無限水域中殼體對爆破型戰斗部爆炸威力的影響研究

陳高杰,吳林杰,程素秋,劉文思

(中國人民解放軍 91439部隊,遼寧 大連 116041)

0 引言

水中兵器裝藥一般填裝在金屬戰斗部內部,開展金屬殼體裝藥水下爆炸方面的研究十分重要。K.Takahashi等[1]對裝藥在不同的厚度、金屬以及藥量條件下,采用實驗的方法開展了水下爆炸的特性研究,發現了殼體對爆炸效果的加強作用;D.A.Jones等[2]分別對6 mm、12 mm鋼殼約束下10 kg柱形H6炸藥進行了實驗與數值仿真研究;LI Yujie等[3]也開展了有空隙帶殼裝藥的研究。但他們都沒能準確模擬出沖擊波的峰值及波形,而且數值模型中殼體材料模型的選擇也存在一定不足。盛振新[4]、裴善報[5]等對小藥量帶殼裝藥進行了數值仿真研究,未推廣應用到大當量戰斗部中。因此需要利用數值仿真成本低、效率高并可指導驗證實驗的優勢開展爆破型戰斗部殼體對爆炸威力影響研究。

文中基于爆破型戰斗部水中爆炸威力評估方法,選取某型爆破型魚雷戰斗部為研究對象,通過建立有效的爆破型戰斗部有限元模型,設計出合理的仿真計算工況,利用ALE方法分析研究了無限水域中殼體對爆破型戰斗部爆炸威力的影響。

1 戰斗部爆炸威力評估方法

目前,水中兵器領域國內外使用的戰斗部爆炸威力評估標準主要有3種:沖擊波峰值標準、沖擊因子標準和沖擊加速度標準[6]。

1) 沖擊波峰值標準。

該標準是前蘇聯對戰爭中繳獲的艦船隔艙進行大量水中爆炸試驗,由試驗數據分析獲得。該標準規定:艦船一層底(外殼)被破壞時,它所受到的水中沖擊波峰值壓力為8～10 MPa;艦船的二層底被破壞時,沖擊波峰值壓力為17～20 MPa;艦船的三層底被破壞時,沖擊波峰值壓力為70 MPa。該評估方法以船體擊穿作為損傷標準,比較適合魚雷等近距離爆炸武器。

2) 沖擊因子標準。

沖擊因子標準是英國、意大利以及北約許多國家共同采用的標準,可根據對艦船毀傷程度的要求將其換算為概率值,僅適合非接觸爆炸。

3) 沖擊加速度標準。

沖擊加速度標準是根據美國軍標MIL-S-901C制定的。在公式推導過程中進行了集總平均處理,更適合像水雷等遠距離爆炸,從而使沖擊波相對較全面均勻作用于目標的情況。

文中選取某型爆破型魚雷戰斗部為研究對象,采用沖擊波峰值壓力標準評估其爆炸威力。該雷戰斗部為柱形裝藥,藥量為200 kg的RS211高能炸藥,采用后端面平面波起爆方式。

2 數值仿真模型

2.1 計算模型

由于戰斗部為柱形裝藥,采用二維軸對稱模型,對稱軸為x軸,水域取7 m×14 m。殼體材料分別采用4340鋼和2024T351鋁,厚度分別取0(無殼)、5 mm、10 mm、15 mm、20 mm。為了保證沖擊波傳播的連續性,裝藥和水域采用均勻網格,網格尺寸為15 mm,人工粘性系數VL=0.2,VQ=1,設置transmit無反射邊界條件。僅考慮沖擊波峰值壓力的影響。殼體采用Lagrange單元,炸藥和水采用Euler單元,兩種單元之間施加Lagrange/Euler耦合。計算模型和戰斗部有限元模型如圖1和圖2所示,測點布置在距中軸線2 m、4 m、6 m處,采用右側端面起爆方式。

圖1 計算模型圖Fig.1 Diagram of calculation model

圖2 戰斗部有限元模型圖Fig.2 Diagram of finite element model of warhead

2.2 材料模型及參數

炸藥爆轟產物采用Jones-Wilkins-Lee(JWL)狀態方程進行壓力計算,各參數取值見表1[7]。

表1 RS211炸藥JWL狀態方程參數Table 1 Parameters of JWL EOS of explosive RS211

式中:pexp為爆轟產物的壓力;η為爆轟產物的相對比容,即η=ρ/ρ0;Aexp、Bexp、R1、R2和ω為與炸藥狀態有關的常數;u為高能炸藥單位質量的內能。

水的狀態方程采用多項式狀態方程,對于流體在壓縮和拉伸狀態下具有不同的形式。

壓縮狀態下:

