黃 洪,盧 熹,王 健

柱形裝藥水下爆炸近場沖擊波數(shù)值仿真

黃 洪,盧 熹,王 健

(沈陽理工大學 裝備工程學院,遼寧 沈陽,110159)

柱形裝藥作為水下爆炸的常用裝藥結構,目前其研究多集中于水下爆炸遠場,近場沖擊波研究較少。為了得到柱形裝藥水下爆炸前向近場沖擊波威力相關參數(shù),文中建立了以柱形裝藥前端圓柱面垂直方向距離為,水平方向距離為的近場沖擊波威力場。首先利用AUTODYN仿真軟件對等裝藥量TNT球型裝藥和長徑比范圍為1.1～2的柱形裝藥水下爆炸過程進行了仿真,分析了柱形裝藥水下爆炸近場沖擊波衰減規(guī)律。通過結合Cole經驗公式,優(yōu)化柱形裝藥仿真值,采用Logistic函數(shù)擬合得到柱形裝藥前向近場沖擊波壓力峰值經驗公式,計算得到壓力峰值平均誤差約為5%,驗證了該經驗公式的準確性。研究結果可為柱形裝藥水下爆炸近場威力參數(shù)計算提供參考。

水下爆炸; 柱形裝藥; 數(shù)值仿真; 沖擊波

0 引言

裝藥結構水下爆炸沖擊波是深水炸彈和魚雷等反潛武器對目標的主要毀傷方式之一,其常用的裝藥結構有球型和柱形2種。球型裝藥結構因結構簡單、中心對稱等特點,研究成果較為成熟。Stemberg[1]和Hammond[2]研究了柱形裝藥水下爆炸沖擊波壓力峰值受不同長徑比影響,得出在爆炸遠場,柱形裝藥爆炸可等效于等藥量球型裝藥。有學者利用數(shù)值仿真技術研究了不同條件下,水下爆炸沖擊波傳播衰減規(guī)律[3-6]。蔣國巖等[7]分析了水下爆炸國內外研究現(xiàn)狀,討論了未來水下爆炸的研究方向。徐豫新等[8]利用AUTODYN軟件仿真球型裝藥水下爆炸沖擊波傳播和氣泡脈動影響因素,得到在邊界條件設置合理的條件下,一維、二維計算都可精確描述水下爆炸威力場。周睿等[9]研究了條形藥包在不同起爆部分爆炸產生沖擊波的衰減特性,修正得到條形藥包水下爆炸的Cole公式。張鵬翔等[10]探討了淺層水中爆炸直達波壓力峰值的計算方法,修正了Cole爆炸壓力經驗公式。張弛宇等[11]研究了柱形裝藥與球型裝藥遠場等效關系,得到了在爆炸遠場柱形裝藥爆炸近似計算公式。王奕鑫等[12]通過理論分析和淺水試驗研究,得到在近場條件下,柱形藥包壓力峰值需對經驗公式乘以0.65～0.97之間的修正系數(shù),遠場可利用Cole經驗公式近似。

以上對柱形裝藥水下爆炸沖擊波研究多利用Cole經驗公式修正的方法[13],所得擬合公式在沖擊波近場誤差較大,公式也較為復雜。文中利用AUTODYN仿真軟件仿真了不同長徑比柱形裝藥水下爆炸過程,重點研究了近場沖擊波傳播規(guī)律,結合Cole經驗公式,考慮位置參數(shù)、長徑比,擬合得到壓力峰值經驗計算公式。該經驗公式計算得到的近場沖擊波壓力峰值精確度較高,平均誤差為5%,且適用不同長徑比柱形裝藥結構,公式適用范圍廣,可為柱形裝藥水下爆炸近場威力參數(shù)計算提供依據。

1 數(shù)值模型

1.1 模型建立

因球型、柱形裝藥均為軸對稱結構,采用二維仿真模型能極大減少仿真運算時間,利用AU- TODYN 18.0仿真軟件建立二維軸對稱CIRCLE計算模型。模型水域尺寸為水平方向3 m,豎直方向1.5 m,計算網格大小,方向均為2 mm,網格總數(shù)為1127251個,網格為歐拉網格。水域邊界條件設置為flow-out邊界條件,流體粘性參數(shù)取軟件默認參數(shù)。水域模型材料采用POLY- NOMIAL狀態(tài)方程,參數(shù)設置為軟件默認參數(shù),取水下50 m處比內能值為536.875 J/kg,由式(1)計算給出。炸藥材料選用常規(guī)炸藥TNT,參數(shù)設置取軟件默認參數(shù),密度取1.63 g/cm3。

