水声干扰子弹威力分析

孙钟阜, 盛振新, 刘荣忠, 郭 锐



水声干扰子弹威力分析

孙钟阜1, 盛振新2, 刘荣忠2, 郭 锐2

(1. 中国人民解放军海军驻上海地区水声导航系统军事代表室, 上海, 201108;2. 南京理工大学 机械工程学院, 江苏 南京, 210094)

为了研究壳体厚度和材料对水声干扰子弹威力的影响, 在Cole水下爆炸冲击波经验公式的基础上, 利用AUTODYN仿真程序对水声干扰子弹水下爆炸进行模拟, 分析了子弹壳体厚度和材料对水下爆炸声压级的影响, 仿真结果表明, 水下爆炸声压级随着壳体厚度的增加先升高后降低; 壳体材料的屈服应力越大, 水下爆炸声压级越高。仿真结果为工程应用提供理论参考。

水声干扰子弹; 带壳装药水下爆炸; 水下爆炸声压级; 壳体厚度和材料

0 引言

宽带噪声干扰器和连续爆炸式水声干扰弹均为软杀伤式反鱼雷的有效手段。文献[1]对两者的优缺点进行了对比, 宽带噪声干扰器电声效率低, 而连续爆炸式水声干扰弹产生的声信号频率分布宽, 且声功率高。试验表明, 小量含能材料的水下爆炸声源级可达200dB以上[1]。

水声干扰弹由若干个爆炸子单元组成, 利用爆炸子单元产生的声信号作为干扰声来对抗鱼雷。由于爆炸子单元外层有壳体包覆, 壳体材料和厚度会对爆炸冲击波产生影响, 进而影响声信号的声压级, 而声压级是衡量水声干扰弹的主要指标。文献[2]分析了壳体厚度对水下爆炸冲击波峰值大小的影响, 文献[3]研究了壳体厚度对空气爆炸冲击波的影响, 文献[4]研究了不同壳体材料对空气爆炸冲击波的影响, 文献[5]给出了带壳装药水下爆炸冲击波峰值压力的拟合公式, 并分析了冲击波峰值压力随壳厚和爆炸深度的变化规律。本文在前人工作的基础上, 利用AUTODYN对水下爆炸进行仿真, 得到了3种壳体材料情况下, 距爆心1 m处的冲击波峰值压力, 将其换算为声压级, 分析了壳体材料和厚度对水下爆炸声压级的影响。

1 Cole水下爆炸冲击波经验公式

水下爆炸所产生的冲击波压力可以通过Cole和Zamyshlyyayev总结的水下爆炸冲击波经验公式进行计算。对于TNT球形裸装炸药, 水下爆炸所产生的冲击波压力经验公式为[6]

图1 典型爆炸冲击波曲线

Fig. 1 Typical curve of shock wave

2 仿真模型的建立

文中针对无限水域中水下爆炸问题, 采用AUTODYN有限元软件, 建立一维WEDGE有限元计算模型, 模型如图2。模型中, 水域长3000 mm, 设置网格数为6000, TNT球形装药半径为20 mm, 质量为54.62 g。水的状态方程采用SHOCK状态方程, 炸药采用JWL状态方程, 壳体材料采用SHOCK状态方程[6-7]。

2.1 水的SHOCK状态方程

水的SHOCK状态方程为

其中

2.2 炸药的JWL状态方程

式中:为压力;为相对体积;为内能;和为材料参数;1,2和为常数。取0=1.63 g/cm3,=6 930 m/s,P=2.1´1010Pa,=3.172´1011Pa,=3.23´109Pa,1=4.15,2=0.95,=0.30, 初始内能0=4.29´106J/kg。

2.3 材料参数

文中用到的壳体材料有Steel, Copper和Al, 具体材料参数参考文献[7]。

3 壳体厚度对水下爆炸声压级的影响

从表1可以看出, 带壳装药水下爆炸声压级比裸装炸药的水下爆炸声压级高, 随着壳体厚度的增加, 水下爆炸声压级先增大后减小。由于壳体对冲击波能量的累积作用, 冲击波压力峰值随着壳体厚度的增加而增大, 但达到一定厚度后, 大部分能量被壳体的熔化和撕裂吸收, 释放出的能量减小, 冲击波压力峰值减小, 相应的水下爆炸声压级先增大后减小, 与文献[5]的结论一致。

表1 壳体厚度对应的爆炸冲击波压力峰值和声压级

4 壳体材料对水下爆炸声压级的影响

炸药爆炸过程中, 壳体膨胀断裂。在同样壳体厚度的情况下, 由于壳体材料的不同, 拉伸应力不同, 所产生的压力峰值也不同, 则水下爆炸声压级也不同。为了分析壳体材料对无限水域爆炸冲击波压力峰值的影响, 壳体材料分别采用Steel, Copper和Al, 壳体厚度取0.5 mm, 利用AUTODYN进行仿真计算, 测量地点为距离爆心1m处。不同壳体材料的力学性能和对应的爆炸冲击波压力峰值和声压级见表2。

