協(xié)同爆炸時(shí)沖擊波毀傷效應(yīng)研究綜述

趙偉成,翟紅波,毛伯永

(西安近代化學(xué)研究所, 西安 710065)

0 引言

隨著分布式作戰(zhàn)和集群作戰(zhàn)系統(tǒng)的發(fā)展,多彈協(xié)同打擊正逐漸成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭中毀傷關(guān)鍵目標(biāo)時(shí)使用的主要打擊形式。美國的“網(wǎng)火”作戰(zhàn)系統(tǒng),愛國者-3、陸基攔截導(dǎo)彈、標(biāo)準(zhǔn)-3反導(dǎo)系統(tǒng),俄羅斯的“花崗巖”反艦導(dǎo)彈等是多彈協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)的典型代表[1-2]。多彈協(xié)同打擊通過控制導(dǎo)彈的落點(diǎn)、協(xié)同時(shí)間等參量,實(shí)現(xiàn)對戰(zhàn)場中高價(jià)值目標(biāo)的高效攻擊,提升體系防御下導(dǎo)彈的突防率和強(qiáng)干擾體系下的協(xié)同干擾對抗能力,提高目標(biāo)損毀的概率[3-4]。研究多彈協(xié)同打擊的毀傷效果,能夠在作戰(zhàn)中對目標(biāo)打擊起到指導(dǎo)作用,具有重要的軍事意義。

協(xié)同毀傷的研究主要涉及毀傷元耦合特性、載荷分布、毀傷效應(yīng)、毀傷評估方法等方面。國內(nèi)外學(xué)者針對金屬板架結(jié)構(gòu)、混凝土梁、建筑等目標(biāo),開展了協(xié)同爆炸時(shí)沖擊波疊加效應(yīng)、目標(biāo)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)規(guī)律、毀傷效應(yīng)及毀傷評估方法等方面的研究。早在20世紀(jì)90年代初,美國核防局專家Philips 和Bratton就已經(jīng)開展了多彈協(xié)同打擊的毀傷效果研究,研究表明,多彈打擊的毀傷效果比總當(dāng)量相等的單一彈藥打擊的毀傷效果更強(qiáng)。國內(nèi)針對多彈協(xié)同毀傷效應(yīng)的研究起步較晚,研究成果多集中在毀傷元的耦合特性和簡單結(jié)構(gòu)的響應(yīng)規(guī)律。本文中從協(xié)同爆炸毀傷元特性、部分目標(biāo)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和仿真研究手段等3個(gè)方面論述了目前的研究現(xiàn)狀,總結(jié)目前研究中取得的成果,為協(xié)同爆炸的毀傷效應(yīng)研究提供參考。

1 協(xié)同爆炸沖擊波的傳播規(guī)律

爆炸過程包含著復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng),爆炸在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生巨大的能量轉(zhuǎn)換,強(qiáng)烈壓縮周圍介質(zhì),引起介質(zhì)的壓力、溫度、密度、速度等參數(shù)隨著時(shí)間空間的劇烈變化,形成沖擊波[5-7]。近年來,隨著精確制導(dǎo)武器的快速發(fā)展,使得炸點(diǎn)與目標(biāo)的距離越來越近,近場的局部毀傷現(xiàn)象越來越明顯。沖擊波作為考核戰(zhàn)斗部爆炸威力的重要依據(jù),通過對沖擊波傳播規(guī)律的研究,一方面可以作為提升武器系統(tǒng)毀傷效能的理論基礎(chǔ),另一方面可以通過爆炸沖擊波的參數(shù),反推爆炸反應(yīng)的爆炸當(dāng)量、爆源位置,評判爆源的反應(yīng)類型[8-12]。

爆炸沖擊波在空氣中傳播的過程中,波陣面的壓力與速度隨時(shí)間空間不斷下降,對遠(yuǎn)距離目標(biāo)的毀傷威力降低。常用于量化沖擊波威力的參數(shù)有沖擊波的峰值超壓、沖量和正壓作用時(shí)間。由于受藥量、裝藥類型、炸高及時(shí)序爆炸等因素的影響,爆炸沖擊波的傳播規(guī)律存在著差異[13-15],通過試驗(yàn)所獲得的經(jīng)驗(yàn)公式只適用于某些情況,且存在著不同程度的誤差。針對協(xié)同爆炸產(chǎn)生的耦合沖擊波,研究其傳播規(guī)律,獲取更加精確的計(jì)算方法,對于爆炸毀傷效果預(yù)估有著重要的指導(dǎo)作用。

