李兵， 劉念念， 陳高杰， 張阿漫

(1.91439部隊， 遼寧 大連 116041； 2.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

為達到對目標高效毀傷的要求，采用定向戰(zhàn)斗部技術(shù)和聚能戰(zhàn)斗部技術(shù)是增大魚雷作戰(zhàn)威力現(xiàn)實可行的技術(shù)途徑，聚能型戰(zhàn)斗部成為水中兵器戰(zhàn)斗部發(fā)展的重要方向[1]。目前，國內(nèi)外對聚能戰(zhàn)斗部方面的研究主要集中在聚能射流形成理論研究、藥型罩設(shè)計研究[2-3]、數(shù)值仿真技術(shù)研究[4-6]等方面，對于潛艇的破壞分析多數(shù)簡化為聚能戰(zhàn)斗部對靶板的侵徹[7-8]，聚能戰(zhàn)斗部毀傷試驗以陸上水箱試驗為主[1]，對目標的毀傷作用主要偏重于金屬射流的毀傷特性研究，對聚能型戰(zhàn)斗部的水下毀傷性能試驗研究、聚能型戰(zhàn)斗部水下作用規(guī)律和水下毀傷機理的研究相對較少。

本文基于光滑粒子流體動力學(xué)(SPH)- 有限元方法(FEM)耦合算法，從金屬射流、爆炸沖擊波載荷及氣泡脈動載荷3個方面，對聚能射流形成過程及聚能戰(zhàn)斗部對雙層圓柱殼結(jié)構(gòu)的毀傷過程進行分析，探索聚能戰(zhàn)斗部水中兵器對雙層殼艙段模型的毀傷特性，并進行了海上模型試驗驗證，旨在為聚能戰(zhàn)斗部水中兵器毀傷威力的考核和評估提供有效的技術(shù)支持。

1 數(shù)值計算模型

1.1 計算模型

為計算模擬聚能戰(zhàn)斗部對雙層圓柱殼艙段結(jié)構(gòu)的毀傷效應(yīng)，建立了如圖1所示的三維數(shù)值模型。其中聚能戰(zhàn)斗部采用SPH[9-13]方法模擬，計算分析聚能裝藥的爆轟及金屬射流的形成；而雙層圓柱殼采用FEM建模與模擬；通過將SPH方法與FEM耦合，實現(xiàn)聚能戰(zhàn)斗部水下爆炸對雙層圓柱殼結(jié)構(gòu)毀傷過程的數(shù)值模擬。高能炸藥、藥型罩和水離散成SPH粒子，聚能戰(zhàn)斗部的計算模型如圖2所示。

圖1 聚能戰(zhàn)斗部毀傷雙層圓柱殼的SPH-FEM數(shù)值模型Fig.1 SPH-FEM numerical simulation model

圖2 聚能戰(zhàn)斗部模型Fig.2 Shaped charge warhead model

聚能戰(zhàn)斗部的裝藥長度H為105 mm，裝藥直徑D為81 mm，裝藥成分為：RDX占比80%，TNT占比20%；裝藥密度為1.740 g/cm3. 藥型罩為半球形紫銅罩，厚度d為10 mm. 炸高為70 mm. 水域直徑為600 mm，長度為1 500 mm.

雙層圓柱殼艙段長2.5 m，非耐壓殼直徑2.2 m，耐壓殼直徑1.8 m，非耐壓殼厚3.0 mm，耐壓殼厚7.0 mm. 模型共3條環(huán)肋板，環(huán)肋板厚1.5 mm.

1.2 材料模型及參數(shù)

炸藥爆轟產(chǎn)物采用Jones-Wilkins-Lee(JWL)狀態(tài)方程[14]進行壓力計算，各參數(shù)取值見表1[15].