表2 不同壳体材料1m处峰值压力和声压级

总的来说, 壳体的拉伸应力越大, 壳体对冲击波能量的累积作用越大, 释放出的能量越大, 即冲击波压力峰值越大, 水下爆炸声压级也越高。

5 结论

利用AUTODYN对水声干扰子弹爆炸冲击波进行仿真分析, 探讨了壳体厚度和材料对水下爆炸声压级的影响, 得出如下结论: 1) 带壳装药水下爆炸时, 声压级受到壳体厚度的影响。由于壳体对冲击波能量的累积作用, 冲击波压力峰值随着壳厚的增加而增大, 但当到达一定厚度后, 大部分能量被壳体的熔化和撕裂吸收, 冲击波压力峰值减小, 所以, 水下爆炸声压级先升高后降低。仿真结果证明该转折是存在的。2) 壳体材料的不同对水下爆炸声压级也会产生一定影响, 材料不同时, 壳体厚度对冲击波压力峰值的影响规律相同; 带壳装药水下爆炸冲击波峰值压力的大小还与壳体材料的力学特性有关,壳体材料的屈服应力越大, 爆炸冲击波的压力峰值越大, 水下爆炸声压级也越高。

[1] 杨虎, 陈航, 诸国磊, 等. 连续爆炸式水声干扰弹对抗仿真系统开发研究[J].系统仿真学报, 2007,19(18): 4134- 4159. Yang Hu, Chen Hang, Zhu Guo-lei, et al. Research on Warfare Simulation System for Continuous Explosive Under- water Acoustic Decoy[J]. Journal of System Simulation, 2007, 19(18): 4134-4159.

[2] Li Yu-jie, Zhang Xiao-ci, Wang Jun, et al. Underwater Explosion of Shell and TNT Dynamite with a Metal Annular Gap[J]. Journal of Ship Mechanics, 2005, 9 (3): 118-125.

[3] 张奇, 覃彬, 孙庆云, 等. 战斗部壳体厚度对爆炸空气冲击波的影响[J]. 弹道学报, 2008, 20(2): 17-21. Zhang Qi, Tan Bin, Sun Qing-yun, et al. Influence of Thick- ness of Warhead Shell upon Explosive Shock Wave[J]. Journal of Ballistic, 2008, 20(2): 17-21

[4] 梁斌, 卢永刚, 杨世全, 等. 不同壳体装药爆炸威力的数值模拟及试验研究[J]. 火炸药学报, 2008, 31(1): 6-11. Liang Bin, Lu Yong-gang, Yang Shi-Quan, et al. Numerical Simulation and Experiment Investigation of Blast Effect of Explosive Charge with Different Shell Materials[J]. Chinese Journal of Explosives&Propellant, 2008, 31(1): 6-11.

[5] 盛振新, 刘荣忠, 郭锐. 壳体厚度和爆深对水下爆炸冲击波的影响[J]. 火炸药学报, 2011, 34(3): 45-47. Sheng Zhen-xin, Liu Rong-zhong, Guo Rui. Impact of Shell Thickness and Explosion Depth on Underwater Explosive Shock Wave[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellant, 2011, 34(3): 45-47.

[6] 肖秋平, 陈网桦, 贾宪振, 等. 基于AUTODYN的水下爆炸冲击波模拟研究[J]. 舰船科学技术, 2009, 31(2): 38-43. Xiao Qiu-ping, Chen Wang-hua, Jia Xian-zhen, et al. Nume- rical Study of Underwater Explosion Shock Wave Based on AUTODYN[J]. Ship Science and Technology, 2009, 31(2): 38-43.

[7] AUTODYN Theory Manual Version 4.3 [M]. Century Dynamic Corporation: USA, 2005.

Analysis on Power of Underwater Acoustic Interfere Munitions

SUN Zhong-fu1, SHENG Zhen-xin2, LIU Rong-zhong2, GUO Rui2

(1.Military Representative Office of Underwater Acoustic Navigation System of Navy in Shanghai Area, The People¢s Liberation Army of China, Shanghai 201108, China; 2. School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

To study the effects of shell thickness and material on power of underwater acoustic interfere munitions by AUTODYN software, based on the Cole′s underwater explosion empirical formula, the sound pressure level of shock wave created by underwater explosion of TNT with a metal shell is calculated for different thickness and material of the shell. Relations among the sound pressure level of shock wave, the shell thickness and the shell material are analyzed. Simulation results show that the sound pressure level of shock wave increases first and then decreases with the thickness; and the higher the yield stress of shell material, the higher the sound pressure level of shock wave.

underwater acoustic interfere munitions; underwater explosion of TNT with a metal shell; sound pressure level of underwater explosion; shell thickness and material

TJ410.1; O383.1

A

1673-1948(2012)01-0078-03

2011-09-23;

2011-11-03.

江苏省2011年度普通高校研究生科研创新计划资助项目(CXZZ11_0270).

孙钟阜(1965-), 男, 高级工程师, 主要研究方向为水声对抗.

(责任编辑: 许 妍)