等當(dāng)量的兩裝藥爆炸時(shí),產(chǎn)生的沖擊波發(fā)生正碰撞,耦合位置處的沖擊波壓力急劇升高,并產(chǎn)生反射壓,向兩邊的爆轟產(chǎn)物中傳播,耦合沖擊波波陣面的曲率半徑與傳播方向發(fā)生了一定的變化,具體傳播過程如圖1所示[16]。

圖1 兩沖擊波相互作用模型

協(xié)同爆炸產(chǎn)生的多沖擊波在耦合過程中,受到裝藥質(zhì)量、爆源間距、起爆時(shí)序[17-18]等因素的影響,耦合后沖擊波的超壓、沖量、正壓作用時(shí)間及波陣面形狀等會發(fā)生相應(yīng)的變化。目前,針對裝藥質(zhì)量、爆源間距的研究主要是通過改變不同的因素,討論其對多沖擊波耦合特性的影響,分析爆炸產(chǎn)生的毀傷效應(yīng),建立不同的計(jì)算模型,擬合獲得最佳的爆源數(shù)量與爆源間距。但起爆時(shí)序?qū)︸詈蠜_擊波的影響最復(fù)雜,也最貼合實(shí)際作戰(zhàn)情況。因此,針對起爆時(shí)序?qū)Χ鄾_擊波耦合特性影響規(guī)律的研究具有重要意義。

胡宏偉等[16]研究了2點(diǎn)和3點(diǎn)底面同步起爆時(shí),爆炸沖擊波的耦合作用。研究結(jié)果表明,多裝藥同時(shí)起爆時(shí),耦合后的沖擊波峰值超壓和沖量顯著增加,改變裝藥量及布局,沖擊波超壓和沖量會出現(xiàn)不同的增加量,通過沖擊波與剛壁碰撞模型,可以近似計(jì)算等當(dāng)量裝藥爆炸沖擊波的相互作用。陳明生等[19]針對地面多點(diǎn)云霧爆炸的演化規(guī)律和超壓場分布特性進(jìn)行研究,獲取了中心區(qū)域的沖擊波疊加過程和不同方向上耦合沖擊波的峰值超壓隨水平距離的變化規(guī)律。圖2、圖3分別為多點(diǎn)云霧爆炸的地面和豎直方向超壓分布的模擬結(jié)果。研究結(jié)果表明,中心區(qū)域出現(xiàn)了3重沖擊波,在45°方向的豎直截面上沖擊波波系由入射波、反射波和馬赫波構(gòu)成。

水中陣列爆炸時(shí)[20],兩裝藥會使裝藥聚焦方向的沖擊波疊加,峰值超壓增加,非對稱方向的沖擊波延時(shí)耦合;四裝藥爆炸時(shí),沖擊波峰值超壓接近整體裝藥,但正壓作用時(shí)間隨裝藥量和陣列距離增大而增大。林尚劍等[21]通過理論推導(dǎo)獲取了沖擊波正相交與斜相交的方程,通過仿真計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證,對比分析了水中單點(diǎn)起爆和4點(diǎn)同時(shí)起爆時(shí),耦合沖擊波的超壓分布特性,4點(diǎn)起爆產(chǎn)生的耦合沖擊波超壓較單點(diǎn)爆炸有較大增強(qiáng)。盛振新等[22]通過仿真計(jì)算,獲取了同時(shí)起爆與不同間隔時(shí)間起爆情況下,兩裝藥在水下爆炸的沖擊波峰值壓力,與單發(fā)炸藥的沖擊波峰值壓力進(jìn)行對比。分析了兩裝藥間隔起爆產(chǎn)生的氣泡和爆炸沖擊波相互作用產(chǎn)生的影響。

圖2 多點(diǎn)云霧爆炸地面超壓仿真結(jié)果

圖3 多點(diǎn)云霧爆炸豎直方向仿真結(jié)果

目前對于協(xié)同爆炸多沖擊波耦合特性的研究,多數(shù)基于仿真和試驗(yàn)。通過對仿真和試驗(yàn)結(jié)果的分析,對比整體裝藥的威力,獲取協(xié)同爆炸時(shí)的沖擊波場分布和能量增益[23,28]。但由于耦合沖擊波的傳播特性受多種因素的影響,難以建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型對沖擊波的耦合特性進(jìn)行表征。因此,通過理論、仿真及試驗(yàn)的手段,建立裝藥質(zhì)量、爆源間距、起爆時(shí)序等因素與多沖擊波的耦合規(guī)律之間的計(jì)算模型,對于協(xié)同爆炸威力場與耦合沖擊波對目標(biāo)的毀傷效果研究具有重要理論意義。

