近场爆炸作用下水下目标结构毁伤特性

况 贶

(海军驻上海沪东中华造船(集团)有限公司军事代表室, 上海 200129)

0 引 言

目前，国内学者通常根据所研究问题的特点，对水下爆炸载荷的2个阶段即冲击波和爆炸气泡作用阶段进行了大量研究[1-4]，对相应的毁伤情况也进行了广泛的研究[5-12]。根据这些研究成果，当水下结构距离爆源较近时，造成船体结构局部破坏的主要载荷为冲击波载荷。本文主要研究典型水下潜器舱段在鱼雷近场爆炸下对它的局部毁伤效应。仿真计算所使用的硬件平台为高性能集群系统，最高可对1 000万网格的水下爆炸仿真模型进行仿真计算，其采用的平行计算技术和搭载的128核计算软件能实现对水下爆炸作用机理的更精确模拟以及快速计算。仿真计算使用ABAQUS软件，其采用的是声固耦合法，此方法采用声学单元模拟流场，载荷包含冲击波和气泡脉动的综合作用，同时还考虑了空化压力的影响。

1 仿真计算过程

以曙光5000集群系统为计算平台，以128核并行版ABAQUS大型有限元计算软件为仿真计算手段，以某水下潜器舱段为目标，针对320 kg TNT当量爆破型战斗部的远场冲击威力和近场毁伤能力进行仿真计算。

1.1 仿真方法验证

结合某实船爆炸数据， 对仿真方法进行验证。

计算工况为1 000 kg TNT，距左舷70 m、水深50 m沉底爆炸，龙骨冲击因子为0.337。根据当时爆炸时测点的实际情况选取进行比对的测点位置，分别选择3个应变测点和3个加速度测点。测点具体位置分别为：01甲板55#肋位迎爆面中纵桁纵向应变测点、主甲板25#肋位迎爆面纵桁纵向应变测点、内底45#肋位迎爆面第一扶强材边中间根部板格应变测点、01甲板27#肋位垂向加速度测点、主甲板76#肋位垂向加速度测点、内底47#肋位垂向加速度测点。对比结果如表1和表2所示。

表1 3个应变测点峰值对比

表2 3个加速度测点峰值对比

通过对峰值的相对误差计算，得出应变峰值平均精度为77.48%，加速度峰值平均精度为77.52%，平均相对误差均在30%以内，计算精度符合工程要求。

1.2 仿真计算对象

计算对象以某水下舰艇为原型，截取中部2个舱段为计算模型，长度约为7 m，型宽为7 m，型深为8 m，其有限元模型如图1所示。

图1 有限元模型

1.3 仿真工况设计

仿真试验共设置了7个工况，如表3所示。工况设计主要依据水中兵器的装药量及使用情况，其中第1个工况采用与验证算法工况相同的冲击因子。

表3 有限元模型计算工况设置

1.4 测点选取

模型共设置了11个测点，测点位置均位于模型中横剖面位置，如表4和图2所示。

表4 水面目标靶模型测点位置

表4 水面目标靶模型测点位置

图2 水下目标靶模型测点位置

1.5 仿真计算结果

gk-7爆源位于模型长度方向中部距左舷水平距离6 m水下爆炸，针对320 kg TNT当量的战斗部毁伤能力进行仿真计算(冲击因子为2.980)。仿真结果显示：结构外部非耐压壳出现大面积塑性变形，外部结构基本损毁，但没有破口出现，非耐压壳与耐压壳之间顶部连接纵桁有部分塑性变形，耐压壳有轻微塑性变形，其他结构基本完好。应力云图、不同位置加速度变化及峰值变化曲线如图3～图8所示。

图3 初始时刻应力云图

图4 最终状态应力云图

图5 垂向加速度时程曲线

图6 垂向加速度峰值变化曲线

图7 横向上垂向加速度时程曲线

图8 横向上垂向加速度峰值变化曲线

一系列水下毁伤目标等效靶仿真试验研究表明：典型水下潜器舱段结构模型外部非耐压壳和2层壳体之间的水体吸收了绝大部分爆炸冲击能量，在爆源较近时也只造成了外部非耐压壳的严重变形甚至结构基本损毁，但均没有出现破口，内部耐压壳只产生了轻微塑性变形，结构基本完好。结构冲击加速度方面：在爆源距离较远时，内部结构垂向加速度峰值较大，而2层壳体加速度峰值相对较小；在近距离爆炸时，外部非耐压壳与内部结构垂向加速度峰值基本相当，而内部耐压壳垂向加速度峰值还是相对较小。

