反魚雷魚雷戰斗部對來襲魚雷爆炸毀傷效應仿真

劉 銳, 魯忠寶, 王明洲

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反魚雷魚雷戰斗部對來襲魚雷爆炸毀傷效應仿真

劉 銳, 魯忠寶, 王明洲

(中國船舶重工集團公司 第705研究所, 陜西 西安, 710075)

為了獲得反魚雷魚雷(ATT)戰斗部水中爆炸對來襲魚雷的毀傷效應, 以ANSYS LS- DYNA有限元分析軟件為平臺, 對ATT攻擊對象(來襲魚雷)進行了較為系統的建模, 并采用流固耦合算法針對ATT戰斗部在不同距離、不同角度下對來襲魚雷的爆炸毀傷效應進行了仿真計算, 得出了ATT戰斗部的毀傷半徑、來襲魚雷的毀傷判據以及ATT對來襲魚雷的毀傷規律。仿真結果表明, 在水中爆炸作用下, 來襲魚雷燃料艙段殼體較其他部分殼體更易發生變形或破裂。該研究可為魚雷的毀傷效應評定及ATT戰斗部研究提供參考。

反魚雷魚雷; 來襲魚雷; 水中爆炸; 流固耦合; 毀傷半徑

0 引言

要得到較為準確的反魚雷魚雷(anti-torpedo torpedo, ATT)戰斗部對來襲魚雷爆炸毀傷效應的仿真結果，需要從以下幾方面入手。首先, 要建立較為準確的來襲魚雷有限元計算模型、ATT戰斗部炸藥模型和水介質模型; 其次, 要采取合適的算法, 本文主要涉及的是水中爆炸沖擊波對來襲魚雷整體結構的動態響應問題, 所以采用流固耦合算法;第三, 實際作戰中雷目均為高速小目標, 交會姿態十分復雜, 通過計算多種工況下ATT戰斗部對來襲魚雷的爆炸毀傷效應仿真計算模型, 使得仿真工作更為實際和全面; 最后, 來襲魚雷在ATT戰斗部爆炸作用下的毀傷包括來襲魚雷結構的破壞及來襲魚雷內部設備的損壞, 這些都有可能導致來襲魚雷喪失作戰能力, 因此需要從外部結構和內部設備2個方面對來襲魚雷的毀傷效應進行考察, 使得計算結果的分析更為合理, 得到來襲魚雷的毀傷判據、ATT的毀傷半徑及對來襲魚雷的毀傷規律更為準確。

1 有限元模型的建立

1.1 來襲魚雷的有限元模型

對來襲魚雷結構進行簡化分析, 建立的來襲魚雷幾何模型主要包括魚雷殼體、雷頭橡膠、戰斗部裝藥、雷尾殼體、鰭、舵、軸、配重梁及其他等效結構, 對各部分選取合適的密度、彈性模量、泊松比等材料參數進行網格劃分, 形成來襲魚雷有限元模型。

1.2 炸藥和水介質有限元模型

為了保證網格質量, 建模時炸藥和水介質均使用映射網格建模, 結合工況特點(見圖1), 將水域建成圓柱體幾何模型, 這樣不僅有利于炸藥和水域映射網格的劃分, 提高計算的精度和效率, 而且在計算不同工況時, 只需要在圓柱體水域內變換來襲魚雷的距離和角度, 而不用對炸藥和水域重新建模, 大大提高了工作效率。此外, 根據計算工況對稱性的特點, 炸藥和水介質采用四分之一有限元建模, 大大減少了計算時間。

圖1 ATT對來襲魚雷毀傷示意圖

在ANSYS LS-DYNA中, 炸藥引爆以后, 其爆轟產物的壓力根據標準JWL(Jone-Wilkins-Lee)炸藥方程式(1)來模擬各種炸藥爆炸過程, 它可以比較精確地描述爆轟產物的膨脹驅動做功過程[1]

式中:*=/0為爆轟產物的相對比容;為比熱力學能;,,1,2,分別為JWL的5個待定參數。

根據ATT戰斗部裝藥特點, 設定炸藥的爆轟參數, 選取合適的,,1,2,值, 具體參數調整方法可參考文獻[1]; 水介質可使用空白材料模型MAT_NULL, 采用Mie-Grüneisen狀態方程。

