典型戰斗部水下爆炸侵徹仿真

李惠明， 陳智剛， 趙東華， 楊 力， 李 超， 趙長嘯

(1. 武漢軍械士官學校， 武漢 430075； 2. 中北大學機電工程學院， 太原 030051)

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典型戰斗部水下爆炸侵徹仿真

李惠明1,2， 陳智剛2， 趙東華1， 楊 力2， 李 超1， 趙長嘯1

(1. 武漢軍械士官學校， 武漢 430075； 2. 中北大學機電工程學院， 太原 030051)

為了研究典型戰斗部水下侵徹情況，采用ANSYS-LS/DYNA3D有限元仿真軟件，對圓柱形裝藥和半球形空穴裝藥水中爆炸情況進行數值模擬，并分析了兩者沖擊波壓力、氣泡直徑的變化。結果表明：25μs時，半球形空穴裝藥近距離產生的沖擊波壓力是圓柱形裝藥的3倍多，但隨著距離的增大，不同裝藥的影響逐漸減小；500μs時，半球形空穴裝藥水中爆炸形成的氣泡軸向直徑是圓柱形裝藥的1.5倍。采用ANSYS-LS/DYNA3D有限元仿真軟件，對圓錐形裝藥戰斗部和半球形裝藥戰斗部爆炸成型和水中侵徹情況進行數值模擬，結果表明：半球形裝藥戰斗部形成的射流外形良好，侵徹水層的速度降較小，更適合水中侵徹破壞。

水下爆炸； 侵徹仿真； 數值模擬； 裝藥結構； 沖擊波

1　引言

我國擁有長達1.8萬多km的海岸線,海上軍事能力非常重要，其中魚雷是海軍作戰的主要作戰武器之一。目前國內研發的魚雷在定向聚能爆破技術方面相對國外還有較大差距。本文主要從小型爆破戰斗部設計著手，根據炸藥在水介質中的爆炸理論，結合聚能裝藥的研究成果〔1〕，對裝藥結構在水中運用進行了理論研究、數值模擬驗證。以期為水下戰斗部設計提供一定依據。

2　理論分析

根據水中爆轟原理〔2-3〕，炸藥在均勻、靜止的深水中爆炸時，高壓的爆炸產物急劇向外膨脹，便在水中形成初始沖擊波，水中初始沖擊波壓力比空氣中的大得多。由于水的不可壓縮性、密度大，其波陣面壓力和速度下降很快，且波形不斷拉寬。在形成初始沖擊波的同時，爆炸氣體的氣團向外膨脹并做功。隨著氣泡的膨脹，氣泡的壓力隨著膨脹而不斷下降，當氣泡膨脹到內部的壓力等于外部流體壓力時，氣泡的內外壓力差變為零，氣泡的膨脹速度達到最大，由于水向外擴散的慣性作用，氣泡繼續膨脹，氣泡內的壓力小于流體靜壓，壓力波出現負值。當流體的擴散動能消耗完畢時，氣泡體積達到最大，壓力達到最低。在外部靜壓力的作用下，周圍的水開始反向運動，同時壓縮氣泡，使氣泡不斷收縮，其壓力逐漸增加。同樣聚合水流慣性運動的結果，氣泡被過度壓縮，其內部壓力高于周圍的平衡壓力，直到氣體壓力能阻止氣泡的壓縮而達到新的平衡。這是氣泡脈動的第一次循環結束。

實驗數據顯示〔3〕，裝藥在水中爆炸能產生水中沖擊波、氣泡和壓力波。這三者對目標都會造成一定程度的毀傷和破壞作用。

3　計算模型及材料模型

3.1計算模型

模型由炸藥、藥型罩、水介質、空氣和殼體組成(圖1)，其中炸藥、水介質和空氣三種材料采用歐拉網格建模，單元使用多物質ALE算法〔4〕。殼體采用拉格朗日方法，兩者通過流固耦合算法作用。在無限水介質中爆炸，爆炸作用系統關于中心軸對稱，在模型外表面采用壓力透射邊界，使沖擊波在模型外表面不產生反射。在對稱邊界上施加對稱約束，采用面起爆方式。單位制cm-g-μs。

1-水介質Water medium；2-炸藥Explosive；3-殼體Shell；4-空氣Air圖1　裝藥結構示意圖Fig.1　Scheme of charge structure

3.2材料模型

數值模擬中炸藥采用高能奧克托今炸藥，采用JWL狀態方程來描述爆轟產物的壓力、體積、能量特性。奧克托今爆轟性能參數如表1所示。

紫銅藥型罩在成型過程已變為流體行為，采用Zerilli-Armstrong材料模型，如表2所示。

使用Gruneisen狀態方程描述液態水，其參數如表3所示。

表1　主裝藥的基本材料參數

表2　紫銅材料的基本材料參數

表3　水介質性能參數和Gruneisen狀態方程參數

使用空白材料和EOS_LINEAR_POLYNOMIAL線性多項式狀態方程模擬空氣，線性多項式狀態方程的內部能量呈線性分布。狀態方程中重要參數如表4所示。

表4　空氣基本材料參數

采用高強度鋁合金作為戰斗部殼體材料。由于殼體變形不是研究重點，所以僅采用塑性動態硬化模型即可，該模型狀態方程中重要參數如表5所示。

表5　殼體基本材料參數

4　模擬結果及分析

4.1圓柱形裝藥、半球形空穴裝藥模擬分析

圓柱形裝藥〔5〕、半球形空穴兩種裝藥在25，45，65，105，165μs水域中的沖擊波傳播情況模擬結果如圖2和圖3所示。

圖2　圓柱形裝藥沖擊波傳播情況Fig.2　Shock wave propagation of cylindrical charge

圖3　半球形空穴裝藥沖擊波傳播情況Fig.3　Shock wave propagation of half spherical charge

通過后處理軟件分析：在25μs時，半球形裝藥產生的最高沖擊波壓力是圓柱形裝藥的3倍多，達到16GPa，從外形上看，半球形裝藥形成的沖擊水流頭部尖銳，能量集中，更有利于提高局部破壞能力。