拉伸狀態下:

表2 水的狀態方程參數Table 2 Parameters of JWL EOS of water

金屬殼體采用Johnson-Cook模型[8],并考慮應變率的影響,其本構方程為

表3 殼體材料參數Table 3 Material parameters of shell

3 結果分析

殼體厚度分別取5 mm、10 mm、15 mm、20 mm的鋼殼、鋁殼與無殼狀態下的爆炸威力進行比較。僅給出厚度為10 mm時的壓力時程曲線和鋁殼厚10 mm時的壓力云圖。由圖3和圖4可知,戰斗部裝藥由端面引爆后,爆轟波向另一端面傳播,水中沖擊波壓力最終以球形方式向外傳播,傳播距離越遠越接近于球形,沖擊波峰值壓力計算結果如表4和圖5所示。當爆距為2 m時,隨著殼體厚度的增加,沖擊波峰值壓力呈現出振蕩減小的趨勢,且鋁殼比鋼殼振蕩頻率更快;當爆距為4 m時,隨著殼體厚度的增加,沖擊波峰值壓力與爆距為2 m時相似,呈現出振蕩減小的趨勢, 但振蕩頻率變慢,相同殼體厚度時鋼殼比鋁殼的峰值壓力要小;當爆距為6 m時,隨著殼體厚度的增加,沖擊波峰值壓力不再振蕩而是不斷衰減,與爆距為4 m時相似,相同殼體厚度時鋼殼比鋁殼的峰值壓力要小。

圖3 壓力時程曲線Fig.3 Curves of pressure history

圖4 鋁殼厚10 mm時壓力云圖Fig.4 Pressure nephogram with aluminum shell of 10 mm thickness

表4 不同殼體厚度及材料對應的沖擊波峰值壓力Table 4 Shock waves' peak pressures of different shell thicknesses and materials

圖5 不同爆距峰值壓力隨殼體厚度的變化Fig.5 Peak pressures varies with shell thickness of different explosion distances

由于殼體的熔化、撕裂吸收會消耗一部分能量,沖擊波峰值壓力會隨著殼體厚度的增加而減小,但殼體同樣對沖擊波能量有累積作用。當累積作用大于吸收作用時,又會使沖擊波峰值壓力隨著殼體厚度的增加而增大。因此,沖擊波峰值壓力會呈現出振蕩特性。但當爆距到達一定值時累積作用衰減較大使吸收作用占主要地位,從而沖擊波峰值壓力呈現衰減趨勢而不再振蕩。此外,隨著殼體厚度的增加,沖擊波脈寬增大,沖擊波壓力爬升至峰值時刻有滯后效應而非超前效應,這可能是由于殼體的約束延遲了爆轟波的釋放與傳播,而這種超前或滯后效應與藥量或殼體有關。雖然這種延遲在沖擊波的傳播過程中表現并不明顯,但是延遲時間相對沖擊波時間衰減常數卻較大。

在殼體材料分別取4340鋼和2024T351鋁時,鋁殼體裝藥比鋼殼體裝藥爆炸產生的沖擊波峰值壓力要高,且傳播速度要大。主要原因是:1)從能量守恒方面來看,由于鋁殼體質量相對較小,且裝藥在爆炸過程中一部分殼體已經燒蝕掉,爆炸驅動殼體的能量相對較少;而鋼殼體裝藥在爆炸過程中有較多能量消耗在對殼體的驅動上,因此沖擊波能量減少較多。2)從沖擊波在不同介質中的傳播理論來看,鋁殼體的法面波阻抗與炸藥(或爆炸產物)波阻抗相對比較接近,而鋼殼體材料與炸藥及水波阻抗差別相對較大,從而導致裝藥爆炸的初始沖擊波參數的差異。

4 結束語

文中選取某爆破型魚雷戰斗部為研究對象,基于沖擊波峰值壓力的爆炸威力評估標準,研究了無限水域中鋼和鋁兩種殼體對爆破型戰斗部爆炸威力的影響,得到以下結論:

1)對所研究戰斗部藥量下,殼體對爆炸威力的影響呈現出振蕩衰減特性,且爆距越近振蕩越大,爆距越遠振蕩越小且衰減越明顯;殼體密度越大振蕩越大,衰減越大。

2)相同厚度下鋁殼體裝藥比鋼殼體裝藥爆炸產生的沖擊波峰值壓力要高;沖擊波前期波形受殼體厚度影響較大,后期衰減波形趨于一致。

3)殼體的存在使沖擊波壓力爬升到峰值的時間有滯后效應,殼厚越大,滯后效應越明顯。相同裝藥量下,沖擊波壓力峰值隨著殼厚的增加呈現類似拋物線的變化趨勢。