水聲干擾子彈威力分析

孫鐘阜, 盛振新, 劉榮忠, 郭 銳

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水聲干擾子彈威力分析

孫鐘阜1, 盛振新2, 劉榮忠2, 郭 銳2

(1. 中國人民解放軍海軍駐上海地區水聲導航系統軍事代表室, 上海, 201108;2. 南京理工大學 機械工程學院, 江蘇 南京, 210094)

為了研究殼體厚度和材料對水聲干擾子彈威力的影響, 在Cole水下爆炸沖擊波經驗公式的基礎上, 利用AUTODYN仿真程序對水聲干擾子彈水下爆炸進行模擬, 分析了子彈殼體厚度和材料對水下爆炸聲壓級的影響, 仿真結果表明, 水下爆炸聲壓級隨著殼體厚度的增加先升高后降低; 殼體材料的屈服應力越大, 水下爆炸聲壓級越高。仿真結果為工程應用提供理論參考。

水聲干擾子彈; 帶殼裝藥水下爆炸; 水下爆炸聲壓級; 殼體厚度和材料

0 引言

寬帶噪聲干擾器和連續爆炸式水聲干擾彈均為軟殺傷式反魚雷的有效手段。文獻[1]對兩者的優缺點進行了對比, 寬帶噪聲干擾器電聲效率低, 而連續爆炸式水聲干擾彈產生的聲信號頻率分布寬, 且聲功率高。試驗表明, 小量含能材料的水下爆炸聲源級可達200dB以上[1]。

水聲干擾彈由若干個爆炸子單元組成, 利用爆炸子單元產生的聲信號作為干擾聲來對抗魚雷。由于爆炸子單元外層有殼體包覆, 殼體材料和厚度會對爆炸沖擊波產生影響, 進而影響聲信號的聲壓級, 而聲壓級是衡量水聲干擾彈的主要指標。文獻[2]分析了殼體厚度對水下爆炸沖擊波峰值大小的影響, 文獻[3]研究了殼體厚度對空氣爆炸沖擊波的影響, 文獻[4]研究了不同殼體材料對空氣爆炸沖擊波的影響, 文獻[5]給出了帶殼裝藥水下爆炸沖擊波峰值壓力的擬合公式, 并分析了沖擊波峰值壓力隨殼厚和爆炸深度的變化規律。本文在前人工作的基礎上, 利用AUTODYN對水下爆炸進行仿真, 得到了3種殼體材料情況下, 距爆心1 m處的沖擊波峰值壓力, 將其換算為聲壓級, 分析了殼體材料和厚度對水下爆炸聲壓級的影響。

1 Cole水下爆炸沖擊波經驗公式

水下爆炸所產生的沖擊波壓力可以通過Cole和Zamyshlyyayev總結的水下爆炸沖擊波經驗公式進行計算。對于TNT球形裸裝炸藥, 水下爆炸所產生的沖擊波壓力經驗公式為[6]

圖1 典型爆炸沖擊波曲線

Fig. 1 Typical curve of shock wave

2 仿真模型的建立

文中針對無限水域中水下爆炸問題, 采用AUTODYN有限元軟件, 建立一維WEDGE有限元計算模型, 模型如圖2。模型中, 水域長3000 mm, 設置網格數為6000, TNT球形裝藥半徑為20 mm, 質量為54.62 g。水的狀態方程采用SHOCK狀態方程, 炸藥采用JWL狀態方程, 殼體材料采用SHOCK狀態方程[6-7]。

2.1 水的SHOCK狀態方程

水的SHOCK狀態方程為

其中

2.2 炸藥的JWL狀態方程

式中:為壓力;為相對體積;為內能;和為材料參數;1,2和為常數。取0=1.63 g/cm3,=6 930 m/s,P=2.1′1010Pa,=3.172′1011Pa,=3.23′109Pa,1=4.15,2=0.95,=0.30, 初始內能0=4.29′106J/kg。

2.3 材料參數

文中用到的殼體材料有Steel, Copper和Al, 具體材料參數參考文獻[7]。

3 殼體厚度對水下爆炸聲壓級的影響

從表1可以看出, 帶殼裝藥水下爆炸聲壓級比裸裝炸藥的水下爆炸聲壓級高, 隨著殼體厚度的增加, 水下爆炸聲壓級先增大后減小。由于殼體對沖擊波能量的累積作用, 沖擊波壓力峰值隨著殼體厚度的增加而增大, 但達到一定厚度后, 大部分能量被殼體的熔化和撕裂吸收, 釋放出的能量減小, 沖擊波壓力峰值減小, 相應的水下爆炸聲壓級先增大后減小, 與文獻[5]的結論一致。

表1 殼體厚度對應的爆炸沖擊波壓力峰值和聲壓級

4 殼體材料對水下爆炸聲壓級的影響

炸藥爆炸過程中, 殼體膨脹斷裂。在同樣殼體厚度的情況下, 由于殼體材料的不同, 拉伸應力不同, 所產生的壓力峰值也不同, 則水下爆炸聲壓級也不同。為了分析殼體材料對無限水域爆炸沖擊波壓力峰值的影響, 殼體材料分別采用Steel, Copper和Al, 殼體厚度取0.5 mm, 利用AUTODYN進行仿真計算, 測量地點為距離爆心1m處。不同殼體材料的力學性能和對應的爆炸沖擊波壓力峰值和聲壓級見表2。