2 協(xié)同爆炸沖擊波結(jié)構(gòu)破壞及動態(tài)響應(yīng)研究

國外多毀傷元耦合的毀傷效應(yīng)研究是基于多彈協(xié)同作戰(zhàn)的背景下進(jìn)行的。美國Philips和Bratton的研究報(bào)告中指出,7枚當(dāng)量50萬噸彈在地下500 m深度同時(shí)爆炸,高應(yīng)力區(qū)范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單枚彈爆炸,有1 km2以上的區(qū)域應(yīng)力超過51 MPa。另外,特定區(qū)域內(nèi)多彈爆炸形成的超壓峰值比單枚彈要高出3倍以上,足以摧毀地下堅(jiān)固的防護(hù)工程[24]。Sandia Laboratory 通過大量的模擬計(jì)算和化爆模擬試驗(yàn),分析了7枚50萬噸核彈呈六角形布置的爆炸效應(yīng)。發(fā)現(xiàn)7枚50萬噸彈爆炸的沖擊效應(yīng)與2 000萬噸的單枚核彈爆炸產(chǎn)生的沖擊效應(yīng)相當(dāng)[25-26]。

多彈協(xié)同維度的不同使得產(chǎn)生的協(xié)同效果各異,目前對于多彈協(xié)同作戰(zhàn)的研究主要集中在如何控制狀態(tài)變量和策略,獲得不同的協(xié)同效果。對于多彈協(xié)同作戰(zhàn)產(chǎn)生的毀傷效果,多彈協(xié)同作用下目標(biāo)的響應(yīng)規(guī)律以及如何定量評估多毀傷元耦合后的威力等問題的研究較少,難以實(shí)現(xiàn)實(shí)際作戰(zhàn)過程中的有效應(yīng)用,針對上述問題的研究對指揮協(xié)同作戰(zhàn)具有重要意義。

2.1 協(xié)同爆炸耦合沖擊波毀傷

協(xié)同爆炸產(chǎn)生的沖擊波相互耦合,使得沖擊波產(chǎn)生了新的傳播特性。多裝藥爆炸后耦合后沖擊波的超壓、沖量等參數(shù)與等量單裝藥爆炸沖擊波相比大大增加,耦合沖擊波作用在目標(biāo)上的載荷分布規(guī)律也存在巨大差異,使得產(chǎn)生的毀傷效果也存在差異[27]。

馮海云等[28]通過建立不同陣列距離兩裝藥爆炸的沖擊波場模型,分析了裝藥量、陣列距離對沖擊波威力的影響,并對2個(gè)1 kg裝藥量、相距4 m的工況進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,建立了最佳陣列距離和沖擊波作用區(qū)面積的增益計(jì)算模型,為之后針對耦合沖擊波載荷分布和毀傷效應(yīng)研究提供了參考理論。余俊等[29]基于可壓縮流體計(jì)算程序,建立了計(jì)算水下爆炸典型位置處流體載荷特征的數(shù)值模型,并分析了流場的載荷特性,同時(shí)利用該數(shù)值模型計(jì)算的兩裝藥起爆,得到對稱面上的峰值壓力相比整體裝藥高出12%～16%,并在爆源垂直截面上的壓力分布出現(xiàn)雙峰現(xiàn)象的結(jié)論。顧強(qiáng)等[30]通過正交手段設(shè)計(jì)試驗(yàn)并進(jìn)行模擬計(jì)算,進(jìn)行了混凝土中2點(diǎn)爆炸的最優(yōu)參數(shù)設(shè)計(jì),并選取了優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,證明優(yōu)化后的爆炸參數(shù)對目標(biāo)的毀傷程度明顯增強(qiáng)。李海超等[31]使用仿真手段,模擬了2點(diǎn)起爆加固黃土軟基的擴(kuò)腔過程,研究了2點(diǎn)爆炸應(yīng)力波在土中的傳播規(guī)律,并與單點(diǎn)起爆的應(yīng)力波效果進(jìn)行對比,2點(diǎn)起爆由于應(yīng)力波存在疊加效應(yīng),產(chǎn)生的加固效果比單點(diǎn)起爆更加明顯。顧文彬等[32]針對同時(shí)起爆,設(shè)置對稱和不對稱2種裝藥位置,設(shè)計(jì)了淺層水中兩裝藥的爆炸試驗(yàn),通過試驗(yàn)獲得了混凝土墩上的沖擊波壓力響應(yīng),得到峰值壓力的計(jì)算模型,并分析了兩裝藥淺水爆炸沖擊波對混凝土墩的繞射和透射效應(yīng)。翟紅波等[33]開展了雙裝藥同步起爆試驗(yàn),針對1∶8的艦船艙室縮比模型,對比了單點(diǎn)起爆與兩裝藥起爆產(chǎn)生的毀傷效果,發(fā)現(xiàn)雙點(diǎn)起爆的沖擊波在裝藥中心面上產(chǎn)生疊加效應(yīng),沖擊波的沖量效應(yīng)顯著增加,有效提高了毀傷能力。