1.3 ATT戰斗部對來襲魚雷爆炸毀傷的有限元模型

炸藥在水中的爆炸過程是一個高速的化學變化過程, 加之水介質的流動性很大, 為了更好地模擬炸藥水中爆炸沖擊波的傳播及對來襲魚雷的毀傷效應, 炸藥和水采用歐拉網格, 單元使用多物質任意拉格朗日-歐拉(arbitrary lagrange euler, ALE)算法, 來襲魚雷采用拉格朗日網格, 在來襲魚雷和水之間采用耦合算法, 這樣就實現了流體-固體耦合的動態分析[2]。部分工況的有限元模型如圖2所示。

圖2 ATT戰斗部對來襲魚雷爆炸毀傷有限元仿真模型

2 仿真計算

2.1 水中沖擊波仿真結果

水中爆炸經驗公式[3]

其中:為爆炸距離, m;為TNT當量值, kg;和為參數。

將式（2）計算所得不同距離處水中爆炸沖擊波峰值壓力與數值仿真得到的結果進行比較, 得圖3所示曲線。由圖中可看出, 在2 ~16 m處數值仿真得到的水中沖擊波峰值壓力與經驗公式計算值比較吻合。

2.2 來襲魚雷殼體上點的計算數值及分析

殼體是魚雷整體結構的關鍵部位, 也是魚雷最先受到爆炸沖擊的薄弱部位, 殼體一旦破裂, 會導致魚雷完全喪失作戰能力, 因此研究來襲魚雷殼體受到爆炸沖擊的動態響應對了解來襲魚雷的毀傷情況具有重要意義。

圖3 沖擊波峰值壓力比較

此次仿真計算了4種距離(=4 m, 8 m, 12 m, 15 m), 5種角度(=0°, 45°, 90°, 135°, 180°)共20種工況下ATT戰斗部水中爆炸對來襲魚雷的毀傷模型。下面對各種工況下來襲魚雷不同艙段殼體上點的等效塑性應變進行考察。點的具體位置如圖4所示。其中,點位于頭段殼體上,點位于戰雷段殼體上,點位于燃料艙段殼體上,點位于動力艙段殼體上,點位于尾艙段殼體上。

圖4 來襲魚雷殼體上的考察點

不同工況下來襲魚雷殼體上各考察點所受的最大等效塑性應變如表1所示。由表1中可看出: 1) 在同一姿態下(相同), 來襲魚雷殼體上各點所受的最大等效塑性應變會隨距離的增加而減小, 在=12 m時(此處水中沖擊波峰值壓力為15.54 MPa)只有部分姿態下的部分點會有塑性應變, 即來襲魚雷殼體在部分姿態下會發生塑性變形; 而在=15 m時各種姿態下來襲魚雷殼體上的點基本上沒有塑性應變, 即在15 m外, 來襲魚雷殼體基本上不會發生塑性變形; 2) 各種工況下點所受的等效塑性應變一般較大, 即點更容易發生塑性變形。

2.3 來襲魚雷外部結構毀傷情況

從2.2節的分析可得來襲魚雷殼體發生變形的條件, 但殼體是否會破裂不僅與殼體上點所受的應力和應變有關, 還與殼體結構(例如不同艙段的殼體厚度會有所不同)有關, 從圖5中可觀察殼體是否發生破裂及其他外部結構的毀傷情況，并判斷出某些工況下來襲魚雷毀傷嚴重完全喪失作戰能力, 某些工況下來襲魚雷毀傷情況不明顯, 單從外部結構中無法判斷來襲魚雷是否喪失作戰能力, 因此需要做進一步的分析。

表1 20種工況下來襲魚雷殼體上各點所受的最大等效塑性應變

Table 1 Maximum equivalent plastic strain of each point on incoming torpedo shell in 20 conditions

2.4 來襲魚雷內部點的計算數值及分析

來襲魚雷內部設備雖然不像殼體那樣遭受水中沖擊波的直接作用, 但卻會在沖擊波的作用下發生震蕩而損壞, 而震蕩的劇烈程度應從加速度大小和作用時間2個方面去考慮, 因此這里采用以下2個標準對來襲魚雷內部設備進行考察。

1) 美國軍標MIL-S-901C[4]中規定海軍船用大于2.7 t的重型設備的沖擊性能用浮動沖擊平臺進行考核。結果說明要使美軍船用設備損壞, 水中爆炸給艦船施加的沖擊加速度不能小于234.4 g。