(1)

式中：p為爆轟產(chǎn)物的壓力；η為爆轟產(chǎn)物的相對比容，η=ρ/ρ0，ρ為材料當(dāng)前密度，ρ0為材料初始密度；A、B、R1、R2和ω為與炸藥狀態(tài)有關(guān)的常數(shù)；e為材料當(dāng)前內(nèi)能。

表1 炸藥JWL狀態(tài)方程參數(shù)

金屬材料和水采用Mie-Gruneisen狀態(tài)方程[16]：

(2)

式中：Γ為Gruneisen常數(shù)；e0為材料初始內(nèi)能；pH為沖擊Hugoniot曲線上點的壓力，

(3)

金屬結(jié)構(gòu)的強度在SPH近似中體現(xiàn)為偏應(yīng)力張量τ，可通過金屬的本構(gòu)關(guān)系求得。

表2 不同材料Mie-Gruneisen狀態(tài)方程中的參數(shù)

(4)

在更新應(yīng)力時，為判斷粒子當(dāng)前是否處于塑性屈服狀態(tài)[17]，采用von Mises屈服準則，偏應(yīng)力分量修正后的表達式為

(5)

(6)

表3 金屬材料Johnson-Cook模型參數(shù)

2 數(shù)值模擬結(jié)果

2.1 聚能射流形成過程

圖3 射流速度等值線云圖Fig.3 Velocity contours of jet

聚能裝藥在中心點起爆的情況下，球面爆轟波從起爆點開始向周圍傳播，在一段時間內(nèi)波陣面到達藥型罩的頂端，藥型罩在波陣面的推動下開始壓垮運動。由于爆轟波到達罩壁各部分的先后順序不同，罩壁各部分依次運動進入對稱軸線，并以對稱軸線為中心，藥型罩表面發(fā)生迅速碰撞和擠壓變形，產(chǎn)生高速金屬射流。

射流速度等值線云圖如圖3所示，射流在軸線處碰撞、擠壓，頭部速度增大至最大速度后減小。球面爆轟波陣面到達藥型罩頂端后，藥型罩發(fā)生壓垮運動，爆轟波壓力驅(qū)動半球罩繼續(xù)不斷翻轉(zhuǎn)變形，整個罩體被壓垮至軸線，射流速度達到峰值，此時半球罩的頂部金屬內(nèi)部已經(jīng)被翻轉(zhuǎn)到外面成為射流的頭部，之后金屬射流頭部速度開始減小，金屬射流繼續(xù)拉長變細。

2.2 聚能射流對雙層殼體結(jié)構(gòu)的毀傷

2.2.1 侵徹速度衰減規(guī)律

圖4 射流侵徹過程中速度云圖Fig.4 Velocity contours of jet during penetrating

聚能戰(zhàn)斗部對雙層殼體結(jié)構(gòu)的毀傷過程如圖4所示。金屬射流在速度梯度的推動下變細變長，先于爆轟產(chǎn)物到達非耐壓殼，隨后依次穿透非耐壓殼、層間水及耐壓殼。在40 μs時金屬射流即將開始穿透非耐壓殼，射流頭部由于受到非耐壓殼的作用而變得扁平；在48 μs時射流穿透非耐壓殼，之后由于層間水的作用，射流頭部出現(xiàn)削平現(xiàn)象，且射流頭部發(fā)生徑向飛散，徑向飛散的射流分布在金屬射流的四周，射流直徑增大；在102 μs時金屬射流開始穿透耐壓殼，從圖4中可以看出金屬射流的尾部已經(jīng)與爆轟產(chǎn)物融在一起；在120 μs時金屬射流完全穿透耐壓殼，射流頭部完全被削平，徑向飛散的射流徑向直徑比之前減小。

射流在侵徹殼體模型過程中最大速度不斷減小，射流最大速度變化曲線如圖5所示。由圖5可知，射流頭部速度隨著時間的變化呈現(xiàn)緩慢減小趨勢，最大速度約為3 834 m/s. 在44 μs時，曲線中切線斜率增大，即表示射流頭部速度衰減速率變大，這是由于非耐壓殼對射流的阻力作用；之后，射流頭部速度隨著層間水的作用逐漸減小，在92 μs時射流頭部速度基本穩(wěn)定，約為2 374 m/s；在124 μs時，射流在耐壓殼的阻礙下，頭部速度再次減小。通過對比切線斜率可知，射流在侵徹雙層殼體艙段的過程中，非耐壓殼、層間水及耐壓殼均導(dǎo)致了射流速度的減小，非耐壓殼對射流速度的影響較大，其次是層間水，最后是耐壓殼。可見，射流在侵徹殼體、層間水及耐壓殼的過程中，由于阻力使射流頭部不斷地消耗，頭部速度呈下降趨勢。

