无限水域中壳体对爆破型战斗部爆炸威力的影响研究

陈高杰,吴林杰,程素秋,刘文思

(中国人民解放军 91439部队,辽宁 大连 116041)

0 引言

水中兵器装药一般填装在金属战斗部内部,开展金属壳体装药水下爆炸方面的研究十分重要。K.Takahashi等[1]对装药在不同的厚度、金属以及药量条件下,采用实验的方法开展了水下爆炸的特性研究,发现了壳体对爆炸效果的加强作用;D.A.Jones等[2]分别对6 mm、12 mm钢壳约束下10 kg柱形H6炸药进行了实验与数值仿真研究;LI Yujie等[3]也开展了有空隙带壳装药的研究。但他们都没能准确模拟出冲击波的峰值及波形,而且数值模型中壳体材料模型的选择也存在一定不足。盛振新[4]、裴善报[5]等对小药量带壳装药进行了数值仿真研究,未推广应用到大当量战斗部中。因此需要利用数值仿真成本低、效率高并可指导验证实验的优势开展爆破型战斗部壳体对爆炸威力影响研究。

文中基于爆破型战斗部水中爆炸威力评估方法,选取某型爆破型鱼雷战斗部为研究对象,通过建立有效的爆破型战斗部有限元模型,设计出合理的仿真计算工况,利用ALE方法分析研究了无限水域中壳体对爆破型战斗部爆炸威力的影响。

1 战斗部爆炸威力评估方法

目前,水中兵器领域国内外使用的战斗部爆炸威力评估标准主要有3种:冲击波峰值标准、冲击因子标准和冲击加速度标准[6]。

1) 冲击波峰值标准。

该标准是前苏联对战争中缴获的舰船隔舱进行大量水中爆炸试验,由试验数据分析获得。该标准规定:舰船一层底(外壳)被破坏时,它所受到的水中冲击波峰值压力为8～10 MPa;舰船的二层底被破坏时,冲击波峰值压力为17～20 MPa;舰船的三层底被破坏时,冲击波峰值压力为70 MPa。该评估方法以船体击穿作为损伤标准,比较适合鱼雷等近距离爆炸武器。

2) 冲击因子标准。

冲击因子标准是英国、意大利以及北约许多国家共同采用的标准,可根据对舰船毁伤程度的要求将其换算为概率值,仅适合非接触爆炸。

3) 冲击加速度标准。

冲击加速度标准是根据美国军标MIL-S-901C制定的。在公式推导过程中进行了集总平均处理,更适合像水雷等远距离爆炸,从而使冲击波相对较全面均匀作用于目标的情况。

文中选取某型爆破型鱼雷战斗部为研究对象,采用冲击波峰值压力标准评估其爆炸威力。该雷战斗部为柱形装药,药量为200 kg的RS211高能炸药,采用后端面平面波起爆方式。

2 数值仿真模型

2.1 计算模型

由于战斗部为柱形装药,采用二维轴对称模型,对称轴为x轴,水域取7 m×14 m。壳体材料分别采用4340钢和2024T351铝,厚度分别取0(无壳)、5 mm、10 mm、15 mm、20 mm。为了保证冲击波传播的连续性,装药和水域采用均匀网格,网格尺寸为15 mm,人工粘性系数VL=0.2,VQ=1,设置transmit无反射边界条件。仅考虑冲击波峰值压力的影响。壳体采用Lagrange单元,炸药和水采用Euler单元,两种单元之间施加Lagrange/Euler耦合。计算模型和战斗部有限元模型如图1和图2所示,测点布置在距中轴线2 m、4 m、6 m处,采用右侧端面起爆方式。

图1 计算模型图Fig.1 Diagram of calculation model

图2 战斗部有限元模型图Fig.2 Diagram of finite element model of warhead

2.2 材料模型及参数

炸药爆轰产物采用Jones-Wilkins-Lee(JWL)状态方程进行压力计算,各参数取值见表1[7]。

表1 RS211炸药JWL状态方程参数Table 1 Parameters of JWL EOS of explosive RS211

式中:pexp为爆轰产物的压力;η为爆轰产物的相对比容,即η=ρ/ρ0;Aexp、Bexp、R1、R2和ω为与炸药状态有关的常数;u为高能炸药单位质量的内能。

水的状态方程采用多项式状态方程,对于流体在压缩和拉伸状态下具有不同的形式。

压缩状态下:

