反鱼雷鱼雷战斗部对来袭鱼雷爆炸毁伤效应仿真

刘 锐, 鲁忠宝, 王明洲



反鱼雷鱼雷战斗部对来袭鱼雷爆炸毁伤效应仿真

刘 锐, 鲁忠宝, 王明洲

(中国船舶重工集团公司 第705研究所, 陕西 西安, 710075)

为了获得反鱼雷鱼雷(ATT)战斗部水中爆炸对来袭鱼雷的毁伤效应, 以ANSYS LS- DYNA有限元分析软件为平台, 对ATT攻击对象(来袭鱼雷)进行了较为系统的建模, 并采用流固耦合算法针对ATT战斗部在不同距离、不同角度下对来袭鱼雷的爆炸毁伤效应进行了仿真计算, 得出了ATT战斗部的毁伤半径、来袭鱼雷的毁伤判据以及ATT对来袭鱼雷的毁伤规律。仿真结果表明, 在水中爆炸作用下, 来袭鱼雷燃料舱段壳体较其他部分壳体更易发生变形或破裂。该研究可为鱼雷的毁伤效应评定及ATT战斗部研究提供参考。

反鱼雷鱼雷; 来袭鱼雷; 水中爆炸; 流固耦合; 毁伤半径

0 引言

要得到较为准确的反鱼雷鱼雷(anti-torpedo torpedo, ATT)战斗部对来袭鱼雷爆炸毁伤效应的仿真结果，需要从以下几方面入手。首先, 要建立较为准确的来袭鱼雷有限元计算模型、ATT战斗部炸药模型和水介质模型; 其次, 要采取合适的算法, 本文主要涉及的是水中爆炸冲击波对来袭鱼雷整体结构的动态响应问题, 所以采用流固耦合算法;第三, 实际作战中雷目均为高速小目标, 交会姿态十分复杂, 通过计算多种工况下ATT战斗部对来袭鱼雷的爆炸毁伤效应仿真计算模型, 使得仿真工作更为实际和全面; 最后, 来袭鱼雷在ATT战斗部爆炸作用下的毁伤包括来袭鱼雷结构的破坏及来袭鱼雷内部设备的损坏, 这些都有可能导致来袭鱼雷丧失作战能力, 因此需要从外部结构和内部设备2个方面对来袭鱼雷的毁伤效应进行考察, 使得计算结果的分析更为合理, 得到来袭鱼雷的毁伤判据、ATT的毁伤半径及对来袭鱼雷的毁伤规律更为准确。

1 有限元模型的建立

1.1 来袭鱼雷的有限元模型

对来袭鱼雷结构进行简化分析, 建立的来袭鱼雷几何模型主要包括鱼雷壳体、雷头橡胶、战斗部装药、雷尾壳体、鳍、舵、轴、配重梁及其他等效结构, 对各部分选取合适的密度、弹性模量、泊松比等材料参数进行网格划分, 形成来袭鱼雷有限元模型。

1.2 炸药和水介质有限元模型

为了保证网格质量, 建模时炸药和水介质均使用映射网格建模, 结合工况特点(见图1), 将水域建成圆柱体几何模型, 这样不仅有利于炸药和水域映射网格的划分, 提高计算的精度和效率, 而且在计算不同工况时, 只需要在圆柱体水域内变换来袭鱼雷的距离和角度, 而不用对炸药和水域重新建模, 大大提高了工作效率。此外, 根据计算工况对称性的特点, 炸药和水介质采用四分之一有限元建模, 大大减少了计算时间。

图1 ATT对来袭鱼雷毁伤示意图

在ANSYS LS-DYNA中, 炸药引爆以后, 其爆轰产物的压力根据标准JWL(Jone-Wilkins-Lee)炸药方程式(1)来模拟各种炸药爆炸过程, 它可以比较精确地描述爆轰产物的膨胀驱动做功过程[1]

式中:*=/0为爆轰产物的相对比容;为比热力学能;,,1,2,分别为JWL的5个待定参数。

根据ATT战斗部装药特点, 设定炸药的爆轰参数, 选取合适的,,1,2,值, 具体参数调整方法可参考文献[1]; 水介质可使用空白材料模型MAT_NULL, 采用Mie-Grüneisen状态方程。

