水雷易損性建模與數(shù)值仿真研究＊

劉 亭 嚴(yán) 平 譚 波

（海軍工程大學(xué) 武漢 430033）

1 引言

當(dāng)前，艦艇面臨的水下威脅日益嚴(yán)重，如何有效防御魚水雷等水中兵器已成為各國海軍彈藥裝備發(fā)展的方向之一。美國1995年展示的機(jī)載快速滅雷系統(tǒng)，發(fā)射20mm口徑的超空泡射彈，可擊穿由機(jī)載藍(lán)綠激光探雷系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的水深50英尺范圍內(nèi)的錨雷和沉底雷［1］。美國海軍水下作戰(zhàn)中心研究的高速水下彈藥系統(tǒng)，通過發(fā)射高速超空泡彈藥對(duì)魚水雷等水下目標(biāo)進(jìn)行硬殺傷來提供艦艇的水下防御［2］。英國與挪威聯(lián)合試驗(yàn)了海上滅雷新系統(tǒng)“水雷狙擊手”，由水下遙控航行器所攜帶的水下火炮發(fā)射彈藥來徹底引爆水雷裝藥［2］。

在以上研究中，一個(gè)重要的問題是如何開展水下動(dòng)能射彈對(duì)魚水雷目標(biāo)的毀傷效能評(píng)估，即在特定彈道環(huán)境和交會(huì)條件下對(duì)射彈毀傷能力與毀傷效果進(jìn)行度量。它取決于彈丸毀傷機(jī)理、毀傷威力、打擊方式、精度以及目標(biāo)易損特性等。而開展典型魚水雷目標(biāo)易損性研究，一方面有助于對(duì)魚水雷目標(biāo)結(jié)構(gòu)特性的認(rèn)識(shí)，優(yōu)化彈丸威力設(shè)計(jì)，提高彈藥的毀傷能力；另一方面有助于魚水雷抗毀傷性能的改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高戰(zhàn)場(chǎng)生存力。本文以沉底水雷為對(duì)象，對(duì)水雷目標(biāo)易損性問題展開研究。

2 水雷目標(biāo)易損性研究框架

2.1 易損性的概念

易損性具有雙重含義［3］：從廣義上講，易損性是指某種裝備對(duì)于破壞的敏感性，其中包括關(guān)于如何避免被擊中等方面的考慮；從狹義或終點(diǎn)彈道意義上講，易損性是指某種裝備假定被一種或多種毀傷元素?fù)糁泻髮?duì)于破壞的敏感性。根據(jù)所要對(duì)付的主要目標(biāo)，彈藥的設(shè)計(jì)者和使用者所關(guān)心的問題是彈藥攻擊敵方目標(biāo)后，使其原有性能損失的程度以及這種程度對(duì)其完成作戰(zhàn)任務(wù)的影響程度。

2.2 水雷目標(biāo)易損性研究的總體思路

動(dòng)能彈對(duì)水雷目標(biāo)的破壞方式分為兩種：一是動(dòng)能彈沿運(yùn)動(dòng)方向侵徹貫穿水雷殼體對(duì)內(nèi)部關(guān)鍵部件毀傷造成目標(biāo)功能失效；二是侵徹水雷戰(zhàn)斗部引爆內(nèi)部裝藥。一個(gè)完整的水下射彈對(duì)水雷目標(biāo)易損性研究的總體思路如圖1所示。

1）毀傷等級(jí)劃分

目標(biāo)毀傷意味著其相應(yīng)功能喪失，可能是某種功能喪失或幾種功能不同程度的喪失，也可能是各種功能同時(shí)喪失。為了準(zhǔn)確合理地反映目標(biāo)何種功能喪失以及功能喪失程度，應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)、理論分析與數(shù)值模擬結(jié)果，首先進(jìn)行主毀傷等級(jí)劃分，然后根據(jù)各功能子系統(tǒng)的功能喪失程度劃分若干個(gè)次級(jí)毀傷。

圖1 水雷易損性研究總體思路

2）關(guān)鍵部件分析及目標(biāo)功能毀傷樹構(gòu)造

不論何種目標(biāo)系統(tǒng)，都可以劃分成多個(gè)子系統(tǒng)。各個(gè)子系統(tǒng)又由許多零部件構(gòu)成。有些部件的毀傷直接影響著目標(biāo)作戰(zhàn)使命，甚至導(dǎo)致整個(gè)目標(biāo)毀傷，稱作關(guān)鍵部件。進(jìn)行目標(biāo)易損性分析與評(píng)估時(shí)，只考慮關(guān)鍵部件。然后根據(jù)各個(gè)關(guān)鍵部件與子系統(tǒng)之間的相互關(guān)系建立與不同毀傷等級(jí)相對(duì)應(yīng)、具有一定邏輯關(guān)系的樹型結(jié)構(gòu)圖，即目標(biāo)功能毀傷樹［4］。

