劉文思，吳林杰，侯代文，李海濤

(1.中國人民解放軍91439部隊，遼寧 大連 116041； 2.海軍工程大學(xué) 艦船與海洋學(xué)院， 武漢 430033)

現(xiàn)代魚雷武器大多采用引信作用起爆戰(zhàn)斗部，對水面艦船攻擊作戰(zhàn)時其爆炸位置一般為貼近船底剛塑性外板，近場水下爆炸載荷主要為沖擊波、氣泡脈動和水射流，近場條件下氣泡脈動和水射流是引起局部毀傷的主要原因[1-4]。自由場條件下的爆炸載荷可有較成熟的經(jīng)驗公式計算獲得，其沖擊波峰值壓力、氣泡脈動周期可參考庫爾公式，氣泡脈動壓力載荷可參考Geers-Hunter公式[5-6]，而近場條件下，如近壁面處和近自由液面處由于受邊界條件的強(qiáng)非線性耦合影響，爆炸載荷特別是氣泡非球形膨脹收縮演化產(chǎn)生的脈動壓力、水射流載荷的獲取則是爆炸威力試驗考核、仿真評估的技術(shù)難點[7]，現(xiàn)有爆炸威力評估方法采用自由場經(jīng)驗公式加載氣泡脈動壓力及射流載荷的做法忽略了不同邊界條件的影響，與實戰(zhàn)條件下的情況存在一定的差異，本研究通過對艦船縱向不同位置結(jié)構(gòu)近船底剛塑性外板處水下爆炸的數(shù)值模擬，實現(xiàn)了水下爆炸沖擊波產(chǎn)生、氣泡非球形膨脹收縮脈動演化、水射流發(fā)展與艦船結(jié)構(gòu)耦合作用全過程仿真，對比研究了魚雷近場爆炸對板中心背空大開口及橫艙壁兩種強(qiáng)度局部結(jié)構(gòu)毀傷特性及差異，并分析其內(nèi)在機(jī)理，為魚雷武器爆炸毀傷評估、作戰(zhàn)使用提供技術(shù)參考。

1 模擬工況

按照結(jié)構(gòu)強(qiáng)度劃分，大開口空艙結(jié)構(gòu)及橫艙壁結(jié)構(gòu)是艦船結(jié)構(gòu)中的兩種典型代表，故沿船長方向選取大開口空艙及橫艙壁兩種典型強(qiáng)度局部結(jié)構(gòu)，根據(jù)魚雷武器實際作戰(zhàn)使用深度，分別建立魚雷位于兩種結(jié)構(gòu)外底板正下方爆炸時的對結(jié)構(gòu)的局部毀傷數(shù)值模型，兩種結(jié)構(gòu)在縱向距離較近，均位于船中附近，如圖1所示。

圖1 模擬工況

大開口空艙結(jié)構(gòu)位于兩橫艙壁之間、雙層底之上，長度13.50 m，從雙層底自下而上在各層甲板處貫通至上層建筑，因此該處結(jié)構(gòu)為艦船弱結(jié)構(gòu)典型代表。模擬魚雷在大開口空艙結(jié)構(gòu)外底正下方0.75 m處爆炸對結(jié)構(gòu)的局部毀傷。

橫艙壁結(jié)構(gòu)從外底板自下而上直通主甲板，各甲板處均無開口，且與左右鄰近艙壁間距較小，為艦船強(qiáng)力結(jié)構(gòu)典型代表。模擬魚雷在橫艙壁結(jié)構(gòu)外底正下方0.75 m處爆炸對結(jié)構(gòu)的局部毀傷。

2 仿真模型建立

利用LS-DYNA顯式動力學(xué)分析程序進(jìn)行仿真計算[8-10]，計算時長0.05 s。對某艦船全尺寸建模，主尺度總長153 m，寬17 m，型深10 m，采用殼單元建模，其材料為考慮應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)的彈塑性鋼，板厚1.6×10-2m，密度7.85×103kg/m3，楊氏模量2.1×1011Pa，泊松比0.3；對炸藥、流體材料空氣、水采用Euler單元建模，通過流固耦合方式來處理相互作用。炸藥位于中心加密區(qū)一個六面體網(wǎng)格，TNT當(dāng)量為315 kg，其網(wǎng)格尺寸為0.5 m×0.5 m×0.5 m。狀態(tài)方程采用JWL方程，材料屬性高爆炸藥，爆速6.93×103m/s；水域采用Gruneisen狀態(tài)方程，深度為37.7 m，密度為1.0×103kg/m3；水面上為空氣，空氣層厚度19.7 m，密度為1.28 kg/m3，采用中心區(qū)域網(wǎng)格局部加密的方式劃分網(wǎng)格，中心加密區(qū)域140 m×10 m×18 m。