球型裝藥結構裝藥半徑42 mm,裝藥量約500 g,裝藥球心位于底端中部,起爆方式選用球心點起爆,如圖1所示。柱形裝藥結構除長徑比不同,其他基本一致,柱形裝藥質心位于底端中部,起爆方式為質心點起爆,如圖2所示。

圖1 球型裝藥仿真模型

圖2 柱形裝藥仿真模型

1.2 工況參數(shù)設置

為保持柱形裝藥與球型裝藥模型的可對比性,柱形裝藥應與球型裝藥采用等藥量原則,裝藥結構采用柱形結構,仿真工況具體參數(shù)如表1所示。

為有效采集前向沖擊波壓力峰值參數(shù),對仿真水域放置采集數(shù)據觀察點,根據建立威力場大小和后續(xù)數(shù)據分析,采用等距放置觀察點原則,在水平方向0.3～1.0 m,每隔0.1 m放置1個;豎直方向0～1 m,每隔0.05 m放置1個,共計放置160個觀察點,具體觀察點放置如圖3所示,各個工況觀察點放置一致。

表1 柱形裝藥工況

圖3 觀察點放置

2 仿真結果與分析

2.1 仿真模型驗證

球型裝藥中心起爆,爆炸沖擊波向裝藥四周傳播,因球型裝藥中心對稱,沖擊波壓力分布均勻呈球形,沖擊波壓力由球型裝藥中心向外增大,沖擊波邊緣壓力最大,當仿真時間到達0.1 ms時,沖擊波邊緣壓力峰值為2.811×102MPa。隨沖擊波向四周傳播,沖擊波邊緣壓力峰值快速衰減,如圖4所示,當仿真時間到達0.8 ms時,沖擊波邊緣壓力峰值僅為0.1 ms時的8%,仿真壓力峰值衰減規(guī)律與Cole經驗公式計算值基本一致,但壓力峰值整體偏大。

以柱形裝藥工況4為例,因柱形裝藥結構為軸對稱,裝藥空間分布不均導致沖擊波各方向傳播速度不同,沖擊波壓力分布呈橢圓狀。如圖5所示,當仿真時間達0.8 ms時,柱形裝藥沖擊波壓力分布與球型裝藥基本一致,符合爆炸遠場可近似等效于球型裝藥的規(guī)律。結合仿真結果和Cole經驗公式,證明仿真模型能夠模擬球型和柱形裝藥水下爆炸過程。

圖4 球形裝藥沖擊波壓力分布

圖5 柱形裝藥沖擊波壓力分布

2.2 前向威力場建立原則

利用Cole經驗公式求取壓力峰值

Cole經驗公式基本總結了球型裝藥結構水下爆炸相關參數(shù)值計算,與實際情況擬合較好。球型裝藥結構如不考慮界面放射等影響,各個方向沖擊波參數(shù)基本一致,可用起爆距離和裝藥質量完成參數(shù)擬合。柱形裝藥為軸對稱,各個方向沖擊波參數(shù)差異較大,球形裝藥參數(shù)擬合方法不適用于柱形裝藥。為對柱形裝藥水下爆炸沖擊波壓力峰值參數(shù)進行擬合,在爆炸沖擊波主要作用前端面方向設立威力場,設裝藥前向威力場某點為(,),為該點水平軸向到裝藥質心的距離,為豎直方向到裝藥質心的距離,以此描述前向威力場的不同位置。

近場沖擊波威力場劃分區(qū)域首先應保證仿真值與經驗公式值具有可比性,考慮Cole經驗公式適用參數(shù)范圍為球型裝藥直徑與爆炸距離比值應大于6; 實際柱形裝藥水下爆炸沖擊波對目標載荷的主要作用區(qū)域也為圓端面前向。結合仿真模型裝藥量為500 g,設置仿真模型威力場大小為柱形裝藥前端面水平方向0.3～1m,7～24倍等藥量球型裝藥半徑,豎直方向距離0～1m,0～24倍等藥量球型裝藥半徑。

截取部分仿真數(shù)據和Cole經驗公式計算值如圖6所示,軟件仿真球型裝藥壓力峰值衰減規(guī)律與Cole經驗公式值相同。仿真值與Cole經驗值存在誤差,仿真值大于Cole經驗值,隨,值增大,誤差減小,直到相等。對比仿真值與Cole經驗值,得到不同位置的衰減率,修正柱形裝藥仿真參數(shù),以減少仿真軟件計算過程中存在的誤差,提高仿真值精確度。