目前對于協(xié)同爆炸的研究,基于仿真計(jì)算獲取沖擊波在協(xié)同中的增益效應(yīng)已取得了一定成果,但耦合沖擊波作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)規(guī)律研究較少,耦合沖擊波的毀傷效果量化方法不足,實(shí)際作戰(zhàn)過程中較難針對具體目標(biāo)制定有效的打擊方案。

2.2 協(xié)同爆炸沖擊波累積毀傷

協(xié)同打擊時(shí)會產(chǎn)生另一種毀傷效果,即多個(gè)毀傷元連續(xù)的作用在目標(biāo)結(jié)構(gòu)上,產(chǎn)生的毀傷效果不斷累積,使目標(biāo)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。美國成立的“連創(chuàng)奇跡”課題組,研究利用連續(xù)爆炸下能量的時(shí)序釋放,對目標(biāo)產(chǎn)生連續(xù)累計(jì)毀傷效果,實(shí)現(xiàn)了以4 枚激光制導(dǎo)導(dǎo)彈連續(xù)命中一個(gè)地下深層的堅(jiān)固目標(biāo),摧毀了單枚導(dǎo)彈無法摧毀的戰(zhàn)略工事的應(yīng)用實(shí)例[34]。

在累積毀傷的研究中,部分學(xué)者針對結(jié)構(gòu)在多毀傷元累積作用下的毀傷效果開展了研究,從混凝土梁、金屬圓板等簡單結(jié)構(gòu),到橋梁、多層樓房建筑等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的累積毀傷研究均取得了一定的成果,對部分結(jié)構(gòu)的累積毀傷效應(yīng)評估手段研究也有一定進(jìn)展。目前針對累積毀傷的研究主要是通過仿真計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果表征來獲取具體的毀傷結(jié)果,對于多個(gè)毀傷元產(chǎn)生的累積毀傷機(jī)理研究較少。

章毅等[35]以鋼筋混凝土和工字梁為研究對象,將多次爆炸載荷簡化為時(shí)間間隔為100 ms的三角形脈沖加載,通過Abaqus軟件建立混凝土損傷塑性模型,利用粘塑性法則和Duvant-Lions法則來模擬分析其非線性動力響應(yīng)與損傷破壞。李旭東等[36]通過對鋼制圓板在水下多次加載試驗(yàn),對板的中心應(yīng)變、撓度以及厚度減薄率進(jìn)行測量,同時(shí)利用軟件進(jìn)行仿真分析,結(jié)果表明,鋼板在水下爆炸作用下會有沖擊波加載、氣泡脈動加載、氣泡射流加載以及局部空化加載的情況,同時(shí)厚度減薄率隨鋼板中心撓度線性增加。楊大興等[37]以混凝土梁為研究對象,建立兩端簡支的混凝土梁構(gòu)件,將多次爆炸沖擊波載荷簡化為有升壓的三角形載荷,通過模擬計(jì)算分析混凝土梁的變形、破壞形態(tài)和峰值動力響應(yīng)。Nasiri等[38]對單次加載和重復(fù)加載的板材進(jìn)行對比,板的變形形狀分別為扁平變形、圓錐形變形和圓柱形變形。此外,在反復(fù)加載的情況下,板中心的最大減薄率顯著降低。單次打擊和多次打擊的變形模式如圖4所示。

唐正鵬等[39-40]以45#鋼、Q345普通鋼為材料制作模擬船體梁,通過軟件仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,分析了水下爆炸時(shí)炸藥當(dāng)量、爆距、爆炸次數(shù)等因素對船體梁的累積毀傷效應(yīng),利用高速攝影相機(jī)記錄水箱中的爆炸過程,獲取船體梁在多次爆炸載荷加載下的動態(tài)響應(yīng)過程及結(jié)構(gòu)整體撓度值的累積變化。Zana Eren等[41]以劍麻纖維基復(fù)合材料為目標(biāo),通過LS-DYNA軟件模擬重復(fù)爆炸載荷下復(fù)合材料板的響應(yīng)規(guī)律,并將劍麻纖維復(fù)合材料與玻璃纖維基復(fù)合材料進(jìn)行對比,劍麻纖維基材料在爆炸載荷沖擊過程中吸收的內(nèi)能比玻璃基材料少,但較低的密度使其具有比較廣闊的應(yīng)用前景。Mohammad Rezasefat等[42]研究了重復(fù)局部脈沖載荷對多層圓板結(jié)構(gòu)性能和動態(tài)響應(yīng)的影響,針對單片、雙層、三層等面積密度板結(jié)構(gòu),連續(xù)加載5次,分析其動態(tài)響應(yīng)規(guī)律,得到對于相同材料制成的結(jié)構(gòu),層數(shù)的增加會導(dǎo)致中心永久撓度值的增加和結(jié)構(gòu)的抗彎能力的降低的結(jié)論,同時(shí),隨著爆炸次數(shù)的增加,耗散能與總外部功的比值降低,并且在多層結(jié)構(gòu)中,該比值小于單片板。5次爆炸載荷下板的永久變形如圖5所示。

