不同当量水雷战斗部水下爆炸对目标损伤特性分析

王树乐，张义帅，胡迺成，崔庆扬

(1.中国人民解放军91439部队, 辽宁 大连 116041； 2.中国人民解放军91046部队， 山东 烟台 265200)

【装备理论与装备技术】

不同当量水雷战斗部水下爆炸对目标损伤特性分析

王树乐1，张义帅2，胡迺成1，崔庆扬1

(1.中国人民解放军91439部队, 辽宁 大连 116041； 2.中国人民解放军91046部队， 山东 烟台 265200)

以经过实船爆炸数据修正的数值算法为手段，数值模拟了两种不同当量的水雷战斗部对目标的损伤特性，对比分析了不同水雷战斗部在相同冲击因子和实战打击距离条件下对目标的损伤模式。本研究可为水雷战斗部的设计及水雷作战使用提供参考。

水雷战斗部；水下爆炸；数值仿真

水雷作为防御性的水中兵器，具有爆炸威力大、环境适应性强等特点，可布设到各种水域航道中，对过往舰船构成严重威胁。传统水雷爆炸当量大、作用距离远，而随着水雷技术的发展，出现的特种水雷其爆炸当量较小，但目标作用距离更近更精确。因此，针对不同当量水雷爆炸毁伤特性的研究对水雷的发展和舰船的防护均有重要意义。数值模拟是研究水下爆炸机理的重要手段，而ABAQUS软件是其中应用比较广泛的一款数值仿真软件。ABAQUS软件是一款功能强大的非线性有限元分析软件，适用于分析复杂的非线性问题。对水下爆炸现象的数值仿真使用的是软件镶嵌的声固耦合方法。

前人对水下非接触爆炸做过大量研究，水下非接触爆炸对结构的损伤主要是冲击波和气泡的作用，冲击波[1]以及气泡脉动载荷[2-3]会造成船体结构整体毁伤，对总强度产生影响，如果爆炸强度较大，甚至会引起舰船鞭状运动，进而发生折断等现象。牟金磊等[4]认为，气泡引起的加筋板塑性变形挠度超过总变形量的30%。陈辉等[5]对不同装药的水下爆炸冲击环境进行了研究，得出了加速度、速度等要素与冲击波载荷的关系。本文运用ABAQUS软件，数值模拟了1 375 kg TNT当量和300 kg TNT当量水雷战斗部针对同一目标的损伤特性，对比分析了两种典型当量水雷爆炸对目标的不同损伤特征。

1 水下爆炸数值仿真技术及仿真算法验证

1.1 仿真计算基础

本文使用ABAQUS软件对1 375 kg TNT当量水雷战斗部沉底爆炸和300 kg TNT当量水中爆炸进行数值模拟。ABAQUS采用声固耦合方法进行水下爆炸计算，声固耦合方法主要涉及三个基础理论方程。

以流体压力为变量的流体运动方程：

(1)

由虚功原理定义的结构方程：

(2)

离散化的流固耦合有限元方程：

(3)

其中，

1.2 仿真精度验证

本文使用的ABAQUS仿真算法经过实船爆炸实验验证。验证试验的工况为1 000 kg TNT当量爆源距实船左舷70 m，水深50 m沉底爆炸(冲击因子0.36)。仿真计算时的爆源设置采用与实船爆炸相一致的爆距、方位及TNT当量。根据实测数据测点的位置不同，分别选取01甲板和主甲板某肋位迎爆面中纵桁纵向应变测点、内底某肋位迎爆面第一扶强材边中间根部板格应变测点、01甲板某肋位舰长室垂向加速度测点、主甲板某肋位垂向加速度测点和内底某肋位垂向加速度测点，对应变和加速度数据进行了重点分析，计算使用的海底反射系数为1.5。具体结果如下，其中对数值作了归一化处理：

表1 仿真与试验应变峰值

表2 仿真与试验加速度峰值

对比仿真与试验数据，应变和加速度平均误差在30%以内，说明本研究使用的仿真方法符合工程计算要求，表1中的L为最大应变，表2中的A为最大加速度。

2 数值计算

2.1 目标模型简介

本文选择的目标为某船的典型舱段，构建的有限元模型如图1。具体参数如下：长度为16 m，型宽10 m，型深8 m，重量186 t，采用4层甲板，双底结构。

2.2 工况设置

根据研究需要，仿真试验设置了6个工况。工况设计主要依据沉底水雷和特种水雷的引信工作半径及毁伤等级设定，具体信息如表3所示。

表3 工况设置

2.3 数值计算结果

gk-1爆源位于模型长度方向中部距左舷90 m，水深64 m沉底爆炸，是以沉底水雷为模型，针对1 375 kg TNT当量的战斗部毁伤能力进行仿真计算，冲击因子为0.337。仿真结果显示：结构舷侧没有产生塑性变形，前后横舱壁的2甲板以下部分产生了较大塑性变形，但没有出现破口，如图2所示。