在水介質10cm處取質點A(14539)，通過后處理軟件分析沖擊波在該質點速度變化情況(圖4)，可以看出，50μs半球形裝藥的速度是圓柱形裝藥的4倍，但速度降較大，并在300μs后速度趨向一致。

圖4　質點A處沖擊波速度曲線圖Fig.4　Curve graph of shock wave velocity in point A

在水介質50cm處再取質點B(16267)，通過后處理軟件分析該質點沖擊波壓力變化情況(圖5)，壓力曲線有明顯振蕩性， 經驗證分析〔1，4〕，是爆炸后產生的殼體破片在水介質中高速侵徹的結果，可增強毀傷作用，柱形裝藥略強于半球形裝藥。

圖5　質點B處沖擊波壓強曲線Fig.5　Curve graph of shock wave pressure in point B

兩種裝藥在第一次氣泡脈動內腔變化情況如圖6所示。對比可以看出：半球形裝藥產生的氣泡空腔半徑大于圓柱形裝藥，近距離軸向處氣泡空腔半徑是圓柱形裝藥的1.5倍，根據氣泡脈動研究〔6-8〕，水下爆炸除了沖擊波作用外，氣泡脈動對附近物體也可造成不同程度的破壞。

圖6　不同時刻水域中氣泡分布Fig.6　Bubble distribution in water at different time

圖7　兩種戰斗部結構Fig.7　Structures of two kinds of warhead

4.2圓錐形裝藥、半球形裝藥戰斗部模擬分析

圖7為圓錐形裝藥、半球形裝藥戰斗部的結構，其中藥型罩采用紫銅材料，并和水、空氣、炸藥采用歐拉網格建模，ALE算法處理。

圖8反映了圓錐形裝藥戰斗部在20，40，60μs爆炸的成型情況，在90，250，450μs侵徹水介質的結果。

圖8　圓錐形裝藥戰斗部水下爆炸成型和侵徹情況Fig.8　The explosion forming and penetration in water by comicalness charge

圖9反映了半球形裝藥戰斗部爆炸成型和侵徹結果。

圖9　半球形裝藥戰斗部水下爆炸成型和侵徹情況Fig.9　The explosion forming and penetration in water by hemisphere charge

通過后處理軟件分析兩種戰斗部成型以后侵徹水介質的情況，如表6所示。

表6　兩種戰斗部在水介質中侵徹情況

根據表6得出，圓錐形空穴裝藥戰斗部射流初速高，但在水中衰減很快，杵體直徑大，不利于在水中侵徹破甲，半球形空穴裝藥戰斗部射流外形好，前后端速度差小，更適合水中侵徹破甲。

5　結論

(1)半球形空穴裝藥對爆炸點附近的水介質沖擊波局部作用場明顯強于圓柱形裝藥。

(2)半球形空穴裝藥爆炸在水介質中產生的氣泡脈動軸向半徑大，有利于破壞防護裝甲。

(3)圓柱形裝藥爆炸在水介質中產生的振蕩作用略強于半球形空穴裝藥，但這不是主要破壞作用。

(4)半球形空穴裝藥戰斗部射流外形好，速度差小，侵徹水層和破甲效果好。

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Penetrationunderwaterexplosionbytypicalwarheadsimulation

LIHui-ming1,2,CHENZhi-gang2,ZHAODong-hua1，YANGLi2，LIChao1,ZHAOChang-xiao1

(1．WuhanOrdnanceN.C.O.School,Wuhan430075,China;2．SchoolofMechanicalandEngineering,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China)

Toinvestigatethetypicalwarheadpenetrationunderwater，thenumericalsimulationofexplosionofcylindricalchargeandhalfsphericalcavitychargeinwaterbyfiniteelementsoftwareANSYS-LS/DYNA3Dwasstudied，andthechangesofshockwavepressureandbubblediameterwereanalyzed.Theresultindicatedthatshockwavepressureproducedbyhalfsphericalcavitychargewasmorethanthreetimesaslargeascylindricalchargeat25μs,buttheinfluenceofdifferentchargesdecreasedbydistanceincreasing.Bubblediameterproducedbyhalfsphericalcavitychargewas1.5timesofcylindricalchargeat500μs.WarheadexplosionformingandwaterpenetrationofhalfsphericalchargeandconicalchargewerealsosimulatedbyANSYS-LS/DYNA3D.Theresultindicatedthatjetshapeformedbyhalfsphericalchargewasbetter,velocitydropofpenetrationlayerwassmaller,whichwasmoresuitedinpenetrationunderwater.

Underwaterexplosion;Penetrationsimulation;Numericalsimulation;Chargestructure;Shockwave

1006-7051(2016)04-0039-04

2016-01-17

軍隊青年基金項目

李惠明(1985-),男, 碩士,主要研究彈箭遠程與高效毀傷技術。E-mail:huimingl159@126.com

TD265.3+3

Adoi： 10.3969/j.issn.1006-7051.2016.04.008