圖5 5次爆炸載荷下板的永久變形

針對建筑物等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的研究,李本平[43]利用任意Lagrange-Eular計(jì)算方法,建立制導(dǎo)導(dǎo)彈侵徹混凝土重力壩的全過程仿真模型,分析了2次導(dǎo)彈打擊下重力壩的毀傷結(jié)果,并與首次打擊的破壞效果進(jìn)行對比,得出首次打擊造成的破壞使后續(xù)打擊的毀傷效果增強(qiáng)的結(jié)論。李恩奇等[44]提出了考慮倒塌因素、單彈毀傷后建筑物的變形和構(gòu)件承載力變化等因素的多彈累積毀傷效應(yīng)模型,給出了建筑物倒塌算法和毀傷程度評估方法,并借助有限元重復(fù)建模的方法通過對建筑物的爆炸毀傷模擬和倒塌后的毀傷程度評估,確定建筑物的破壞區(qū)域,研究建筑物多彈重復(fù)打擊毀傷效果。陳旭光等[45]針對典型混凝土框架結(jié)構(gòu)累積毀傷效應(yīng)中存在的問題,從侵徹路徑快速預(yù)測、載荷特性分析、累積破壞特性和累積毀傷評估等方面進(jìn)行研究,實(shí)現(xiàn)了典型建筑物累積毀傷效應(yīng)的快速評估。

總的來說,針對構(gòu)件和結(jié)構(gòu)在爆炸載荷作用下的毀傷效應(yīng)研究,多集中在單次爆炸的響應(yīng)規(guī)律和破壞效果,并取得了大量研究成果,但協(xié)同爆炸后構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的響應(yīng)規(guī)律、毀傷機(jī)制以及毀傷評估手段研究的相關(guān)文獻(xiàn)較少,迫切需要進(jìn)行深入的研究。

2.3 多毀傷元復(fù)合毀傷形式

針對沖擊波的累積毀傷,不僅有多次沖擊波的累積作用,密閉空間內(nèi)單次爆炸會使沖擊波產(chǎn)生多次反射。文獻(xiàn)[46-47]對封閉空間內(nèi)爆炸沖擊波的多次反射累積作用進(jìn)行了研究,通過理論分析和數(shù)值模擬對船體殼體進(jìn)行研究,分析了爆炸載荷作用于艦艇內(nèi)壁的特性和艦船殼體的響應(yīng)規(guī)律,結(jié)果表明,裝藥在結(jié)構(gòu)幾何中心爆炸時(shí),容器的外殼受到4次激波脈沖,且后續(xù)激波強(qiáng)度可能超過第一脈沖,同時(shí),結(jié)構(gòu)響應(yīng)的過程中存在非線性模態(tài)耦合,導(dǎo)致應(yīng)變增加。

