水下目标爆炸毁伤时战斗部相似律仿真与试验

鲁忠宝, 南长江, 步相东



水下目标爆炸毁伤时战斗部相似律仿真与试验

鲁忠宝, 南长江, 步相东

(中国船舶重工集团公司第705研究所, 陕西 西安, 710075)

在进行水中兵器战斗部对目标的爆炸毁伤试验时, 为了确定能否由缩比战斗部对目标的毁伤效应推广预测原型战斗部, 根据相似理论首先确立了战斗部尺寸、冲击波测点距离以及靶板距离采用相同缩比时的几种研究模型, 然后通过数值仿真结合水下爆炸试验测试的方法, 计算了冲击波压力与靶板应变, 并进行了比较分析。结果表明, 各研究模型的仿真结果与试验结果吻合较好, 各模型对应的冲击波压力与靶板应变之间的偏差都很小, 说明满足相似律的缩比模型能够预测原型战斗部对水下目标的爆炸毁伤特性。本文结论为战斗部水下爆炸的威力评估提供了依据。

水中兵器; 水下爆炸; 战斗部; 毁伤效应; 相似律

0 引言

在水中兵器战斗部技术研究中, 战斗部对目标的毁伤威力评估是一项重要研究内容, 在相关技术的研究中, 通常采用数值仿真结合水下爆炸试验的方式来开展。随着现代计算机辅助工程技术的飞快发展, 在进行战斗部水下爆炸对目标的毁伤研究时, 可以采用有限元分析软件建模计算, 对试验结果进行预估, 提高工作效率, 但随后仍然需要进行相应的爆炸试验, 对结果进行综合分析才具有足够的说服力。然而在水下爆炸毁伤试验中, 水下目标尤其是舰船, 采用真实模型费用大, 不易实施, 需要进行水下目标缩比模型的相似律研究, 国内也有相关的研究成果[1]。但对于战斗部, 尤其是水中兵器的1:1大口径战斗部的水下爆炸试验, 对场地要求很高, 而且操作困难, 耗资巨大, 而水下战斗部的尺度效应研究还不够充分。

对于水下爆炸冲击波, 依据有关文献[2]可知, 当一定尺寸的装药在水中爆炸后, 在距离爆炸源处进行压力测量, 然后再做出装药的全部线性尺寸变化倍的新试验, 若用来测量冲击波压力及其他特征的长度和时间的比例尺与装药尺寸均增加相同的倍数, 则所测特性将基本不变。由相关论文[3]也可得知, 水下爆炸冲击波符合相似律。但水下爆炸对目标的毁伤规律十分复杂, 不同尺度的战斗部爆炸毁伤效应规律更未深入研究, 如果相同的目标距战斗部的距离与装药尺寸采用相同的缩比时, 目标靶的毁伤效果相近, 则可以认为战斗部水下爆炸对目标的毁伤基本满足相似规律, 这样在进行水下战斗部对目标尤其是鱼雷等小型水下目标的毁伤威力评估时, 可以直接采用真实的目标模型, 作用距离与装药尺寸采用相同的缩比来进行研究。为探索是否存在这一规律, 就需要开展水下战斗部对目标爆炸毁伤时的相似规律研究。

1 研究模型的建立

研究模型见图1所示, 战斗部样弹中心点、冲击波压力测点、目标靶板中心点均位于水下同一水平面内, 目标靶板位于冲击波压力测点相对一侧, 靶板四角固支。冲击波压力测点距样弹中心的距离为1,2,3, 目标靶表面距样弹中心的距离为, 战斗部样弹为圆柱形×。

图1 水下战斗部爆炸毁伤尺度效应研究模型示意图

为便于研究, 目标靶板选择45号钢, 其长、宽、厚为600 mm×600 mm×6 mm, 在目标靶板背面中心线上均匀布置3处应变测点, 每处测点进行正交2个方向的应变测试, 目标靶板上应变片布置情况如图2所示。每个模型中采用相同的目标靶板与测点。战斗部样弹选择复合炸药。

图2 应变测试布设图

战斗部尺寸、冲击波压力测点、目标靶板距战斗部样弹距离采用相同的缩比尺度, 研究模型1:=100 mm,=120 mm,1=1 m,2=1.6 m,3=3 m,=1 m; 研究模型2:=75 mm,=90 mm,1=0.75 m,2=1.2 m,3=2.25 m,=0.75 m; 研究模型3:=50 mm,=60 mm,1=0.5 m,2=0.8 m,3=1.5 m,=0.5 m。