3）數(shù)值模擬

在侵徹模擬中，應(yīng)結(jié)合戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用，考察不同材料、質(zhì)量、速度、方向的彈丸運(yùn)動(dòng)軌跡及其侵徹行為。由于侵徹問題屬于大變形、高壓和高應(yīng)變率的問題，因此對(duì)這類問題的數(shù)值模擬，采用合理的材料分析模型是重要的前提條件［5］。此外，由于高速碰撞發(fā)生，在材料內(nèi)部產(chǎn)生沖擊波，這種沖擊波在材料內(nèi)部形成壓力、密度、能量和質(zhì)點(diǎn)加速度的間斷點(diǎn)，使微分方程產(chǎn)生奇異點(diǎn)。因此，需要在計(jì)算中引入人工體積粘性項(xiàng)來修正靜壓力項(xiàng)。

4）等效試驗(yàn)方法

在目標(biāo)易損性分析與評(píng)估時(shí)，一般采用等效原則（如彈道極限速度等效原則［6］），將目標(biāo)模擬為具有特定形狀和物理屬性的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。由于水下高速運(yùn)動(dòng)彈丸與陸上常規(guī)武器發(fā)射的高速運(yùn)動(dòng)的彈丸以及水中低速運(yùn)動(dòng)航行體的運(yùn)動(dòng)特性相比具有許多不同之處。因此，在等效試驗(yàn)設(shè)計(jì)中應(yīng)選擇合適的水下彈道測(cè)量技術(shù)，并研究陸上侵徹和水下侵徹的等效關(guān)系。

5）典型水雷目標(biāo)的毀傷概率計(jì)算

對(duì)各種彈目交會(huì)條件進(jìn)行反復(fù)模擬，給出目標(biāo)所有可能的部件毀傷態(tài)向量的全域分布；利用降階態(tài)評(píng)估法輸出以各任務(wù)相關(guān)子系統(tǒng)（如儀器艙、戰(zhàn)斗部、動(dòng)力艙等）的工程性能降階態(tài)發(fā)生概率為易損性度量指標(biāo)的全域分布。

3 水雷目標(biāo)易損性建模

針對(duì)沉底水雷，借鑒文獻(xiàn)［7］提出水雷目標(biāo)易損性建模的一般步驟：

3.1 目標(biāo)的結(jié)構(gòu)及功能分析

圖2 沉底水雷的艙段模型

沉底水雷的總體結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)艙段：裝藥雷體和引信艙。如圖2所示。

關(guān)鍵部件包括：

·裝藥雷體：其結(jié)構(gòu)頭部為橢球形，主體為圓柱體，其功能是裝填炸藥、安裝感應(yīng)線圈棒并連接水雷的引信艙。

·引信艙殼體：結(jié)構(gòu)呈圓柱形，其功能是安裝和保護(hù)水雷引信裝置等部件，保證水雷內(nèi)部的水密。

·引信：包括感應(yīng)線圈棒和引信裝置，其功能是接受外界物理場(chǎng)信號(hào)，進(jìn)行信號(hào)處理，當(dāng)判斷是目標(biāo)通過時(shí)，給出爆炸信號(hào)。

·電池組：其功能是是提供水雷工作的能源。

·起爆裝置：由氣壓保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)和聚能傳爆管兩部分組成，其作用是根據(jù)水雷引信所提供的起爆信號(hào)起爆，引爆水雷的主裝藥。

3.2 目標(biāo)毀傷級(jí)別

沉底水雷結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且各個(gè)結(jié)構(gòu)聯(lián)系緊密，不論某一個(gè)關(guān)鍵部件損傷，都會(huì)導(dǎo)致水雷失去戰(zhàn)斗力，所以從簡(jiǎn)單實(shí)用、并結(jié)合其戰(zhàn)術(shù)使命的角度出發(fā)，將沉底水雷的毀傷等級(jí)劃分為如下兩個(gè)等級(jí)。

1）KK級(jí)毀傷：水雷目標(biāo)立即被摧毀，如戰(zhàn)斗部爆炸或者機(jī)構(gòu)解體。

2）C級(jí)毀傷：水雷目標(biāo)部分功能喪失而不能完成既定作戰(zhàn)任務(wù)，如不能起爆戰(zhàn)斗部。

3.3 目標(biāo)毀傷樹

以水雷引信艙為例，進(jìn)行水雷目標(biāo)的毀傷分析：

·引信艙殼體：引信艙殼體損壞，水雷內(nèi)部水密失效，海水進(jìn)入艙內(nèi)，造成內(nèi)部機(jī)構(gòu)失靈，最終導(dǎo)致水雷失效。