由于艦船、炸藥、空氣及水域有限元模型均具有對稱性，為提高計算效率，只建立一半模型，在對稱面采用對稱約束條件，同時，為模擬無限水域邊界條件，在除對稱面以外的四周邊界采用無反射邊界條件。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 自由場壓力

以炸藥為中心，選取炸藥下方2 m和4 m處的參考點作為水下爆炸壓力測點，比較表1中兩種結(jié)構(gòu)工況下不同距離處沖擊波及氣泡脈動壓力峰值可知，初始沖擊波峰值壓力偏差很小，最大偏離值為-8.69%，基本處于相同水平，這是因為水下爆炸產(chǎn)生的沖擊波在水域內(nèi)沿周向傳播，在到達(dá)邊界之前可以認(rèn)為不受邊界條件影響，可認(rèn)為初始沖擊波壓力仿真結(jié)果符合自由場壓力傳播規(guī)律。

對于不同距離處氣泡脈動壓力而言，兩種工況下的脈動壓力峰值相差較大，表明近邊界條件下氣泡脈動壓力不能簡單地根據(jù)自由場經(jīng)驗公式進(jìn)行計算。

表1 兩種結(jié)構(gòu)工況下沖擊波及氣泡脈動壓力

3.2 不同局部結(jié)構(gòu)毀傷特性

3.2.1艦船整體應(yīng)力及氣泡脈動和水射流云圖

圖2～圖5顯示了兩種結(jié)構(gòu)工況下艦船整體應(yīng)力及氣泡脈動和水射流云圖。兩種結(jié)構(gòu)工況下，艦船整體應(yīng)力呈現(xiàn)由爆源向四周逐漸下降，由底板向上層建筑逐漸下降的總體分布特點，對貼臨爆源的局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力則呈現(xiàn)出與爆炸載荷演化直接相關(guān)的動態(tài)特性。

在大開口空艙結(jié)構(gòu)工況下，氣泡球形膨脹更充分，部分氣泡進(jìn)入大開口空艙結(jié)構(gòu)，形成的水射流貫穿空艙結(jié)構(gòu)直達(dá)上層建筑。

圖2 大開口空艙結(jié)構(gòu)工況氣泡與結(jié)構(gòu)作用

圖3 大開口空艙結(jié)構(gòu)工況水射流與結(jié)構(gòu)作用

圖4 橫艙壁結(jié)構(gòu)工況氣泡與結(jié)構(gòu)作用

圖5 橫艙壁結(jié)構(gòu)工況水射流與結(jié)構(gòu)作用

橫艙壁結(jié)構(gòu)工況下，氣泡球形膨脹時受強(qiáng)結(jié)構(gòu)限制，氣泡向上膨脹不充分，被迫橫向膨脹，形成的水射流受橫艙壁結(jié)構(gòu)阻礙，被限制在局部結(jié)構(gòu)內(nèi)。

3.2.2局部破口形式、塑性應(yīng)變云圖

以破口最大長寬的乘積表征破口區(qū)域，對大開口空艙結(jié)構(gòu)工況及橫艙壁工況下雙層底破口最大長寬及破口區(qū)域、塑性應(yīng)變進(jìn)行分析，其參數(shù)如表2所示。

表2 兩種工況下破口最大長寬及破口區(qū)域

大開口空艙結(jié)構(gòu)工況下，局部破口形式、塑性應(yīng)變見圖6所示。破口形式體現(xiàn)為典型的花瓣開裂，花瓣數(shù)為4片，內(nèi)底和外底的破口區(qū)域大致相同，開口深度6.18 m，需要注意的是，由于水射流在空艙無阻礙通過，水射流頭部最終到達(dá)頂棚，造成了頂棚結(jié)構(gòu)小破口發(fā)生；觀察塑性應(yīng)變云圖，可見塑性應(yīng)變主要發(fā)生在長度為29.4 m，寬度為8.78 m區(qū)域，塑性應(yīng)變大于0.1的部位主要集中在破口周圍及橫艙壁與底板交界處，大開口兩側(cè)橫艙壁有效限制了大塑性應(yīng)變范圍。

圖6 大開口空艙結(jié)構(gòu)工況塑性應(yīng)變云圖

橫艙壁結(jié)構(gòu)處，局部破口形式、塑性應(yīng)變見圖7所示。內(nèi)底和外底的破口區(qū)域大致相同，小于大開口空艙結(jié)構(gòu)工況，由于橫向受橫艙壁限制，因此最大破口寬度僅為長度一半，且開口深度3.48 m，約為大開口空艙結(jié)構(gòu)工況的一半；觀察塑性應(yīng)變云圖，可見塑性應(yīng)變主要發(fā)生在長度為20.7 m，寬度為8.69 m區(qū)域，塑性應(yīng)變大于0.1的部位主要集中在破口周圍及橫艙壁結(jié)構(gòu)處，面積明顯小于大開口空艙結(jié)構(gòu)工況。