2 仿真计算

当今有限元分析软件在爆炸领域中得到了广泛应用, 其中ANSYS/LS_DYNA强大的ALE和Euler算法及炸药的材料与状态方程广泛地应用于各种水下爆炸分析中, 可以较为真实地模拟炸药水下爆炸对目标毁伤作用的全过程, 相关资料表明[4], ANSYS/LS-DYNA在水中爆炸分析中有很多成功的案例。在开展试验之前进行相应的仿真研究, 可以对试验结果进行预估, 完善试验方案, 提高效率。

目标靶板选用各项同性随动强化的弹塑性金属材料模型(MAT_PLASTIC_KINEMATIC), 其密度=7.83×103kg/m3, 弹性模量=210 GPa, 泊松比=0.3, 屈服应力=0.5 GPa; 水选用空白材料模型(NULL), 状态方程为EOS_ GRUNEISEN, 其密度为=1.025×103kg/m3;炸药选用的高能炸药燃烧与增长模型(MAT_HIGH_ EXPLOSIVE _BURN), EOS_JWL状态方程, 其密度=1.7×103kg/m3, 爆速=7 980 m/s, 爆压P=29.5 GPa, 各材料模型与状态方程中参数的意义与取值可见相关手册[5]。各部分模型均采用SOLID164实体单元类型, 对结构(目标靶板)选取Lagrange算法, 对流体(水和炸药)选取Euler/ALE算法, 通过关键字*CONSTRAINED_ LAGRANGE_IN_SOLID实现流固耦合。对1/2的3D模型施加对称面约束来取代整个模型进行计算。设置炸药的中心点为起爆点。另外在有限的水单元的边界上定义压力流出边界条件(由关键字*BOUNDARY_ PRESSURE _OUTFLOW_SET设定)来模拟无限水域, 使计算结果更准确。所建立的某一研究模型的有限元模型见图3所示。有关算法及其实现方法可参见文献[6]。

图3 有限元仿真模型

对各个研究模型仿真计算后可得到水中各点冲击波压力曲线、靶板的变形效果、靶板上各点的应变值。其中研究模型3中的冲击波曲线见图4所示, 靶板毁伤效果见图5所示, 各点竖直方向应变曲线见图6所示。所有仿真计算结果统计见表1所示。

3 试验测试

按照上述建立的研究模型, 加工了试验样弹, 目标靶板, 试验支架, 测试电缆等, 在爆炸水池中进行爆炸毁伤试验, 采用压力测试系统与应变测试系统对各个研究模型中的测点参数进行了测试记录。每一种研究模型进行了3次爆炸试验。

加工好的试验样弹见图7所示; 粘贴应变片的目标靶板见图8所示; 压力传感器采用美国PCB公司生产的138A25及138A10传感器, 结合PCB公司482A22型适配器连接示波器形成压力测试系统; 采用日本株式会社东京测器研究所的YEFLA-5型应变片, 桥盒和国产YE3818C型应变仪连接示波器形成应变测试系统。为了在水下布放时, 保证试验样弹、传感器测点、靶板的相对位置, 专门加工试验支架以方便定位, 试验支架见图9所示。

图4 研究模型3中的各点冲击波压力计算曲线

图5 研究模型3中的t=240 μs时靶板应力计算云图

图6 研究模型3中的靶板各点应变计算曲线

表1 仿真计算结果统计表

对各个研究模型的3次试验过程中各点冲击波压力曲线、靶板的变形效果、靶板上各点的应变曲线进行测试记录。其中研究模型2中的某一次爆炸测试中冲击波曲线见图10所示, 靶板变形效果见图11所示。剔除试验结果中的奇异值之后, 形成的所有试验结果的均值统计见表2。

图7 试验样弹

图8 粘贴应变片的靶板

图9 试验支架

图10 研究模型2中测点X1处各传感器冲击波实测曲线

图11 研究模型2中目标靶板实测破坏情况

4 结果分析

针对以上的研究模型, 采用数值仿真以及试验测试的方式, 得到了各个研究模型中的冲击波压力曲线及其峰值, 靶板的应变曲线及其最大应变。图4与图10中的曲线以及图6与试验测得的曲线波形十分相似, 表1与表2中对应的结果也比较接近, 这均表明, 本文得到的结果是具有可信度的。

对表1及表2中的数据进行比较可知, 对于相同的目标靶板, 战斗部尺寸、冲击波压力测点, 目标靶板距战斗部样弹距离采用相同的缩比尺度, 对应点所得的冲击波压力峰值、最大应变值均较为接近。这表明, 战斗部水下爆炸时, 不仅爆炸威力参数满足几何相似规律, 战斗部对目标的爆炸毁伤效应也基本满足相似规律。