部分學(xué)者針對協(xié)同爆炸累積毀傷開展了多毀傷元復(fù)合毀傷形式的研究。文獻(xiàn)[48]以艦船的多層防護(hù)結(jié)構(gòu)為目標(biāo),設(shè)計(jì)了一種4層裝藥金屬套管的保護(hù)結(jié)構(gòu)模型,通過數(shù)值方法確定了載荷和破片的分布,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,分析加筋板在沖擊波和破片作用下的響應(yīng)規(guī)律,給出了沖擊波和破片協(xié)同作用下多層防護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞規(guī)律。夏冰寒等[49]使用預(yù)制破片縮比戰(zhàn)斗部,結(jié)合無量綱分析和爆炸驅(qū)動理論,研究了沖擊波和破片作用的時(shí)序問題,并推廣預(yù)測原戰(zhàn)斗部破片與沖擊波的作用時(shí)序,分析縮比比例對作用時(shí)序的影響。田力等[50]通過仿真計(jì)算,研究了預(yù)應(yīng)力混凝土T形梁在破片與沖擊波聯(lián)合作用下的響應(yīng)規(guī)律及損傷,與沖擊波、破片單獨(dú)作用進(jìn)行對比,研究張拉控制應(yīng)力、配筋率、抗壓強(qiáng)度、炸藥比例距離等因素對T形梁損傷結(jié)果的影響。侯俊亮[51]、張成亮[52]、侯海量[53]等人針對爆炸沖擊波和高速破片對不同的板材結(jié)構(gòu)的毀傷特性進(jìn)行研究,分析了沖擊波與破片聯(lián)合作用下夾層結(jié)構(gòu)、固支方板、夾芯符合艙壁結(jié)構(gòu)的毀傷特性,研究了破片和沖擊波2種毀傷元耦合作用機(jī)理。文獻(xiàn)[54]采用了一種簡化的浮動細(xì)長結(jié)構(gòu)來研究艦船的動力性能,分析了該結(jié)構(gòu)在水下爆炸沖擊波載荷和氣泡載荷聯(lián)合作用下的變形和破壞機(jī)理,討論了爆距和裝藥量對開放式細(xì)長漂浮結(jié)構(gòu)的變形和破壞特性的影響,當(dāng)裝藥量增加,爆炸距離較小時(shí),該簡化結(jié)構(gòu)發(fā)生縱向彎曲破壞,中間區(qū)域產(chǎn)生塑性鉸。王梓昂等[55]通過分析TNT和溫壓炸藥在圓筒裝置內(nèi)爆炸時(shí)的沖擊波載荷傳播和分布規(guī)律,對比了2種炸藥的超壓和沖量特性,同時(shí),圓筒裝置內(nèi)爆炸時(shí),沖擊波會產(chǎn)生多波形疊加,疊加效應(yīng)隨爆心距離的增加而增強(qiáng)。

在協(xié)同爆炸累積毀傷的相關(guān)研究中,關(guān)于多沖擊波聯(lián)合、沖擊波與破片聯(lián)合、水下爆炸沖擊波與氣泡聯(lián)合毀傷的相關(guān)研究均取得一定的成果,對于實(shí)際作戰(zhàn)具有重要的參考和指導(dǎo)意義。

3 協(xié)同爆炸仿真技術(shù)研究

協(xié)同爆炸過程中,由于爆炸時(shí)序的差異,會導(dǎo)致多彈爆炸時(shí)產(chǎn)生不同的協(xié)同模式,使協(xié)同過程十分復(fù)雜,研究難點(diǎn)較多。目前對于協(xié)同爆炸的研究多數(shù)基于理論與仿真手段進(jìn)行探索性研究,以試驗(yàn)對仿真工況進(jìn)行驗(yàn)證。

針對協(xié)同爆炸的毀傷元耦合規(guī)律及載荷情況,徐勝利等[56]通過三維全N-S方程,利用二階迎風(fēng)TVD格式,研究了貼地、近地等爆源位置的云霧爆炸場的相互作用,提出了多爆源爆炸沖擊波的傳播規(guī)律和爆炸場分布的獲取方法。盛振新等[22]利用AUTODYN軟件對水下爆炸沖擊波的相互作用進(jìn)行仿真計(jì)算,獲取了同時(shí)起爆與不同間隔時(shí)間起爆情況下,兩裝藥在水下爆炸的沖擊波峰值壓力,與單發(fā)炸藥的沖擊波峰值壓力進(jìn)行對比。結(jié)果表明,同時(shí)起爆情況下,爆炸產(chǎn)生的氣泡會使沖擊波衰減;間隔起爆時(shí),先起爆炸藥的氣泡會使其較近處的后起爆炸藥的沖擊波衰減,沖擊波的傳播速度減慢;后起爆的炸藥使其較近處的先起爆炸藥沖擊波增強(qiáng),傳播速度變快。余俊等[29]針對水下多點(diǎn)爆炸的沖擊波載荷特性進(jìn)行了理論計(jì)算和數(shù)值模擬研究,分析得兩爆源對稱面上的壓力增大,并驗(yàn)證了沖擊波壓力的雙峰現(xiàn)象,給耦合沖擊波的威力評估和防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。胡俊波等[57]通過擬合沖擊波逸散能量,利用逸散能量密度和衰減系數(shù),給出了兩裝藥延時(shí)起爆時(shí)沖擊波載荷的計(jì)算方法,并引入一種沖擊因子,提出了水下目標(biāo)在兩裝藥延時(shí)起爆作用下的毀傷評估方法。張阿漫等[58]基于邊界積分法,假設(shè)氣泡周圍流場為理想流體,模擬了流場中氣泡的運(yùn)動,開發(fā)了三維計(jì)算程序,并用該方法模擬了近自由面的同相、異相氣泡的相互作用。計(jì)算發(fā)現(xiàn)多氣泡之間存在抑制效應(yīng),即氣泡周期隨中心距離的減小而增大,導(dǎo)致了同相、異相氣泡耦合作用的特性存在較大差異。