1.3 ATT战斗部对来袭鱼雷爆炸毁伤的有限元模型

炸药在水中的爆炸过程是一个高速的化学变化过程, 加之水介质的流动性很大, 为了更好地模拟炸药水中爆炸冲击波的传播及对来袭鱼雷的毁伤效应, 炸药和水采用欧拉网格, 单元使用多物质任意拉格朗日-欧拉(arbitrary lagrange euler, ALE)算法, 来袭鱼雷采用拉格朗日网格, 在来袭鱼雷和水之间采用耦合算法, 这样就实现了流体-固体耦合的动态分析[2]。部分工况的有限元模型如图2所示。

图2 ATT战斗部对来袭鱼雷爆炸毁伤有限元仿真模型

2 仿真计算

2.1 水中冲击波仿真结果

水中爆炸经验公式[3]

其中:为爆炸距离, m;为TNT当量值, kg;和为参数。

将式（2）计算所得不同距离处水中爆炸冲击波峰值压力与数值仿真得到的结果进行比较, 得图3所示曲线。由图中可看出, 在2 ~16 m处数值仿真得到的水中冲击波峰值压力与经验公式计算值比较吻合。

2.2 来袭鱼雷壳体上点的计算数值及分析

壳体是鱼雷整体结构的关键部位, 也是鱼雷最先受到爆炸冲击的薄弱部位, 壳体一旦破裂, 会导致鱼雷完全丧失作战能力, 因此研究来袭鱼雷壳体受到爆炸冲击的动态响应对了解来袭鱼雷的毁伤情况具有重要意义。

图3 冲击波峰值压力比较

此次仿真计算了4种距离(=4 m, 8 m, 12 m, 15 m), 5种角度(=0°, 45°, 90°, 135°, 180°)共20种工况下ATT战斗部水中爆炸对来袭鱼雷的毁伤模型。下面对各种工况下来袭鱼雷不同舱段壳体上点的等效塑性应变进行考察。点的具体位置如图4所示。其中,点位于头段壳体上,点位于战雷段壳体上,点位于燃料舱段壳体上,点位于动力舱段壳体上,点位于尾舱段壳体上。

图4 来袭鱼雷壳体上的考察点

不同工况下来袭鱼雷壳体上各考察点所受的最大等效塑性应变如表1所示。由表1中可看出: 1) 在同一姿态下(相同), 来袭鱼雷壳体上各点所受的最大等效塑性应变会随距离的增加而减小, 在=12 m时(此处水中冲击波峰值压力为15.54 MPa)只有部分姿态下的部分点会有塑性应变, 即来袭鱼雷壳体在部分姿态下会发生塑性变形; 而在=15 m时各种姿态下来袭鱼雷壳体上的点基本上没有塑性应变, 即在15 m外, 来袭鱼雷壳体基本上不会发生塑性变形; 2) 各种工况下点所受的等效塑性应变一般较大, 即点更容易发生塑性变形。

2.3 来袭鱼雷外部结构毁伤情况

从2.2节的分析可得来袭鱼雷壳体发生变形的条件, 但壳体是否会破裂不仅与壳体上点所受的应力和应变有关, 还与壳体结构(例如不同舱段的壳体厚度会有所不同)有关, 从图5中可观察壳体是否发生破裂及其他外部结构的毁伤情况，并判断出某些工况下来袭鱼雷毁伤严重完全丧失作战能力, 某些工况下来袭鱼雷毁伤情况不明显, 单从外部结构中无法判断来袭鱼雷是否丧失作战能力, 因此需要做进一步的分析。

表1 20种工况下来袭鱼雷壳体上各点所受的最大等效塑性应变

Table 1 Maximum equivalent plastic strain of each point on incoming torpedo shell in 20 conditions

2.4 来袭鱼雷内部点的计算数值及分析

来袭鱼雷内部设备虽然不像壳体那样遭受水中冲击波的直接作用, 但却会在冲击波的作用下发生震荡而损坏, 而震荡的剧烈程度应从加速度大小和作用时间2个方面去考虑, 因此这里采用以下2个标准对来袭鱼雷内部设备进行考察。

1) 美国军标MIL-S-901C[4]中规定海军船用大于2.7 t的重型设备的冲击性能用浮动冲击平台进行考核。结果说明要使美军船用设备损坏, 水中爆炸给舰船施加的冲击加速度不能小于234.4 g。