gk-2爆源位于模型长度方向中部距左舷61 m，水深40 m沉底爆炸，是以沉底水雷为模型，针对1 375 kg TNT当量的战斗部毁伤能力进行仿真计算(冲击因子为0.511)。仿真结果显示：模型舷侧前方舭部产生局部塑性变形，前后横舱壁的2甲板以下部分塑性变形较大，但没有出现破口，主甲板明显下凹，如图3所示。

gk-3爆源位于模型正下方水深40 m沉底爆炸，是以沉底水雷为模型，针对1 375 kg TNT当量的战斗部毁伤能力进行仿真计算，冲击因子为1.03。仿真结果显示：模型舷侧以及前后横舱壁的2甲板以下部分产生了较大塑性变形，且前后横舱壁均出现破口，结构基本损坏，主甲板震荡下凹，如图4所示。

gk-4爆源位于模型长度方向中部距龙骨38 m，水深40 m舷侧爆炸，以某型特种水雷为模型，针对300 kg TNT当量的战斗部毁伤能力进行仿真计算，冲击因子为0.337。仿真结果显示：模型舷侧没有产生塑性变形，但前后横舱壁的2甲板以下部分产生了较大塑性变形破口，如图5所示。

gk-5爆源位于模型长度方向中部距左舷17 m，水深11.7 m舷侧爆炸，是以某型特种水雷为模型，针对300 kg TNT当量的战斗部毁伤能力进行仿真计算(冲击因子为0.929)。仿真结果显示：模型舷侧没有产生塑性变形，前后横舱壁的2甲板以下部分产生了较大塑性变形，但没有出现破口，如图6所示。

gk-6爆源位于模型长度方向中部距左舷8.7 m，水深7.2 m舷侧爆炸，是以某型特种水雷为模型，针对300 kg TNT当量的战斗部毁伤能力进行仿真计算(冲击因子为1.74)。仿真结果显示：模型舷侧没有产生塑性变形，前后横舱壁的2甲板以下部分产生了较大塑性及破口，如图7所示。

3 结论

1) 远场且冲击因子相同的工况下，当量较大的沉底水雷战斗部对模型的损伤主要表现在对局部结构薄弱部位的冲击波压力损伤，没有引起总体或局部震荡；而当量较小的特种水雷战斗部对模型会引起局部结构薄弱部位的震荡损伤，出现大面积破口。结构局部损伤会使舰船的战斗力下降，因此，在水雷打击时也应该考虑结构局部板块的共振频率。

2) 在中近场水下爆炸的情况下，当量较大的沉底水雷战斗部对模型局部结构仍以冲击波压力损伤为主。因距离变近而使局部变形更为严重，甚至出现破口，引起整体震荡变形，使整体结构强度降低，可认为结构基本损毁。而当量较小的特种水雷战斗部在引起模型局部震荡损伤同时，还对局部结构产生大面积破口损伤，使结构基本损毁，但不会引起结构整体震荡。

3) 当量较大的沉底水雷在舷侧爆炸时主要以局部损伤为主，结构总体震荡不明显，但在船中底部爆炸时，结构总体震荡效果明显，与水下爆炸规律基本吻合。

[1] HUANG H.Transient Bending of a Large Elastic Plate by an Incident Spherical Pressure Wave[J].J Aco Ust Soc Am，2002，111(4):1584-1601.

[2] KLASEBOER E,HUNG K C,WANG C,et al.92 Experimental and Numerical Investigation of the Dynamics of an Underwater ExplosionBubble near a Resilient/rigid Structure[J].J Fluid Mech，2005，537:387-413.

[3] POPINET S,ZALESKI S.Bubble Collapse near a Solid Boundary[J].J Fluid Mech，2002，464:137-163.

[4] 牟金磊，朱锡，黄晓明.舰船局部结构在水下爆炸载荷作用下的塑性变形分析[J].海军工程大学学报，2010，22(3).

[5] 陈辉，李玉节，潘建强.水下爆炸条件下不同装药对水面舰船冲击环境的影响试验研究[J].振动与冲击，2011(7):30.

(责任编辑周江川)

AnalysisofDifferentMinesWarheadDamageforOneTargetinUNDEX

WANG Shule1, ZHANG Yishuai2, HU Naicheng1, CUI Qingyang1

(1.The No. 91439thTroop of PLA, Dalian 116041, China； 2.The No. 91046thTroop of PLA, Yantai 265200, China)

We calculate the damage capacity of different mines warhead based on numerical method of proofread. And we analyze the damage mode of different mines warhead on the same impulsive factor or effective action distance. This study can be important reference for mines’ warhead of design and combat employment method of mine.

mines warhead; underwater explosion; numerical simulation

2017-03-02；

：2017-03-28

：国家自然科学基金创新群体项目(51221961)

王树乐(1982—)，男，硕士，工程师，主要从事水下爆炸仿真与评估研究。

10.11809/scbgxb2017.09.004

format:WANG Shule, ZHANG Yishuai, HU Naicheng,et al.Analysis of Different Mines Warhead Damage for One Target in UNDEX [J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(9):17-20.

U674.7+03.5

：A

2096-2304(2017)09-0017-04

本文引用格式：王树乐，张义帅，胡迺成，等.不同当量水雷战斗部水下爆炸对目标损伤特性分析[J].兵器装备工程学报，2017(9):17-20.