以板、梁等簡單結(jié)構(gòu)為目標(biāo),通過仿真計(jì)算獲取其在協(xié)同爆炸作用下的響應(yīng)規(guī)律,對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的研究具有指導(dǎo)作用。李允忠等[59]基于ANSYS/LS-DYNA中的重啟動功能,采用HJC本構(gòu)模型,研究了巖石在循環(huán)爆破載荷的累積作用下的損傷效應(yīng)。結(jié)果表明,多次爆破作用下的立即損傷曲線的總損傷區(qū)范圍增加,損傷增量與爆破次數(shù)非線性相關(guān)。張斐等[60]利用AUTODYN建立仿真模型,模擬分析45#鋼經(jīng)過多次水下爆炸加載的動態(tài)響應(yīng)過程,獲取了多次水下爆炸過程的載荷特性和鋼板的變形模式,分析討論了藥量總量一定時(shí),單次爆炸與多次爆炸對鋼板撓度值的影響。馬淑娜等[61]建立了3種典型的鋼筋混凝土梁模型,將爆炸載荷簡化為有升壓時(shí)間的三角形載荷,運(yùn)用仿真軟件計(jì)算并分析了2次加載后梁的響應(yīng)特性和破壞效應(yīng)。2次爆炸載荷作用時(shí),鋼筋混凝土梁的破壞模式主要為整體彎曲和局部剪切,跨中截面的塑性區(qū)范圍增加,產(chǎn)生大量的貫通裂縫,殘余應(yīng)變較單次加載大大增加。

針對復(fù)雜結(jié)構(gòu),仿真計(jì)算是研究其在爆炸載荷作用下的響應(yīng)規(guī)律的重要手段。董曉鵬等[62]模擬了柱承式網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在連續(xù)爆炸荷載作用下的響應(yīng)規(guī)律。首次爆炸使部分桿件失效,部分桿件屈服,結(jié)構(gòu)產(chǎn)生殘余變形,使2次加載時(shí)結(jié)構(gòu)的破壞效應(yīng)加劇。劉家綺等[63]以城市地鐵為研究對象,建立了地鐵隧道結(jié)構(gòu)模型,通過有限元分析軟件計(jì)算了多點(diǎn)爆炸時(shí)地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特性。結(jié)果表明,起爆點(diǎn)數(shù)量的變化對襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變影響較為顯著,但速度和加速度響應(yīng)的差別較小。襯砌結(jié)構(gòu)在多點(diǎn)爆炸荷載時(shí),拉力峰值與炸點(diǎn)間距、炸藥當(dāng)量正相關(guān),并通過非線性擬合,獲取了圓形襯砌結(jié)構(gòu)的拱頂、拱底等位置拉力峰值與藥量、炸點(diǎn)等因素的函數(shù)關(guān)系。陳旭光等[45]建立了4層鋼筋混凝土建筑物模型,計(jì)算2次侵爆作用下建筑的毀傷程度。打擊當(dāng)量相同時(shí),單次侵爆打擊的毀傷程度比多次小當(dāng)量更嚴(yán)重,侵爆位置不同,造成的毀傷結(jié)果也不同。

協(xié)同爆炸仿真主要進(jìn)行協(xié)同爆炸作用下目標(biāo)結(jié)構(gòu)毀傷效果的研究,建立相關(guān)的物理模型,對毀傷結(jié)果進(jìn)行預(yù)估,分析研究不同協(xié)同方式下多彈爆炸的威力和目標(biāo)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和毀傷效果,對多彈協(xié)同爆炸的毀傷機(jī)理研究有著重要的意義。

4 結(jié)語及展望

現(xiàn)階段,由于多彈協(xié)同作戰(zhàn)過程中多毀傷元相互耦合的復(fù)雜性,研究難點(diǎn)多,對多彈協(xié)同爆炸的威力場及毀傷效應(yīng)研究尚不成熟,已有的研究成果不足以支撐多彈協(xié)同打擊方案的制定,還存在許多問題需要進(jìn)一步研究。