由于材料的屈服强度均比较大，且原始结构模型局部加强设计均较完善，而外部非耐压壳和2层壳体间的水体又吸收了大部分爆炸能量，因此结构可不进行加强改动。水下毁伤目标等效靶结构经仿真试验验证设计合理，能够达到设计要求。

2 毁伤理论方法及等级评定

舰船结构在水中爆炸具有不同的毁伤形式，大致分为局部毁伤和总体毁伤，对于局部毁伤，采用引入抵抗因子和毁伤因子的毁伤评估模型。

2.1 局部毁伤形式

毁伤最简单的形式就是塑性变形，塑性变形是永久的，通常轻微毁伤指的就是塑性变形。塑性变形是一个动态过程，当塑性变形达到一定程度时，板的厚度会变得过薄，板被撕裂，形成破口。破口是一种比塑性毁伤严重许多的毁伤形式，通常定义为严重毁伤。一般的破口不会造成船体沉没，但是当破口的范围很大时，船体迅速进水，就有可能造成船体的沉没。因此，船体沉没是最严重的毁伤形式。水中爆炸造成的毁伤一般分为5个级别，如表5所示。

表5 船舶毁伤的5个级别

2.2 局部毁伤量化

局部结构塑性毁伤为

(1)

式(1)表明结构毁伤是在2个因素的联合作用下产生的：第1个因子是能量密度W1/2/R，它表达了冲击环境；第2个因子是(σsh)1/2，表达了结构的抗损能力。式(1)可作为代替冲击因子评估毁伤的一个公式。考虑到无量纲化，可以将(1)变换为

(2)

定义

(3)

式中：FS为冲击因子，代表能量密度。

定义

FR=(σsh)1/2

(4)

式中：FR为抵抗因子，代表结构对冲击的抵抗能力。该值越大，抗爆能力就越大；反之，抗爆能力就越小。

定义

(5)

式中：FD为毁伤因子，代表结构的毁伤情况。

毁伤因子事实上是应变的平方根(圆板应变的平方根和毁伤因子相等)，亦即

(6)

式(6)说明了毁伤因子的物理意义。

将式(4)和式(5)代回式(2)，得到

(7)

式(7)具有非常明显的直观含义，毁伤因子与冲击因子成正比，与抵抗因子成反比。

任意炸药水下爆炸作用下的毁伤因子计算公式为

(8)

式中：FD为为毁伤因子；FS为冲击因子；FR为抵抗因子。

(9)

式(1)～式(9)中：W为药包的质量，kg；R为药包距目标的距离，m；σs为材料的屈服极限，Pa；a为板格相当长度，m；h为板的相当厚度，m；ksh为常数，ksh≈300；Cm和Cr为与炸药相关的常数，其数值可以通过试验的方法确定。

2.3 水下目标船舶的毁伤等级划分

毁伤因子和毁伤等级的关系，如表6所示。表6中的毁伤等级与表5中毁伤等级相对应，5级毁伤可当作无毁伤或弹性变形状态。

表6 水下目标船舶的毁伤等级划分

3 仿真方法与理论分析方法比对

根据选择的战斗部类型以及计算目标，采用公式(6)计算毁伤因子，根据表6对照说明毁伤的情况。首先根据仿真工况计算出目标的冲击因子，其次根据目标特征计算其抵抗因子，再次根据冲击因子及抵抗因子计算出根据毁伤等级确定毁伤因子的值，结果如表7所示。

表7 水下目标船舶的毁伤因子

参照表5(毁伤级别)及表6(水面船舶毁伤等级划分)，由表7可知：工况1、2、3的毁伤因子对应的等级为5级、4级(轻微毁伤，出现轻微塑性变形)、4级至3级(中等毁伤，出现严重塑性变形)，与仿真计算所描述的毁伤情形相比较，两者比较吻合。工况4、5、6、7的毁伤因子对应的毁伤等级为5级、4级、4级至3级、3级至2级(严重毁伤，出现破口)，与仿真计算结果基本一致。

4 结 论

(1)结合实船数据对仿真计算方法进行验证，证明了仿真计算方法的可靠性，为目标毁伤仿真计算奠定基础。

(2)采用仿真计算方法对水下爆炸作用下目标的毁伤情况进行计算，同时采用毁伤理论对其毁伤情况进行分析。

(3)对仿真方法和理论分析方法所得计算结果进行比对，2种方法的计算结果比较吻合。

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