船舱内静止装药和运动装药爆炸的毁伤效果仿真

吴世永，王伟力，李永胜

(海军航空工程学院， 山东 烟台　264001)



船舱内静止装药和运动装药爆炸的毁伤效果仿真

吴世永，王伟力，李永胜

(海军航空工程学院， 山东 烟台264001)

摘要：采用数值仿真方法对不同质量的静止装药和运动装药在船舱内爆炸的过程进行了研究，分析了装药的运动速度对船舱的毁伤效果和船舱内流场分布的影响。计算结果表明，运动装药在船舱内爆炸对运动正方向舱壁的毁伤效果大于静止装药，且随着装药速度的增大而增加；而对运动反方向舱壁的毁伤效果小于静止装药，且随着装药速度的增加而减小。由于运动装药易使运动正方向舱壁出现破口，使得船舱泄压，导致对运动反方向舱壁的毁伤效果比静止装药爆炸时要小，不利于从整体上毁伤船舱。运动装药在船舱内爆炸时在运动正方向舱壁上产生的超压峰值明显大于静止装药，且随着装药速度的增大而增大，而在运动反方向舱壁上产生的超压峰值要低于静止装药，且随着装药速度的增大而降低。

关键词：数值仿真；船舱；爆炸；毁伤效果

本文引用格式：吴世永，王伟力，李永胜.船舱内静止装药和运动装药爆炸的毁伤效果仿真分析[J].兵器装备工程学报，2016(7):23-27.

Citation format:WU Shi-yong, WANG Wei-li, LI Yong-sheng.Simulation on Damage Effect of Ship Cabin Subjected to Blast Loading of Static and Moving Explosive[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(7):23-27.

目前，战斗部对船舱的毁伤研究主要是分析静止战斗部在船舱内爆炸时的毁伤效果[1-4]。但在实战中，战斗部穿过舱壁后，常常以很大的运动速度在船舱内爆炸。装药在静止和运动状态爆炸时，其冲击波的毁伤效应会有很大的不同[5-6]。随着反舰导弹末端速度的增大，高速运动的战斗部对舰船舱室的毁伤效果越来越受到人们的重视。杜红棉等[8]利用火箭撬的动爆试验，评估了高速导弹对模拟船舱的毁伤效果，认为在导弹运动正方向的反射冲击波比反方向的反射冲击波大，两者比达到3.5∶1。但由于船舱内爆炸试验成本高，周期长，利用试验得到的船舱内爆炸的规律性结果不多。随着计算机技术的发展，采用数值仿真方法来研究装药在船舱内爆炸的规律越来越受到人们的重视。

本研究利用有限元商业软件LS-DYNA对具有不同运动速度的装药在典型船舱内爆炸的过程进行了数值仿真，分析了装药量和装药速度对典型船舱的毁伤效果和压力场分布的影响。研究结果可以为提高典型船舱的抗爆性能和反舰导弹对船舱的毁伤效果提供理论支持。

1理论分析

炸药在空气中爆炸时，会瞬间形成高温高压的爆轰产物，同时向周围空气中传播爆炸冲击波。爆炸冲击波在空气中传过时，在冲击波阵面上会产生一个很大的超压，接着超压按指数迅速衰减，在很短时间内降至负压。冲击波超压是衡量炸药对结构破坏的重要参数之一，超压的大小与炸药的能量和距离爆心的远近有关。文献[6]作者认为，当具有较高速度的运动装药爆炸时，装药的动能最终将转化成其他形式的能量释放出来，故其爆炸所产生的能量要比静止装药爆炸大得多，有的可增加一倍以上。当装药的运动方向与爆轰产物飞散的方向一致时，爆炸毁伤效果增加最明显，并随着两者速度矢量夹角的增加而减小。在运动正方向上形成的冲击波超压峰值为[8]

(1)

其中:Ds为炸药的爆速；k为未扰动空气的等熵指数；Δp为静止装药爆炸空气冲击波初始超压。而在反方向上形成的冲击波超压峰值为

(2)

当运动装药在船舱室内爆炸时，爆炸冲击波对装药运动正方向舱壁的毁伤效果会随着冲击波超压峰值和爆炸冲量的增加而增加，但是对运动反方向舱壁的毁伤效果却会被削弱。因此，运动装药在船舱内爆炸的综合毁伤效果需要通过试验或者数值仿真进一步研究。

