況 貺

(海軍駐上海滬東中華造船(集團)有限公司軍事代表室, 上海 200129)

0 引 言

目前，國內學者通常根據(jù)所研究問題的特點，對水下爆炸載荷的2個階段即沖擊波和爆炸氣泡作用階段進行了大量研究[1-4]，對相應的毀傷情況也進行了廣泛的研究[5-12]。根據(jù)這些研究成果，當水下結構距離爆源較近時，造成船體結構局部破壞的主要載荷為沖擊波載荷。本文主要研究典型水下潛器艙段在魚雷近場爆炸下對它的局部毀傷效應。仿真計算所使用的硬件平臺為高性能集群系統(tǒng)，最高可對1 000萬網(wǎng)格的水下爆炸仿真模型進行仿真計算，其采用的平行計算技術和搭載的128核計算軟件能實現(xiàn)對水下爆炸作用機理的更精確模擬以及快速計算。仿真計算使用ABAQUS軟件，其采用的是聲固耦合法，此方法采用聲學單元模擬流場，載荷包含沖擊波和氣泡脈動的綜合作用，同時還考慮了空化壓力的影響。

1 仿真計算過程

以曙光5000集群系統(tǒng)為計算平臺，以128核并行版ABAQUS大型有限元計算軟件為仿真計算手段，以某水下潛器艙段為目標，針對320 kg TNT當量爆破型戰(zhàn)斗部的遠場沖擊威力和近場毀傷能力進行仿真計算。

1.1 仿真方法驗證

結合某實船爆炸數(shù)據(jù)， 對仿真方法進行驗證。

計算工況為1 000 kg TNT，距左舷70 m、水深50 m沉底爆炸，龍骨沖擊因子為0.337。根據(jù)當時爆炸時測點的實際情況選取進行比對的測點位置，分別選擇3個應變測點和3個加速度測點。測點具體位置分別為：01甲板55#肋位迎爆面中縱桁縱向應變測點、主甲板25#肋位迎爆面縱桁縱向應變測點、內底45#肋位迎爆面第一扶強材邊中間根部板格應變測點、01甲板27#肋位垂向加速度測點、主甲板76#肋位垂向加速度測點、內底47#肋位垂向加速度測點。對比結果如表1和表2所示。

表1 3個應變測點峰值對比

表2 3個加速度測點峰值對比

通過對峰值的相對誤差計算，得出應變峰值平均精度為77.48%，加速度峰值平均精度為77.52%，平均相對誤差均在30%以內，計算精度符合工程要求。

1.2 仿真計算對象

計算對象以某水下艦艇為原型，截取中部2個艙段為計算模型，長度約為7 m，型寬為7 m，型深為8 m，其有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元模型

1.3 仿真工況設計

仿真試驗共設置了7個工況，如表3所示。工況設計主要依據(jù)水中兵器的裝藥量及使用情況，其中第1個工況采用與驗證算法工況相同的沖擊因子。

表3 有限元模型計算工況設置

1.4 測點選取

模型共設置了11個測點，測點位置均位于模型中橫剖面位置，如表4和圖2所示。

表4 水面目標靶模型測點位置

表4 水面目標靶模型測點位置

圖2 水下目標靶模型測點位置

1.5 仿真計算結果

gk-7爆源位于模型長度方向中部距左舷水平距離6 m水下爆炸，針對320 kg TNT當量的戰(zhàn)斗部毀傷能力進行仿真計算(沖擊因子為2.980)。仿真結果顯示：結構外部非耐壓殼出現(xiàn)大面積塑性變形，外部結構基本損毀，但沒有破口出現(xiàn)，非耐壓殼與耐壓殼之間頂部連接縱桁有部分塑性變形，耐壓殼有輕微塑性變形，其他結構基本完好。應力云圖、不同位置加速度變化及峰值變化曲線如圖3～圖8所示。

圖3 初始時刻應力云圖

圖4 最終狀態(tài)應力云圖

圖5 垂向加速度時程曲線

圖6 垂向加速度峰值變化曲線

圖7 橫向上垂向加速度時程曲線

圖8 橫向上垂向加速度峰值變化曲線

一系列水下毀傷目標等效靶仿真試驗研究表明：典型水下潛器艙段結構模型外部非耐壓殼和2層殼體之間的水體吸收了絕大部分爆炸沖擊能量，在爆源較近時也只造成了外部非耐壓殼的嚴重變形甚至結構基本損毀，但均沒有出現(xiàn)破口，內部耐壓殼只產(chǎn)生了輕微塑性變形，結構基本完好。結構沖擊加速度方面：在爆源距離較遠時，內部結構垂向加速度峰值較大，而2層殼體加速度峰值相對較小；在近距離爆炸時，外部非耐壓殼與內部結構垂向加速度峰值基本相當，而內部耐壓殼垂向加速度峰值還是相對較小。