·引信：感應(yīng)線圈棒為聲傳感器，直接與海水接觸，若其損傷，則不能探測(cè)目標(biāo)；引信裝置損傷，引信將不能正常工作，造成水雷失效。

·聚能起爆裝置：若傳爆序列受損，將不能正常起爆雷體裝藥。

·電池組：電池組損傷，將導(dǎo)致引信和聚能起爆裝置不能正常工作。

圖3 沉底水雷C級(jí)結(jié)構(gòu)功能毀傷樹

其他機(jī)構(gòu)，如保險(xiǎn)器、裝配板組等的損傷不影響水雷的正常工作。

根據(jù)以上分析，構(gòu)建出某型沉底水雷C級(jí)結(jié)構(gòu)功能毀傷樹，如圖3所示。

4 射彈對(duì)水雷侵徹過程的仿真分析

4.1 水雷與射彈的有限元模型

本文采用有限元方法對(duì)射彈侵徹水雷過程進(jìn)行數(shù)值模擬。射彈頭部形狀為錐體，彈體形狀為圓柱體，直徑12.7mm，彈體材料為鎢合金，采用四面體歐拉單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，有限元實(shí)體模型如圖4（a）所示；水雷雷體結(jié)構(gòu)頭部為半球形，柱體和引信艙均為圓柱形，材質(zhì)為低碳鋼Q235，采用正六面體歐拉單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，有限元?dú)んw模型如圖4（b）所示。

4.2 射彈對(duì)水雷侵徹建模及仿真

取一部分殼體弧形靶板等效水雷殼體，邊界條件固定。模型的建立基于以下的假設(shè)：彈丸和靶板都為均勻連續(xù)介質(zhì)，整個(gè)侵徹沖擊過程為絕熱過程，不計(jì)空氣阻力，不考慮重力的作用，不考慮靶板的位移，彈丸與靶板的初始應(yīng)力為零。利用Patran軟件構(gòu)建目標(biāo)毀傷模型，如圖5所示。

圖4 水雷與射彈的有限元模型

圖5 彈丸垂直侵徹目標(biāo)毀傷模型

圖6 彈丸速度變化情況

從文獻(xiàn)［8］中可知，水下彈丸在水下的運(yùn)動(dòng)速度最高達(dá)300m／s，并 伴 隨 著 超空泡現(xiàn)象，所以仿真計(jì)算時(shí)把彈丸著靶速度設(shè)為 300m／s，計(jì)算完成后得到彈丸速度變化曲線，如圖6所示。將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入Patran進(jìn)行后處理，得到彈丸侵徹靶板的變化情況，如圖7所示。

由速度變化曲線可以看出，彈丸以300m／s的速度侵徹靶板時(shí)，整個(gè)侵徹過程歷時(shí)0.26ms彈丸穿透靶板后速度約為180m／s。侵徹可大概分為三個(gè)過程：開坑，穩(wěn)定侵徹和沖塞階段。并且侵徹結(jié)束后可以看出彈丸形狀的變化情況，較侵徹前彈體長(zhǎng)度變短，彈頭鈍化。

圖7 鎢彈著靶速度為300m／s時(shí)侵徹靶板過程

將射彈材料屬性改為低碳鋼Q235，著靶速度為300m／s，仿真結(jié)果如圖8所示，從仿真結(jié)構(gòu)可以看出，鋼彈未能穿透靶板，彈體完全侵蝕。

圖8 鋼彈侵徹靶板過程

在實(shí)際中，彈丸不可能都是垂直侵徹，著靶角大于0°的斜侵徹才是常遇見的。圖9為鎢彈著靶角為45°時(shí)的侵徹過程（著靶速度為300m／s），彈丸未能穿透靶板，并且彈丸完全被侵蝕。

圖9 著靶角為45°時(shí)侵徹靶板過程

4.3 仿真結(jié)果分析

1）根據(jù)彈丸的速度變化曲線可知，彈丸的侵徹能力與著靶速度成正比，著靶速度越大即彈丸動(dòng)能越大，侵徹能力越強(qiáng)。

2）整個(gè)侵徹過程時(shí)間很短，彈丸被侵蝕掉了很大部分，說明材料參數(shù)的影響很重要。如果彈丸的材料強(qiáng)度很差，在侵徹過程中會(huì)由于質(zhì)量過多損失，大大降低動(dòng)能，對(duì)侵徹影響很大。

3）著靶速度相同的情況下，垂直侵徹能力比斜侵徹能力強(qiáng)。

4）引信艙內(nèi)部有電路板，材料為FR4（環(huán)氧玻璃布層壓板），彈丸侵徹穿透靶板后存速約為180m／s，能夠?qū)﹄娐钒逶斐善茐模灾滤资В凰變?nèi)部裝藥為PBX炸藥［9］，PBX炸藥在受到撞擊時(shí)爆炸的反應(yīng)閾值為263.5－269.9m／s［11］，因此彈體侵徹水雷殼體后的存速不能引爆水雷內(nèi)部裝藥。

5 結(jié)語

本文對(duì)沉底水雷的易損性進(jìn)行了分析研究，描述了水雷目標(biāo)易損性研究框架，進(jìn)行了水雷目標(biāo)易損性建模，并且對(duì)射彈侵徹水雷殼體過程進(jìn)行了仿真。易損性的研究是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，下一步將更深入地研究彈體貫穿殼體后對(duì)水雷內(nèi)部裝藥和引信艙艙內(nèi)機(jī)構(gòu)的毀傷效果，逐步完善沉底水雷的易損性研究。

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