2静止装药和运动装药在船舱内爆炸的毁伤效果仿真计算

2.1装药在船舱内爆炸仿真计算模型

典型船舱如图1所示，舱室的尺寸为9m×5.7m×2.5m，呈扁平长方体结构。上下甲板和侧舷较厚，与侧舷相对的纵壁板和两侧的横壁板较薄。各舱壁板均为带筋板结构，布置了扁钢和T型钢。装药为长径比为1的圆柱形TNT炸药，质量分别为80kg、10kg和1.1kg，装药爆炸时的初始位置为船舱中心，起爆点位于装药中心。计算时，运动装药的速度大小分别为300m/s、500m/s、700m/s和900m/s，运动方向是从侧舷指向纵壁板。计算采用二分之一模型。在各舱壁板的中心位置设置A、B、C、D和E监测点，在炸药的轴线上分别设置F和G两个距离爆心均为1.4m的监控点，分别用来监测作用在舱壁和空气自由场的流场压力。计算中采用流固耦合算法，各舱壁采用Lagrange算法，而空气和炸药采用ALE算法。

图1　炸药在船舱内爆炸仿真计算模型

2.2装药在船舱内爆炸仿真计算的验证

在爆轰波到达舱壁之前，爆轰波的传播可以看作是在空气自由场中的传播，可以用装药在无限空气中爆炸的超压峰值经验公式验证仿真计算的准确性。当装药量为80kg时，由Henrych[7]给出的经验公式，可以得到静止装药爆炸时，监测点F和G的超压峰值均为7.66MPa，由式(1)和式(2)可得，当装药具有900m/s的运动速度时，监测点F的超压峰值为5.44MPa，监测点G的超压峰值为10.25MPa。图2给出了通过数值仿真计算得到的静止装药和运动装药爆炸时监测点F和G的压力时程曲线。从图中可以看出，当静止装药爆炸时，由于监测点F和G处于对称位置，压力时程曲线完全一样，超压峰值为7.68MPa，与经验公式对照误差为0.26%。当装药以900m/s运动时，爆炸冲击波到达运动正方向监测点G的时间要明显早于运动反方向的监测点F，监测点F的超压峰值为5.87MPa，与式(2)结果对照误差为7.9%，监测点G的超压峰值为10.33MP，与式(1)结果对照误差为0.78%。可见数值仿真得到的结果和经验公式计算结果相比较误差很小，可以认为数值仿真结果较为合理可靠。

图2　静止装药和运动装药爆炸时监测点F和G的压力时程曲线比较(80 kg，仿真计算结果)

2.3静止装药和运动装药爆炸对船舱的毁伤效果比较

图3给出了质量为80kg、10kg和1.1kg的TNT装药以不同运动速度在船舱内爆炸时的毁伤效果。不同速度的80kgTNT在船舱内爆炸时，各舱壁均完全分解，向四周飞散。但是装药的运动速度不同时，各舱壁的分解时刻不同。从图3(a)可以看出，在装药运动正方向的纵壁板的变形随着装药速度的增大而增大，而反方向的侧舷与上下甲板的分离时刻随着装药速度的增大而延迟。当静止装药爆炸时，在横壁板的中心出现了一个破洞。当装药为10kgTNT时，横壁板和纵壁板均与舱室分离，而侧舷与上下甲板的连接处没有出现破坏，如图3(b)所示。当装药为1.1kgTNT时，右侧的纵壁板与上下甲板的连接处最先破坏，破坏程度随着装药速度的增大而增大。静止装药爆炸时，后侧的横壁板与舱室的连接处出现近似左右对称的局部破坏，而当运动装药爆炸时，横壁板与舱室连接处右侧的破坏程度明显大于左侧，如图3(c)所示。所以运动装药在船舱内爆炸时，对运动正方向舱壁的破坏大于静止装药，而对运动反方向舱壁的破坏明显小于静止装药。运动装药在船舱内爆炸时，会使得运动正方向舱壁出现破坏的时间明显比静止装药提前，造成船舱泄压，导致运动装药对船舱的整体毁伤要小于静止装药爆炸。

解体后飞散的舱壁会对相邻船舱的人员和设备造成二次破坏，破坏程度随着舱壁飞散速度的增大而增大，舱壁的飞散速度可以作为衡量毁伤效果的依据。图4给出了运动速度不同的80kg装药在船舱内爆炸时，纵壁板、侧舷和横壁板的飞散速度时程曲线。从图4(a)可以看出，装药运动正方向的纵壁板的飞散速度随着装药速度的增大而增大。装药静止时，纵壁板的飞散速度为168m/s，装药速度为900m/s时，纵壁板的飞散速度达到222m/s，增加了32.1%。而装药运动反方向的侧舷的飞散速度随着装药速度的增大而降低，如图4(b)所示。装药静止时，侧舷在10ms时的飞散速度为40m/s，而装药速度为900m/s时，侧舷的飞散速度为23m/s，降低了42.5%。在装药运动垂直方向的横壁板的飞散速度约为195m/s，受运动装药速度的影响不大。