由于材料的屈服強度均比較大，且原始結構模型局部加強設計均較完善，而外部非耐壓殼和2層殼體間的水體又吸收了大部分爆炸能量，因此結構可不進行加強改動。水下毀傷目標等效靶結構經(jīng)仿真試驗驗證設計合理，能夠達到設計要求。

2 毀傷理論方法及等級評定

艦船結構在水中爆炸具有不同的毀傷形式，大致分為局部毀傷和總體毀傷，對于局部毀傷，采用引入抵抗因子和毀傷因子的毀傷評估模型。

2.1 局部毀傷形式

毀傷最簡單的形式就是塑性變形，塑性變形是永久的，通常輕微毀傷指的就是塑性變形。塑性變形是一個動態(tài)過程，當塑性變形達到一定程度時，板的厚度會變得過薄，板被撕裂，形成破口。破口是一種比塑性毀傷嚴重許多的毀傷形式，通常定義為嚴重毀傷。一般的破口不會造成船體沉沒，但是當破口的范圍很大時，船體迅速進水，就有可能造成船體的沉沒。因此，船體沉沒是最嚴重的毀傷形式。水中爆炸造成的毀傷一般分為5個級別，如表5所示。

表5 船舶毀傷的5個級別

2.2 局部毀傷量化

局部結構塑性毀傷為

(1)

式(1)表明結構毀傷是在2個因素的聯(lián)合作用下產(chǎn)生的：第1個因子是能量密度W1/2/R，它表達了沖擊環(huán)境；第2個因子是(σsh)1/2，表達了結構的抗損能力。式(1)可作為代替沖擊因子評估毀傷的一個公式?？紤]到無量綱化，可以將(1)變換為

(2)

定義

(3)

式中：FS為沖擊因子，代表能量密度。

定義

FR=(σsh)1/2

(4)

式中：FR為抵抗因子，代表結構對沖擊的抵抗能力。該值越大，抗爆能力就越大；反之，抗爆能力就越小。

定義

(5)

式中：FD為毀傷因子，代表結構的毀傷情況。

毀傷因子事實上是應變的平方根(圓板應變的平方根和毀傷因子相等)，亦即

(6)

式(6)說明了毀傷因子的物理意義。

將式(4)和式(5)代回式(2)，得到

(7)

式(7)具有非常明顯的直觀含義，毀傷因子與沖擊因子成正比，與抵抗因子成反比。

任意炸藥水下爆炸作用下的毀傷因子計算公式為

(8)

式中：FD為為毀傷因子；FS為沖擊因子；FR為抵抗因子。

(9)

式(1)～式(9)中：W為藥包的質量，kg；R為藥包距目標的距離，m；σs為材料的屈服極限，Pa；a為板格相當長度，m；h為板的相當厚度，m；ksh為常數(shù)，ksh≈300；Cm和Cr為與炸藥相關的常數(shù)，其數(shù)值可以通過試驗的方法確定。

2.3 水下目標船舶的毀傷等級劃分

毀傷因子和毀傷等級的關系，如表6所示。表6中的毀傷等級與表5中毀傷等級相對應，5級毀傷可當作無毀傷或彈性變形狀態(tài)。

表6 水下目標船舶的毀傷等級劃分

3 仿真方法與理論分析方法比對

根據(jù)選擇的戰(zhàn)斗部類型以及計算目標，采用公式(6)計算毀傷因子，根據(jù)表6對照說明毀傷的情況。首先根據(jù)仿真工況計算出目標的沖擊因子，其次根據(jù)目標特征計算其抵抗因子，再次根據(jù)沖擊因子及抵抗因子計算出根據(jù)毀傷等級確定毀傷因子的值，結果如表7所示。

表7 水下目標船舶的毀傷因子

參照表5(毀傷級別)及表6(水面船舶毀傷等級劃分)，由表7可知：工況1、2、3的毀傷因子對應的等級為5級、4級(輕微毀傷，出現(xiàn)輕微塑性變形)、4級至3級(中等毀傷，出現(xiàn)嚴重塑性變形)，與仿真計算所描述的毀傷情形相比較，兩者比較吻合。工況4、5、6、7的毀傷因子對應的毀傷等級為5級、4級、4級至3級、3級至2級(嚴重毀傷，出現(xiàn)破口)，與仿真計算結果基本一致。

4 結 論

(1)結合實船數(shù)據(jù)對仿真計算方法進行驗證，證明了仿真計算方法的可靠性，為目標毀傷仿真計算奠定基礎。

(2)采用仿真計算方法對水下爆炸作用下目標的毀傷情況進行計算，同時采用毀傷理論對其毀傷情況進行分析。

(3)對仿真方法和理論分析方法所得計算結果進行比對，2種方法的計算結果比較吻合。

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