圖5 金屬射流侵徹速度隨時間衰減曲線Fig.5 Penetrating velocity decay of metal jet

2.2.2 破口分析

圖6 非耐壓殼破口曲線Fig.6 Crevasse plot of non-pressure hull

聚能戰(zhàn)斗部起爆后，金屬射流開始作用于非耐壓殼，非耐壓殼被射流擊穿形成破口，定義S為破口與炸藥直徑之比，圖6為非耐壓殼破口曲線。由曲線可知，金屬射流使得非耐壓殼產(chǎn)生初始破口，之后破口隨著射流直徑的增大而增大，隨后破口大小趨于穩(wěn)定，當(dāng)射流直徑增大到一定程度后，周邊的空氣和水隨著射流穿透非耐壓殼，使得破口直徑突然增大，且破口直徑大于射流直徑。非耐壓殼最終的破口云圖如圖7所示。因此，非耐壓殼的破口是由射流、空氣以及水共同作用引起的，射流導(dǎo)致初始破口，隨后在空氣和水的作用下，破口進一步擴大。

圖7 非耐壓殼破口云圖Fig.7 Crevasse contour of non-pressure hull

耐壓殼的破口曲線如圖8所示，由曲線可知，金屬射流使得耐壓殼產(chǎn)生初始破口，破口尺寸明顯小于非耐壓殼破口，之后破口隨著射流直徑的增大而增大，且破口直徑和射流直徑一致，耐壓殼最終的破口云圖如圖9所示。因此，耐壓殼的破口主要是由射流作用引起的。

圖8 耐壓殼破口曲線Fig.8 Crevasse plot of pressure hull

圖9 耐壓殼破口云圖Fig.9 Crevasse contour of pressure hull

總體來看，聚能戰(zhàn)斗部形成的金屬射流會造成殼體結(jié)構(gòu)的局部小尺寸破口，且耐壓殼的破口小于非耐壓殼破口。其中，非耐壓殼的破口主要由射流、空氣、水以及炸藥的作用引起，而耐壓殼破口主要由金屬射流引起。

2.3 沖擊波及氣泡載荷對雙層殼體結(jié)構(gòu)的毀傷

非耐壓殼破口云圖見圖10所示。聚能戰(zhàn)斗部起爆約0.1 ms后，產(chǎn)生的沖擊波開始作用于非耐壓殼迎爆面中部并形成初始破口，之后隨著沖擊波的不斷傳播，沖擊波作用至圓柱殼兩端橫艙壁，再作用于非耐壓殼的背爆面位置。在聚能射流引爆初期，隨著沖擊波的不斷沖擊，迎爆面的破口尺寸不斷擴大，當(dāng)爆轟產(chǎn)物膨脹一定時間后，隨著沖擊波與周圍水介質(zhì)的耦合作用及能量的擴散，破口尺寸不再發(fā)生變化，而非耐壓殼體在氣泡脈動和氣泡射流的聯(lián)合作用下，塑性凹陷區(qū)域不斷擴大。在50.0 ms時刻，凹陷區(qū)域及破口尺寸不再變化。

非耐壓殼破口曲線如圖11所示。由圖11可知，相較于金屬射流造成的破口，沖擊波及氣泡載荷引起的破口尺寸要大很多。金屬射流穩(wěn)定后，非耐壓殼的破口與炸藥直徑之比S≈0.772，而沖擊波及氣泡載荷引起的破口尺寸與炸藥直徑之比S≈2.771. 這是因為聚能射流引起的破口主要由金屬射流、空氣及水共同作用引起，其所引起的結(jié)構(gòu)破口尺寸相對要小；而爆炸沖擊波載荷及氣泡載荷作用范圍大，由此引起的結(jié)構(gòu)破口尺寸較金屬射流大。

圖12 耐壓殼破口云圖Fig.12 Crevasse contours of pressure hull

圖12為耐壓殼破口云圖，如圖12所示，耐壓殼在沖擊波和氣泡載荷的作用下并未有破口產(chǎn)生，但在迎爆面位置產(chǎn)生了大面積塑性凹陷。

3 試驗驗證

3.1 試驗工況

聚能戰(zhàn)斗部對雙層殼體模型的海上實爆驗證試驗中的試驗?zāi)Ｐ蛶缀螀?shù)與仿真模型一致，戰(zhàn)斗部接觸爆炸，戰(zhàn)斗部縱軸線與模型法線間夾角為0°.