图3　静止装药和运动装药爆炸对船舱的毁伤效果

图4　纵壁板、侧舷和横壁板的飞散速度时程曲线

2.4静止装药和运动装药船舱内爆炸的流场分布

表1给出了质量为80kg、10kg和1.1kg的TNT装药在船舱内爆炸时，船舱内各监测点的超压峰值。从表1中数据发现，监测点A、B和E的超压峰值随着装药速度变化的规律不明显。这主要是由于装药速度不同时，爆炸冲击波以不同的入射角传播到监测点A、B和E，同时上下甲板和横壁板的加筋板结构对爆炸冲击波产生复杂反射，造成舱壁中心的监测点A、B和E的冲击波超压峰值随装药速度变化规律没有一致性。但在装药运动反方向的监测点C，超压峰值随着装药速度的增加而降低，而运动正方向的监测点D的超压峰值随着装药速度的增加而增加。装药运动正方向上的监测点D的压力峰值明显大于反方向的监测点C，且两者的比值随着装药速度的增加而增大，80kg装药以900m/s运动时，两者的比值达到了4.30。

表1　装药在船舱内爆炸时各监测点的超压峰值　MPa

以装药速度为横坐标，以各监测点的超压峰值Pmax与静止装药爆炸时该位置的超压峰值Pmax,v=0的比值为纵坐标，得到不同装药量下监测点C和D的超压峰值随装药速度的变化曲线，如图5所示。可以看出，监测点C的超压峰值随装药速度增大而减小的幅度在80kg、10kg和1.1kg3种装药量下基本保持一致，装药速度为900m/s时，超压峰值降低了约40%。而监测点D的超压峰值随装药速度增大而增加的幅度随着装药量增加而增大。例如，运动速度为900m/s的1.1kg装药爆炸时在监测点D产生的超压峰值是静止装药爆炸时的1.80倍，但装药量为10kg和80kg时，该数值分别为1.89和2.00。这说明运动装药爆炸对运动正方向舱壁的毁伤效果受装药量的影响比反方向大。

图5　监测点C和D的Pmax/Pmax,v=0随装药速度的变化曲线

3结论

通过本项研究，可得到以下结论：

1) 运动装药在船舱内爆炸时，对运动正方向舱壁的毁伤效果大于静止装药，且随着装药速度的增大而增加，而对运动反方向舱壁的毁伤效果小于静止装药，且随着装药速度的增大而减小。

2) 由于运动装药对运动正方向舱壁的毁伤效果增加，相对静止装药爆炸，易使运动正方向舱壁出现破口，从而使得船舱泄压，导致运动装药爆炸对运动反方向舱壁的毁伤效果比静止装药要低，不利于从整体上毁伤船舱。

3) 运动装药在船舱内爆炸时，在运动正方向舱壁上产生的超压峰值明显大于静止装药，而且随着装药速度的增大而增大，而运动反方向舱壁的超压峰值要低于静止装药，且随着运动装药速度增大而降低。

参考文献：

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(责任编辑周江川)

收稿日期：2016-01-10；修回日期：2016-02-15

作者简介：吴世永(1981—)，男，博士研究生，讲师，主要从事冲击动力学研究。

doi:10.11809/scbgxb2016.07.006

中图分类号：O383

文献标识码：A

文章编号：2096-2304(2016)07-0023-05

Simulation on Damage Effect of Ship Cabin Subjected to Blast Loading of Static and Moving Explosive

WU Shi-yong, WANG Wei-li, LI Yong-sheng

(Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001, China)

Abstract:The processes of the explosion of static and moving explosive with different mass inside ship cabin were studied using numerical simulation. The influence of explosive velocity on the cabin damage effect and the flow field distribution was analyzed. The calculation results show that the blasting of moving explosive induces more damage on the bulkhead in the moving direction than that of the static explosive, and the damage increases with the velocity of the explosive. It is opposite for the bulkhead in the opposite moving direction. The damage of the bulkhead in the opposite moving direction is reduced for the moving explosive, as the pressure relieves easily. The peak overpressure acting on bulkhead in the moving direction is greater for the moving explosive, comparing with the static explosive. In the opposite direction, the peak overpressure is lower for the moving explosive than that for the static explosive, and the peak overpressure decreases with the velocity of the explosive.

Key words:numerical simulation; ship cabin; blast; damage effect

【装备理论与装备技术】