圖6 仿真值與經驗值對比曲線

以柱形裝藥工況3為例,如圖7所示,修正后柱形裝藥壓力峰值小于球型裝藥,隨著,值的增大,2種裝藥結構壓力峰值差值逐漸減小,最終基本相等。修正處理其他長徑比工況,所得規(guī)律與圖7基本一致。

圖7 柱形裝藥參數(shù)處理對比

2.3 柱形裝藥近場沖擊波衰減規(guī)律

以工況3為例,修正后柱形裝藥威力場范圍各位置處壓力峰值與Cole經驗公式計算值對比,如圖8所示。在相同條件下,隨著增大,仿真值與Cole經驗值壓力峰值比值逐漸增大,在威力場邊界,柱形裝藥壓力峰值基本等于Cole經驗值。參數(shù)值主要影響壓力峰值比值起始值,值越大,起始值越小,比值增長更平滑。其他不同工況與工況3規(guī)律基本一致,主要區(qū)別在壓力峰值比值初始值不同。

圖8 位置-壓力峰值比值

分別取不同長徑比柱形裝藥工況在=0.7 m處,隨變化的壓力峰值比值,如圖9所示。柱形裝藥在長徑比范圍1.1～2內,相等,長徑比增大,壓力峰值比值減小。壓力峰值比值增長速率基本一致,受長徑比影響較小。不同處與=0.7 m處規(guī)律基本一致。

圖9 長徑比-壓力峰值比值

3 柱形裝藥近場壓力峰值公式擬合

將威力場參數(shù),代換入式(2),并結合所求近場威力場范圍得

分析柱形裝藥與球型裝藥結構近場沖擊波壓力峰值衰減規(guī)律,柱形裝藥壓力峰值主要受到、和長徑比參數(shù)影響。利用Logistic函數(shù)擬合,得到柱形裝藥近場壓力峰值計算經驗公式

式中,1,2,和0為擬合參數(shù)。

以工況5為例,Logistic函數(shù)參數(shù)設置如表2所示。

依據擬合值得1,2,0,與的關系如下

結合工況1～5所有仿真數(shù)據,修正Logistic函數(shù)中的1參數(shù),得

表2 位置參數(shù)擬合

式中,為長徑比。

將式(6)～(9)代入式(4),得

將式(10)代入式(3),得到柱形裝藥水下爆炸近場沖擊波壓力峰值計算公式

將工況1～5參數(shù)值代入式(11),與仿真值對比得到誤差系數(shù)如表3所示。在不同長徑比條件下,壓力峰值計算公式最大誤差約為10%,平均誤差約為5%,誤差較小,精度較高,計算可得柱形裝藥近場沖擊波壓力峰值。,和值越大,誤差率越小,精確度越高。

表3 仿真誤差統(tǒng)計

4 結論

文中利用Cole經驗公式,結合有限元軟件仿真技術,證明了AUTODYN仿真軟件能夠有效模擬球型、柱形裝藥水下爆炸沖擊波傳播過程。通過對比球型裝藥Cole經驗值和仿真值,修正了柱形裝藥在計算中考慮參數(shù)不足存在的誤差。討論了等藥量條件下,柱形裝藥結構水下爆炸沖擊波前向近場范圍沖擊波傳播規(guī)律和壓力峰值計算經驗公式,得出以下結論。

1) 利用建立威力場,和柱形裝藥長徑比等參數(shù),結合Cole經驗公式得到柱形裝藥壓力峰值擬合經驗公式,對不同長徑比柱形裝藥結構,計算值平均誤差率為5%,誤差率較小,擬合效果較好。

2) 相比于球型裝藥,等藥量柱形裝藥前向近場沖擊波壓力峰值隨位置變化衰減規(guī)律基本一致,但因柱形裝藥的軸對稱結構,沖擊波整體壓力峰值更小。柱形裝藥爆炸距離超過24倍等藥量球型裝藥半徑時,近似球型裝藥。

3) 等藥量條件下,長徑比對柱形裝藥前向近場沖擊波壓力峰值衰減影響較大,長徑比越大,沖擊波整體壓力峰值越小。

文中所得的柱形裝藥水下爆炸近場沖擊波壓力峰值計算公式對TNT炸藥擬合效果較好,后續(xù)將進一步開展試驗研究,討論其對非TNT炸藥結構的適用性。

[1] Stemberg H M. Underwater Detonation of Pentolite Cylinders[J]. Physics of Fluids,1995,30(3): 761-769.

[2] Hammond L. Underwater Shock Wave Characteristics of Cylindrical Charges[R]. Australia: Defence Science and Technology Organisation. AMRL,DSTO-GD-0029,1995.

[3] 明付仁,張阿漫,楊文山. 近自由面水下爆炸沖擊載荷特性三維數(shù)值模擬[J]. 爆炸與沖擊,2012,32(5): 508- 514.