3.2 試驗結(jié)果分析

圖13～圖16為試驗?zāi)Ｐ偷臍闆r，如圖所示，在聚能裝藥載荷的作用下，模型非耐壓殼體及耐壓殼體均出現(xiàn)不同程度的毀傷。非耐壓殼體迎爆面中部位置出現(xiàn)大面積塑性凹陷及局部裂紋，損傷發(fā)生在橫跨連續(xù)多條肋骨的較大范圍內(nèi)，如圖13所示；非耐壓殼表面中心位置處形成小尺寸穿孔，如圖14所示，且穿孔周圍有毛刺現(xiàn)象產(chǎn)生；耐壓殼體迎爆面中部出現(xiàn)塑性凹陷，并在穿孔位置處撕裂形成大尺寸裂紋，如圖15所示，且從圖中可明顯看出，殼體是在射流侵徹破口后發(fā)生了撕裂變形；此外，金屬射流穿透艙段模型，在耐壓殼背爆面產(chǎn)生穿孔，如圖16所示。

圖13 非耐壓殼外部整體破壞情況Fig.13 Damage of non-pressure hull

圖14 非耐壓殼外部穿孔Fig.14 Perforation of non-pressure hull

圖15 耐壓殼內(nèi)部迎爆面破壞情況Fig.15 Front side damage of pressure hull

圖16 耐壓殼背爆面穿孔Fig.16 Back side perforation of pressure hull

此外，從試驗結(jié)果和模型結(jié)構(gòu)還可分析得出，雙層圓柱殼模型的環(huán)肋板、T型加強材焊縫處為結(jié)構(gòu)薄弱部位。這是由于環(huán)肋板附近在加強筋的支撐作用下會產(chǎn)生較高的結(jié)構(gòu)抗力，成為高應(yīng)力區(qū)，而鋼板焊縫處是結(jié)構(gòu)容易開裂的薄弱部位。

3.3 試驗與仿真結(jié)果對比

非耐壓殼毀傷數(shù)值模擬結(jié)果如圖17所示。對比圖13可知，模型迎爆面位置均出現(xiàn)大面積塑性凹陷，凹陷面積相當(dāng)；且模型環(huán)肋板位置均產(chǎn)生一條大尺寸裂紋，裂紋發(fā)生的位置和尺寸吻合良好。

圖17 非耐壓殼毀傷模擬結(jié)果Fig.17 Simulation of non-pressure hull damage

在模型試驗和數(shù)值模擬結(jié)果中，耐壓殼在聚能射流作用下均出現(xiàn)小尺寸穿孔，穿孔尺寸的試驗值為69 mm，數(shù)值模擬值為50.38 mm，與試驗結(jié)果的相對誤差為27.02%，滿足工程要求。

4 結(jié)論

本文基于SPH-FEM數(shù)值模擬算法，模擬了水中聚能戰(zhàn)斗部對雙層圓柱殼體結(jié)構(gòu)的毀傷過程，分析了高速金屬射流、強沖擊波與氣泡載荷聯(lián)合作用下對雙層圓柱殼體結(jié)構(gòu)的毀傷模式和毀傷特性，并進行了海上模型試驗驗證，得出以下結(jié)論：

1)SPH-FEM數(shù)值方法與試驗結(jié)果吻合良好，證明了SPH-FEM方法在模擬三維工程問題時的有效性和可行性。

2)水中聚能戰(zhàn)斗部對雙層圓柱殼結(jié)構(gòu)的破壞載荷主要有3種：金屬射流、沖擊波載荷及氣泡載荷。其中，金屬射流穿透力強，造成結(jié)構(gòu)的局部小尺寸破口；沖擊波載荷及氣泡載荷作用面積大，引起結(jié)構(gòu)的大面積破口及塑性凹陷。

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