中的1參數(shù),得

表2 位置參數(shù)擬合

式中,為長徑比。

將式(6)～(9)代入式(4),得

將式(10)代入式(3),得到柱形裝藥水下爆炸近場沖擊波壓力峰值計算公式

將工況1～5參數(shù)值代入式(11),與仿真值對比得到誤差系數(shù)如表3所示。在不同長徑比條件下,壓力峰值計算公式最大誤差約為10%,平均誤差約為5%,誤差較小,精度較高,計算可得柱形裝藥近場沖擊波壓力峰值。,和值越大,誤差率越小,精確度越高。

表3 仿真誤差統(tǒng)計

4 結(jié)論

文中利用Cole經(jīng)驗公式,結(jié)合有限元軟件仿真技術(shù),證明了AUTODYN仿真軟件能夠有效模擬球型、柱形裝藥水下爆炸沖擊波傳播過程。通過對比球型裝藥Cole經(jīng)驗值和仿真值,修正了柱形裝藥在計算中考慮參數(shù)不足存在的誤差。討論了等藥量條件下,柱形裝藥結(jié)構(gòu)水下爆炸沖擊波前向近場范圍沖擊波傳播規(guī)律和壓力峰值計算經(jīng)驗公式,得出以下結(jié)論。

1) 利用建立威力場,和柱形裝藥長徑比等參數(shù),結(jié)合Cole經(jīng)驗公式得到柱形裝藥壓力峰值擬合經(jīng)驗公式,對不同長徑比柱形裝藥結(jié)構(gòu),計算值平均誤差率為5%,誤差率較小,擬合效果較好。

2) 相比于球型裝藥,等藥量柱形裝藥前向近場沖擊波壓力峰值隨位置變化衰減規(guī)律基本一致,但因柱形裝藥的軸對稱結(jié)構(gòu),沖擊波整體壓力峰值更小。柱形裝藥爆炸距離超過24倍等藥量球型裝藥半徑時,近似球型裝藥。

3) 等藥量條件下,長徑比對柱形裝藥前向近場沖擊波壓力峰值衰減影響較大,長徑比越大,沖擊波整體壓力峰值越小。

文中所得的柱形裝藥水下爆炸近場沖擊波壓力峰值計算公式對TNT炸藥擬合效果較好,后續(xù)將進(jìn)一步開展試驗研究,討論其對非TNT炸藥結(jié)構(gòu)的適用性。

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Near Field Shock Wave Numerical Simulation of Cylindrical Charge Underwater Explosion

,,

(Department of Equipment Engineering,Shenyang Ligong University ,Shenyang 110159,China)

Cylindrical charge,which is a common charge structure for an underwater explosion,is mainly used in far-field underwater explosions. However,there is little research on the near-field shock wave. In order to obtain the parameters related to the forward near-field shock wave power of conventional cylindrical charge underwater explosion,the near-field shock wave power field with the vertical distance of the front-end cylindrical chargeand horizontal distanceis established. In this paper,the underwater explosion process of TNT spherical charge based on equal charge and cylindrical charge,whose ratio of length to diameter ranges from 1.1～2,is simulated using the AUTODYN simulation software. The near-field shock wave attenuation law of cylindrical charge underwater explosion is analyzed. By combining the Cole empirical formula,the simulation value of the cylindrical charge is optimized,and an empirical formula for the forward near-field shock wave pressure peak of cylindrical charge is obtained through logistic regression. The average error of pressure peak is approximately 5%,validating the accuracy of this formula. The research results can be used for the calculation of the near field power assuming a cylindrical charge underwater explosion.

underwater explosion; cylindrical charge; numerical simulation; shock wave

TJ630; TJ410.1

A

2096-3920(2021)04-0471-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.04.015

黃洪,盧熹,王健. 柱形裝藥水下爆炸近場沖擊波數(shù)值仿真[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報,2021,29(4): 471-476.

2020-09-04;

2020-10-10.

黃 洪(1995-),男,碩士,主要研究方向為水下爆炸.

(責(zé)任編輯: 楊力軍)