圖7 橫艙壁結(jié)構(gòu)工況塑性應(yīng)變云圖

3.2.3不同時刻最大應(yīng)力及吸收總能量

將兩種工況下不同時刻艦船結(jié)構(gòu)最大Mises應(yīng)力、魚雷作用于艦船的總能量隨時間變化情況繪制成曲線，如圖8～圖9?？梢园l(fā)現(xiàn)雖然兩種工況下局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度差異較大，但艦船整體結(jié)構(gòu)不同時刻艦船結(jié)構(gòu)最大Mises應(yīng)力、魚雷作用于艦船的總能量各時刻數(shù)值偏差較小、發(fā)展趨勢基本一致。艦船整體最大Mises應(yīng)力在初始沖擊波作用階段瞬時達(dá)到最大，后快速衰減，在t=1 s附近由水射流造成二次小幅度抬升，之后緩慢衰減；魚雷作用于艦船的總能量在初始沖擊波作用階段瞬時快速升高，在t=1 s附近由水射流總能量進(jìn)一步增加，其他時刻基本保持不變。說明魚雷近場爆炸對艦船結(jié)構(gòu)毀傷作用主要是沖擊波、射流兩個階段的瞬態(tài)作用，爆距一定時，魚雷在不同結(jié)構(gòu)處爆炸造成的艦船整體最大應(yīng)力響應(yīng)、吸收總能量差異較小，對艦船整體毀傷效果相近。

圖8 兩種工況下不同時刻艦船結(jié)構(gòu)最大Mises應(yīng)力曲線

圖9 兩種工況下魚雷作用于艦船的總能量曲線

3.2.4兩種工況下艦船結(jié)構(gòu)質(zhì)量損失

質(zhì)量損失發(fā)生在初始沖擊波作用階段(0～0.1 s)、脈動周期結(jié)束后的水射流階段(0.9～1.2 s)，如圖10所示。兩個階段相比，以初始沖擊波作用階段質(zhì)量損失為主，大開口空艙結(jié)構(gòu)工況下81.3%，橫艙壁結(jié)構(gòu)工況下75%，兩個工況相比，橫艙壁結(jié)構(gòu)工況兩個階段質(zhì)量損失均大于大開口空艙結(jié)構(gòu)工況，且射流階段質(zhì)量損失也更為明顯，分析數(shù)值計算各時刻結(jié)果圖像，發(fā)現(xiàn)這是因為橫艙壁結(jié)構(gòu)自身結(jié)構(gòu)更緊密、質(zhì)量更集中，在沖擊波造成雙層底破損后水射流進(jìn)一步作用于背面橫艙壁結(jié)構(gòu)造成二次損傷，而大開口空艙結(jié)構(gòu)工況下在沖擊波造成雙層底破損后水射流進(jìn)入空艙，大部分沒有直接作用于艦船內(nèi)部結(jié)構(gòu)，最終只有射流頭部達(dá)到上層建筑頂層，造成頂棚結(jié)構(gòu)小范圍破損。說明魚雷近場爆炸對不同強(qiáng)度局部結(jié)構(gòu)毀傷效果具有較大差異，近場條件下主要毀傷模式為局部毀傷。

圖10 兩種工況下艦船結(jié)構(gòu)質(zhì)量損失

4 結(jié)論

1) 近場邊界條件下，水下爆炸產(chǎn)生的沖擊波在水域內(nèi)沿周向傳播，在到達(dá)邊界之前仍符合自由場壓力傳播規(guī)律，但氣泡脈動及水射流與結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜的耦合作用，氣泡脈動壓力及水射流載荷不能簡單根據(jù)自由場經(jīng)驗公式計算。

2) 魚雷近場爆炸對艦船結(jié)構(gòu)毀傷作用主要是沖擊波、射流兩個階段的瞬態(tài)作用，爆距一定時，魚雷在不同強(qiáng)度結(jié)構(gòu)處爆炸造成的艦船整體最大應(yīng)力響應(yīng)、吸收總能量差異較小，對艦船整體毀傷效果相近。局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力則呈現(xiàn)出與氣泡演化相耦合的動態(tài)變化特性，在大開口空艙結(jié)構(gòu)工況下，氣泡球形膨脹更充分；橫艙壁結(jié)構(gòu)工況下，氣泡球形膨脹時受強(qiáng)結(jié)構(gòu)限制，氣泡向上膨脹不充分，被迫橫向膨脹。

3) 近場條件下主要毀傷模式為局部毀傷。橫艙壁結(jié)構(gòu)處，船底板破口面積小于大開口空艙結(jié)構(gòu)工況，橫艙壁可有效限制大塑性應(yīng)變區(qū)域的擴(kuò)展，但質(zhì)量損失大于大開口空艙結(jié)構(gòu)工況，魚雷近場爆炸對不同強(qiáng)度局部結(jié)構(gòu)的毀傷效果具有較大差異。