表2 不同殼體材料1m處峰值壓力和聲壓級

總的來說, 殼體的拉伸應力越大, 殼體對沖擊波能量的累積作用越大, 釋放出的能量越大, 即沖擊波壓力峰值越大, 水下爆炸聲壓級也越高。

5 結論

利用AUTODYN對水聲干擾子彈爆炸沖擊波進行仿真分析, 探討了殼體厚度和材料對水下爆炸聲壓級的影響, 得出如下結論: 1) 帶殼裝藥水下爆炸時, 聲壓級受到殼體厚度的影響。由于殼體對沖擊波能量的累積作用, 沖擊波壓力峰值隨著殼厚的增加而增大, 但當到達一定厚度后, 大部分能量被殼體的熔化和撕裂吸收, 沖擊波壓力峰值減小, 所以, 水下爆炸聲壓級先升高后降低。仿真結果證明該轉折是存在的。2) 殼體材料的不同對水下爆炸聲壓級也會產生一定影響, 材料不同時, 殼體厚度對沖擊波壓力峰值的影響規律相同; 帶殼裝藥水下爆炸沖擊波峰值壓力的大小還與殼體材料的力學特性有關,殼體材料的屈服應力越大, 爆炸沖擊波的壓力峰值越大, 水下爆炸聲壓級也越高。

[1] 楊虎, 陳航, 諸國磊, 等. 連續爆炸式水聲干擾彈對抗仿真系統開發研究[J].系統仿真學報, 2007,19(18): 4134- 4159. Yang Hu, Chen Hang, Zhu Guo-lei, et al. Research on Warfare Simulation System for Continuous Explosive Under- water Acoustic Decoy[J]. Journal of System Simulation, 2007, 19(18): 4134-4159.

[2] Li Yu-jie, Zhang Xiao-ci, Wang Jun, et al. Underwater Explosion of Shell and TNT Dynamite with a Metal Annular Gap[J]. Journal of Ship Mechanics, 2005, 9 (3): 118-125.

[3] 張奇, 覃彬, 孫慶云, 等. 戰斗部殼體厚度對爆炸空氣沖擊波的影響[J]. 彈道學報, 2008, 20(2): 17-21. Zhang Qi, Tan Bin, Sun Qing-yun, et al. Influence of Thick- ness of Warhead Shell upon Explosive Shock Wave[J]. Journal of Ballistic, 2008, 20(2): 17-21

[4] 梁斌, 盧永剛, 楊世全, 等. 不同殼體裝藥爆炸威力的數值模擬及試驗研究[J]. 火炸藥學報, 2008, 31(1): 6-11. Liang Bin, Lu Yong-gang, Yang Shi-Quan, et al. Numerical Simulation and Experiment Investigation of Blast Effect of Explosive Charge with Different Shell Materials[J]. Chinese Journal of Explosives&Propellant, 2008, 31(1): 6-11.

[5] 盛振新, 劉榮忠, 郭銳. 殼體厚度和爆深對水下爆炸沖擊波的影響[J]. 火炸藥學報, 2011, 34(3): 45-47. Sheng Zhen-xin, Liu Rong-zhong, Guo Rui. Impact of Shell Thickness and Explosion Depth on Underwater Explosive Shock Wave[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellant, 2011, 34(3): 45-47.

[6] 肖秋平, 陳網樺, 賈憲振, 等. 基于AUTODYN的水下爆炸沖擊波模擬研究[J]. 艦船科學技術, 2009, 31(2): 38-43. Xiao Qiu-ping, Chen Wang-hua, Jia Xian-zhen, et al. Nume- rical Study of Underwater Explosion Shock Wave Based on AUTODYN[J]. Ship Science and Technology, 2009, 31(2): 38-43.

[7] AUTODYN Theory Manual Version 4.3 [M]. Century Dynamic Corporation: USA, 2005.

Analysis on Power of Underwater Acoustic Interfere Munitions

SUN Zhong-fu1, SHENG Zhen-xin2, LIU Rong-zhong2, GUO Rui2

(1.Military Representative Office of Underwater Acoustic Navigation System of Navy in Shanghai Area, The People￠s Liberation Army of China, Shanghai 201108, China; 2. School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

To study the effects of shell thickness and material on power of underwater acoustic interfere munitions by AUTODYN software, based on the Cole′s underwater explosion empirical formula, the sound pressure level of shock wave created by underwater explosion of TNT with a metal shell is calculated for different thickness and material of the shell. Relations among the sound pressure level of shock wave, the shell thickness and the shell material are analyzed. Simulation results show that the sound pressure level of shock wave increases first and then decreases with the thickness; and the higher the yield stress of shell material, the higher the sound pressure level of shock wave.

underwater acoustic interfere munitions; underwater explosion of TNT with a metal shell; sound pressure level of underwater explosion; shell thickness and material

TJ410.1; O383.1

A

1673-1948(2012)01-0078-03

2011-09-23;

2011-11-03.

江蘇省2011年度普通高校研究生科研創新計劃資助項目(CXZZ11_0270).

孫鐘阜(1965-), 男, 高級工程師, 主要研究方向為水聲對抗.

(責任編輯: 許 妍)