2) GJB548A-96電子器件試驗方法和程序中對電子設備機械沖擊的篩選辦法進行了詳細的說明, 沖擊試驗設備應能夠按規定對器件本體施加4 900~294 000峰值加速度的沖擊脈沖, 其持續時間為0.1~1.0 ms, 具體試驗條件及要求見表2。

表2 加速度峰值及作用時間

Table 2 Peak value of acceleration and action time

在來襲魚雷各艙段內部分別取一點, 圖6中,1位于頭段內,1位于戰雷段內,1位于燃料艙段內,1位于動力艙段內,1位于尾艙段內。

以=12 m,=0°工況為例, 來襲魚雷內部1點在方向上加速度隨時間的響應曲線如圖7所示。

圖6 來襲魚雷內部考察點

圖7 L=12 m, θ=0°工況下A1點Z方向加速度曲線

從表3可以得出, 要使來襲魚雷內部設備損壞, 來襲魚雷內部點的加速度峰值平均值的最小值要在874.1~911.8 g之間。

表3 不同工況下各點加速度峰值平均值及脈沖持續時間

Table 3 Average values of peak acceleration and pulse duration time in different conditions

2.5 來襲魚雷毀傷情況

綜合2.3節和2.4節的分析判斷可以得知: 當爆炸距離為8 m以下時, 可確定來襲魚雷在任何姿態下都會喪失作戰能力; 當爆炸距離在8~12 m時, 在=0°, 90°, 180°姿態下, 來襲魚雷會完全喪失作戰能力；在=0°, 135°姿態下, 來襲魚雷可能會喪失作戰能力; 當爆炸距離在12~15 m時, 來襲魚雷在=45°姿態下可能會喪失作戰能力, 其他姿態下不會喪失作戰能力，具體情況參見表4。

表4 20種工況下來襲魚雷毀傷情況表

Table 4 Damages of an incoming torpedo in 20 conditions

3 結論

通過對不同爆炸距離、不同姿態共20種工況下ATT戰斗部對來襲魚雷爆炸毀傷的數值仿真, 可得如下結論。

1) 當來襲魚雷受到ATT戰斗部爆炸沖擊時, 來襲魚雷燃料艙段較其他艙段更易變形或破裂;

2) ATT的毀傷半徑大致為12 m, 在這個范圍內, 來襲魚雷可能殼體破裂, 舵、鰭被破壞或內部設備損壞而喪失作戰能力;

3) 要使來襲魚雷殼體破裂, 水中沖擊波峰值壓力要達到15.54 MPa, 要使來襲魚雷內部設備損壞, 設備上的沖擊加速度要達到900 g以上。

[1] 劉銳. 不同條件下水中爆炸沖擊壓力場分布特性研究[D]. 北京: 北京理工大學, 2010.

[2] 時黨勇, 李裕春, 張勝民. 基于ANSYS/LS-DYNA 8.1進行顯式動力分析[M]. 北京: 清華大學出版社, 2005.

[3] Cole. 水下爆炸[M]. 北京: 國防工業出版社, 1960.

[4] 孟慶玉, 張靜遠. 魚雷作戰效能分析[M]. 北京: 國防工業出版社, 2003.

Simulation of Explosive Damage Effect of ATT Warhead on Incoming Torpedo

LIU Rui, LU Zhong-bao, WANG Ming-zhou

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China)

To assess the damage effect of anti-torpedo torpedo (ATT) warhead on an incoming torpedo, we establish an incoming torpedo model with the finite element analysis software ANSYS LS-DYNA, simulate the explosive damage effect of ATT warhead on an incoming torpedo with different distances and different angles by using the fluid-solid coupling algorithm, and obtain the damage radius of ATT warhead, the damage criterion of an incoming torpedo, and the damage laws of an ATT against an incoming torpedo. Simulation results show that deformation and fracture occur more easily on the shell of fuel tank section of an incoming torpedo than on other shells in underwater explosion. This study may benefit the damage effect assessment of an ATT and the research of ATT warhead.

anti-torpedo torpedo (ATT); incoming torpedo; underwater explosion; fluid-solid coupling; damage radius

TJ630.2

A

1673-1948(2012)05-0375-05

2012-07-26;

2012-09-13.

劉 銳(1984-), 男, 碩士, 工程師, 主要研究方向為魚雷戰斗部及觸發引信.

(責任編輯: 楊力軍)