拉伸状态下:

表2 水的状态方程参数Table 2 Parameters of JWL EOS of water

金属壳体采用Johnson-Cook模型[8],并考虑应变率的影响,其本构方程为

表3 壳体材料参数Table 3 Material parameters of shell

3 结果分析

壳体厚度分别取5 mm、10 mm、15 mm、20 mm的钢壳、铝壳与无壳状态下的爆炸威力进行比较。仅给出厚度为10 mm时的压力时程曲线和铝壳厚10 mm时的压力云图。由图3和图4可知,战斗部装药由端面引爆后,爆轰波向另一端面传播,水中冲击波压力最终以球形方式向外传播,传播距离越远越接近于球形,冲击波峰值压力计算结果如表4和图5所示。当爆距为2 m时,随着壳体厚度的增加,冲击波峰值压力呈现出振荡减小的趋势,且铝壳比钢壳振荡频率更快;当爆距为4 m时,随着壳体厚度的增加,冲击波峰值压力与爆距为2 m时相似,呈现出振荡减小的趋势, 但振荡频率变慢,相同壳体厚度时钢壳比铝壳的峰值压力要小;当爆距为6 m时,随着壳体厚度的增加,冲击波峰值压力不再振荡而是不断衰减,与爆距为4 m时相似,相同壳体厚度时钢壳比铝壳的峰值压力要小。

图3 压力时程曲线Fig.3 Curves of pressure history

图4 铝壳厚10 mm时压力云图Fig.4 Pressure nephogram with aluminum shell of 10 mm thickness

表4 不同壳体厚度及材料对应的冲击波峰值压力Table 4 Shock waves' peak pressures of different shell thicknesses and materials

图5 不同爆距峰值压力随壳体厚度的变化Fig.5 Peak pressures varies with shell thickness of different explosion distances

由于壳体的熔化、撕裂吸收会消耗一部分能量,冲击波峰值压力会随着壳体厚度的增加而减小,但壳体同样对冲击波能量有累积作用。当累积作用大于吸收作用时,又会使冲击波峰值压力随着壳体厚度的增加而增大。因此,冲击波峰值压力会呈现出振荡特性。但当爆距到达一定值时累积作用衰减较大使吸收作用占主要地位,从而冲击波峰值压力呈现衰减趋势而不再振荡。此外,随着壳体厚度的增加,冲击波脉宽增大,冲击波压力爬升至峰值时刻有滞后效应而非超前效应,这可能是由于壳体的约束延迟了爆轰波的释放与传播,而这种超前或滞后效应与药量或壳体有关。虽然这种延迟在冲击波的传播过程中表现并不明显,但是延迟时间相对冲击波时间衰减常数却较大。

在壳体材料分别取4340钢和2024T351铝时,铝壳体装药比钢壳体装药爆炸产生的冲击波峰值压力要高,且传播速度要大。主要原因是:1)从能量守恒方面来看,由于铝壳体质量相对较小,且装药在爆炸过程中一部分壳体已经烧蚀掉,爆炸驱动壳体的能量相对较少;而钢壳体装药在爆炸过程中有较多能量消耗在对壳体的驱动上,因此冲击波能量减少较多。2)从冲击波在不同介质中的传播理论来看,铝壳体的法面波阻抗与炸药(或爆炸产物)波阻抗相对比较接近,而钢壳体材料与炸药及水波阻抗差别相对较大,从而导致装药爆炸的初始冲击波参数的差异。

4 结束语

文中选取某爆破型鱼雷战斗部为研究对象,基于冲击波峰值压力的爆炸威力评估标准,研究了无限水域中钢和铝两种壳体对爆破型战斗部爆炸威力的影响,得到以下结论:

1)对所研究战斗部药量下,壳体对爆炸威力的影响呈现出振荡衰减特性,且爆距越近振荡越大,爆距越远振荡越小且衰减越明显;壳体密度越大振荡越大,衰减越大。

2)相同厚度下铝壳体装药比钢壳体装药爆炸产生的冲击波峰值压力要高;冲击波前期波形受壳体厚度影响较大,后期衰减波形趋于一致。

3)壳体的存在使冲击波压力爬升到峰值的时间有滞后效应,壳厚越大,滞后效应越明显。相同装药量下,冲击波压力峰值随着壳厚的增加呈现类似抛物线的变化趋势。