2) GJB548A-96电子器件试验方法和程序中对电子设备机械冲击的筛选办法进行了详细的说明, 冲击试验设备应能够按规定对器件本体施加4 900~294 000峰值加速度的冲击脉冲, 其持续时间为0.1~1.0 ms, 具体试验条件及要求见表2。

表2 加速度峰值及作用时间

Table 2 Peak value of acceleration and action time

在来袭鱼雷各舱段内部分别取一点, 图6中,1位于头段内,1位于战雷段内,1位于燃料舱段内,1位于动力舱段内,1位于尾舱段内。

以=12 m,=0°工况为例, 来袭鱼雷内部1点在方向上加速度随时间的响应曲线如图7所示。

图6 来袭鱼雷内部考察点

图7 L=12 m, θ=0°工况下A1点Z方向加速度曲线

从表3可以得出, 要使来袭鱼雷内部设备损坏, 来袭鱼雷内部点的加速度峰值平均值的最小值要在874.1~911.8 g之间。

表3 不同工况下各点加速度峰值平均值及脉冲持续时间

Table 3 Average values of peak acceleration and pulse duration time in different conditions

2.5 来袭鱼雷毁伤情况

综合2.3节和2.4节的分析判断可以得知: 当爆炸距离为8 m以下时, 可确定来袭鱼雷在任何姿态下都会丧失作战能力; 当爆炸距离在8~12 m时, 在=0°, 90°, 180°姿态下, 来袭鱼雷会完全丧失作战能力；在=0°, 135°姿态下, 来袭鱼雷可能会丧失作战能力; 当爆炸距离在12~15 m时, 来袭鱼雷在=45°姿态下可能会丧失作战能力, 其他姿态下不会丧失作战能力，具体情况参见表4。

表4 20种工况下来袭鱼雷毁伤情况表

Table 4 Damages of an incoming torpedo in 20 conditions

3 结论

通过对不同爆炸距离、不同姿态共20种工况下ATT战斗部对来袭鱼雷爆炸毁伤的数值仿真, 可得如下结论。

1) 当来袭鱼雷受到ATT战斗部爆炸冲击时, 来袭鱼雷燃料舱段较其他舱段更易变形或破裂;

2) ATT的毁伤半径大致为12 m, 在这个范围内, 来袭鱼雷可能壳体破裂, 舵、鳍被破坏或内部设备损坏而丧失作战能力;

3) 要使来袭鱼雷壳体破裂, 水中冲击波峰值压力要达到15.54 MPa, 要使来袭鱼雷内部设备损坏, 设备上的冲击加速度要达到900 g以上。

[1] 刘锐. 不同条件下水中爆炸冲击压力场分布特性研究[D]. 北京: 北京理工大学, 2010.

[2] 时党勇, 李裕春, 张胜民. 基于ANSYS/LS-DYNA 8.1进行显式动力分析[M]. 北京: 清华大学出版社, 2005.

[3] Cole. 水下爆炸[M]. 北京: 国防工业出版社, 1960.

[4] 孟庆玉, 张静远. 鱼雷作战效能分析[M]. 北京: 国防工业出版社, 2003.

Simulation of Explosive Damage Effect of ATT Warhead on Incoming Torpedo

LIU Rui, LU Zhong-bao, WANG Ming-zhou

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

To assess the damage effect of anti-torpedo torpedo (ATT) warhead on an incoming torpedo, we establish an incoming torpedo model with the finite element analysis software ANSYS LS-DYNA, simulate the explosive damage effect of ATT warhead on an incoming torpedo with different distances and different angles by using the fluid-solid coupling algorithm, and obtain the damage radius of ATT warhead, the damage criterion of an incoming torpedo, and the damage laws of an ATT against an incoming torpedo. Simulation results show that deformation and fracture occur more easily on the shell of fuel tank section of an incoming torpedo than on other shells in underwater explosion. This study may benefit the damage effect assessment of an ATT and the research of ATT warhead.

anti-torpedo torpedo (ATT); incoming torpedo; underwater explosion; fluid-solid coupling; damage radius

TJ630.2

A

1673-1948(2012)05-0375-05

2012-07-26;

2012-09-13.

刘 锐(1984-), 男, 硕士, 工程师, 主要研究方向为鱼雷战斗部及触发引信.

(责任编辑: 杨力军)