1) 多毀傷元耦合特性研究。多彈協(xié)同作戰(zhàn)時(shí),多毀傷元之間相互耦合,對于目標(biāo)的毀傷效果增強(qiáng),但耦合后毀傷元的特性不明,爆炸參數(shù)對耦合特性的影響規(guī)律研究不足,量化表征耦合關(guān)系的方法缺乏等問題,限制了多彈協(xié)同打擊的進(jìn)一步研究。因此,需要從沖擊波入手,基于沖擊波傳播特性的已有研究成果,開展多沖擊波耦合特性相關(guān)研究,獲取耦合沖擊波的傳播規(guī)律,分析不同因素對耦合沖擊波的傳播規(guī)律影響。再基于多沖擊波耦合的研究,開展后續(xù)其他毀傷元的耦合特性研究。

2) 協(xié)同爆炸耦合沖擊波作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)機(jī)制。研究耦合沖擊波作用下目標(biāo)的動態(tài)響應(yīng)規(guī)律對于工程應(yīng)用具有重要意義。沖擊波在傳播過程中相互作用,使耦合后沖擊波的正壓作用時(shí)間、作用區(qū)域范圍、峰值超壓等傳播特性發(fā)生變化。耦合沖擊波作用在目標(biāo)上時(shí),目標(biāo)會產(chǎn)生與單次沖擊波打擊不同的響應(yīng)特性。目前對于不同目標(biāo)在耦合沖擊波作用下的響應(yīng)規(guī)律研究不足,難以在工程應(yīng)用的過程中針對特定目標(biāo)制定具體打擊方案;耦合沖擊波對目標(biāo)結(jié)構(gòu)的毀傷機(jī)制尚不明確,限制了毀傷評估手段的發(fā)展,難以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)毀傷結(jié)果的精準(zhǔn)預(yù)判。因此,需要開展耦合沖擊波作用下目標(biāo)的響應(yīng)研究,針對不同目標(biāo)研究不同爆炸因素對響應(yīng)特性的影響規(guī)律,為后續(xù)毀傷評估方法研究、工程應(yīng)用等提供參考數(shù)據(jù)。

3) 載荷、響應(yīng)耦合時(shí)結(jié)構(gòu)毀傷研究。協(xié)同爆炸對目標(biāo)進(jìn)行毀傷時(shí),不僅會產(chǎn)生多毀傷元之間的耦合,同時(shí)也會產(chǎn)生載荷及響應(yīng)耦合。多個(gè)毀傷元依次打擊在目標(biāo)上時(shí),由于毀傷元作用的時(shí)間間隔不同,會產(chǎn)生載荷或響應(yīng)耦合。多數(shù)學(xué)者對于累積毀傷的研究主要集中在仿真計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果分析,缺少累積變形機(jī)理和表征累積毀傷效應(yīng)的相關(guān)研究。針對累積毀傷的研究,要在單次打擊的研究基礎(chǔ)上,針對構(gòu)建結(jié)構(gòu)累積響應(yīng)模型,完善累積毀傷效應(yīng)評估準(zhǔn)則等方面進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

4) 協(xié)同打擊下結(jié)構(gòu)毀傷程度的量化評估方法?，F(xiàn)有的毀傷評估手段主要以單發(fā)彈藥打擊時(shí)的毀傷效果為主,對于多彈協(xié)同作戰(zhàn),由于缺乏對耦合毀傷元作用下目標(biāo)毀傷和響應(yīng)規(guī)律研究,缺少協(xié)同打擊時(shí)毀傷效應(yīng)的表征方法,制約了多彈協(xié)同打擊效果評估方法的發(fā)展。針對此問題,從發(fā)展耦合沖擊波毀傷效果評估方法入手,選取合適的表征參量,研究量化耦合沖擊波毀傷結(jié)果的方法。同時(shí)結(jié)合耦合沖擊波作用下不同目標(biāo)響應(yīng)特性的研究,獲取不同破壞模式、破壞程度與特征參數(shù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系,建立量化耦合沖擊波毀傷效果的經(jīng)驗(yàn)公式。

本文中針對協(xié)同爆炸的沖擊波傳播規(guī)律、結(jié)構(gòu)響應(yīng)、毀傷效應(yīng)及仿真研究方法,綜述了國內(nèi)外目前針對協(xié)同爆炸毀傷效應(yīng)的相關(guān)研究。對于不同目標(biāo)在單次打擊下的毀傷效果,國內(nèi)外已取得了大量的研究成果并有效地應(yīng)用到實(shí)際作戰(zhàn)過程中[64-66]。但針對多彈協(xié)同打擊的相關(guān)研究剛剛起步,由于毀傷元、載荷、響應(yīng)之間存在三重耦合,毀傷過程復(fù)雜,影響參量眾多,存在諸多難題,尚無法成熟應(yīng)用,存在許多問題需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。