如果以最大尺度的研究模型1为参照, 可以计算得缩比之后的研究模型2与研究模型3在对应尺度距离处结果的相对偏差, 见表3所示。由表3中的对比关系可以看出, 各相应测点的冲击波压力峰值的偏差都很小, 最大才7.6%, 这表明, 当战斗部尺寸以及距战斗部中心距离按照相同的比例缩放之后, 所测量的冲击波压力基本不变。由表3还可看出, 各相应测点的应变偏差也都很小, 基本都在12%以内, 这表明, 当战斗部尺寸以及靶板距战斗部中心距离按照相同的比例缩放之后, 相同位置所测的应变值十分接近。由分析可知, 选择真实尺寸战斗部的缩比模型进行威力试验, 不仅冲击波压力参数符合相似律, 而且对目标的毁伤效应也基本满足相似律, 在进行真实战斗部对目标的毁伤研究时, 采用缩比战斗部进行水下爆炸毁伤试验是可行的。

表2 试验测试结果均值统计表

表3 以研究模型1为参照时缩比模型所得结果的相对偏差绝对值

5 结束语

本文采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA, 对战斗部尺寸、冲击波压力测点距离, 靶板距离采用不同的缩比尺度时, 各点冲击波压力及相同靶板的应变进行了仿真计算, 随后开展了相同模型的水下爆炸试验, 计算结果与试验结果吻合, 具有可信度。由研究结果的分析得出, 对于相同的目标靶板, 战斗部尺寸、冲击波压力测点距离, 目标靶板距离采用相同的缩比尺度时, 冲击波压力参数以及对目标的毁伤效应都符合相似律, 说明了由缩比模型的战斗部毁伤试验可以较为准确地预测真实战斗部对目标的毁伤情况。

通常的水下目标结构十分复杂, 大都包含电子功能件, 要将战斗部对水下目标的爆炸毁伤进行较为全面的评价, 应涉及应力、应变、冲击加速度等更多方面的响应, 而本文的目标靶板结构简单, 也只是测试了应变, 因此, 后续还需选择更为复杂的水下目标, 进行更多的动态响应的研究, 进一步验证相似律在战斗部对目标毁伤中的适用准确性。另外, 本文的战斗部为典型的爆破战斗部, 其他类型的战斗部有不同的杀伤元素, 对目标的毁伤效应是否符合相似律还有待进一步研究。

[1] 李海涛. 船体梁在近距爆炸冲击波作用下动态响应的相似律研究[J]. 振动与冲击, 2010, 29(9): 28-32. Li Hai-tao. Similarity Law for Dynamic Response of Hull Girder Subjected to Underwater Explosion in Near Field[J]. Journal of Vibration and Shock, 2010, 29(9): 28-32.

[2] 崔秉贵. 目标毁伤工程计算[M]. 北京:北京理工大学出版社, 1995.

[3] 冯麟涵. 弹塑性结构水下爆炸相似律研究[J]. 中国舰船研究, 2010, 5(5): 1-5. Feng Lin-han. Investigation on the Similarity Criterion of Elastic-Plastic Structures Subjected to Underwater Explo- sion[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2010, 5(5):1-5.

[4] 张胜民. 基于有限元软件ANSYS7.0的结构分析[M]. 北京:清华大学出版社, 2003.

[5] ANSYS公司. ANSYS/LS-DYNA User′s Manual[M], USA: ANSYS公司, 2003.

[6] ANSYS股份有限公司北京办事处. ANSYS/LS-DYNA算法基础和使用方法[M], 北京: ANSYS股份有限公司北京办事处, 2000.

Simulation and Experimentation on the Similarity Law of Warhead for Destroying Underwater Target

LU Zhong-bao, NAN Chang-jiang, BU Xiang-dong

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China)

To learn if damage effect of a scale-down torpedo warhead can be used to predict that of a prototype warhead for destroying underwater target, based on the similarity theory, some models are established with same scales in warhead size, testing distance of shock wave, and distance of target plate. The shock wave pressure and target plate strain are calculated and compared by simulation and underwater explosion experiment. The calculation and experiment results coincide well, and the deviations of corresponding shock wave pressure and target plate strain of the models are very small, which indicates that the scale-down models following the similarity law can accurately predict the destroy characteristics of the prototype warhead against underwater target. This study may provide a basis for the power evaluation of underwater warhead.

underwater weapon; underwater explosion; warhead; damage effect; similarity law

TJ410.33; TQ56

A

1673-1948(2012)01-0069-05

2011-05-19;

2011-07-18.

国防科技预研基金项目(101060301).

鲁忠宝(1978–), 男, 硕士, 主要从事水中兵器战斗部的研究与设计.

(责任编辑: 许 妍)