Ming Fu-ren,Zhang A-man,Yang Wen-shan. Three-dim- ensional Simulations on Explosive Load Characteristics of Underwater Explosion Near Free Surface[J]. Explosion and Shock Waves,2012,32(5): 508-514.

[4] 鐘冬望,黃小武,殷秀紅,等. 水下爆炸沖擊波的數(shù)值模擬與試驗研究[J]. 爆破,2015,32(4): 17-20.

Zhong Dong-wang,Huang Xiao-wu,Yin Xiu-hong,et al. Numerical Simulation and Experimental Study of Underwater Explosion Shock Wave[J]. Blasting,2015,32(4): 17-20.

[5] 趙利平,徐亞輝,黃筱云. 水下爆炸沖擊過程三維數(shù)值模擬[J]. 長沙理工大學學報(自然科學版),2019,16(1): 66-72.

Zhao Li-ping,Xu Ya-hui,Huang Xiao-yun. Three-dimen- sional Numerical Simulation of Underwater Explosion Process[J]. Journal of Changsha University of Science and Technology(Natural Science),2019,16(1): 66-72.

[6] 李元龍,王金相,申向軍,等. 水下爆炸沖擊波作用下屏蔽裝藥的沖擊引爆理論和仿真研究[J]. 振動與沖擊,2019,38(11): 31-36.

Li Yuan-long,Wang Jin-xiang,Shen Xiang-jun,et al. Initiation Theory of Shield Explosive Impacted by Underwater Explosion Shock Wave and Its Simulation[J]. Journal of Vibration and Shock,2019,38(11): 31-36.

[7] 蔣國巖,金輝,李兵,等. 水下爆炸研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向展望[J]. 科技導報,2009,27(9): 87-91.

Jiang Guo-yan,Jin Hui,Li Bing,et al. Review of Studies on Underwater Explosion[J]. Science & Technology Review,2009,27(9): 87-91.

[8] 徐豫新,王樹山,李園. 水下爆炸數(shù)值仿真研究[J]. 彈箭與制導學報,2009,29(6): 95-97,102.

Xu Yu-xin,Wang Shu-shan,Li Yuan. Study on Numerical Simulation of the Underwater Explosive[J].Journal of Projectiles,Rockets,Missiles and Guidance,2009,29(6): 95-97,102.

[9] 周睿,馮順山,吳成. 條形藥包沖擊波峰值超壓工程計算模型[J]. 工程爆破,2001,7(4): 19-23.

Zhou Rui,Feng Shun-shan,Wu Cheng. Calculation Model for Peak Pressure of Shock Wave from Linear Charges[J]. Engineering Blasting,2001,7(4): 19-23.

[10] 張鵬翔,顧文彬,葉序雙. 淺層水中爆炸直達波壓力峰值計算方法探討[J]. 解放軍理工大學學報(自然科學版),2002,3(1): 57-59.

Zhang Peng-xiang,Gu Wen-bin,Ye Xu-shuang. Discussion on Calculation Method of Peak Pressure Subjected to Shallow-layer Water Explosion[J]. Journal of PLA Univ- ersity of science and Technology,2002,3(1): 57-59.

[11] 張弛宇,郭銳,劉榮忠,等. 水下爆炸柱型裝藥與球形裝藥遠場等效關系[J]. 魚雷技術,2017,25(1): 65-70.

Zhang Chi-yu,Guo Rui,Liu Rong-zhong,et al. Equivalent Relationship between Cylindrical Charge and Spherical Charge for Underwater Explosion[J]. Torpedo Technology,2017,25(1): 65-70.

[12] 王奕鑫,馬宏昊,沈兆武,等. 水下爆炸中水面效應以及藥包形狀對沖擊波的影響[J]. 中國測試,2018,44(10): 7-13,30.

Wang Yi-xin,Ma Hong-hao,Shen Zhao-wu,et al. Effect of Water Surface and Shape of Charge on Shock Wave in Underwater Explosion[J]. China Measurement & Test,2018,44(10): 7-13,30.

[13] Cole R. H. Underwater Explosion[M]. New York: Dover Publications. INC,1948.

Near Field Shock Wave Numerical Simulation of Cylindrical Charge Underwater Explosion

,,

(Department of Equipment Engineering,Shenyang Ligong University ,Shenyang 110159,China)

Cylindrical charge,which is a common charge structure for an underwater explosion,is mainly used in far-field underwater explosions. However,there is little research on the near-field shock wave. In order to obtain the parameters related to the forward near-field shock wave power of conventional cylindrical charge underwater explosion,the near-field shock wave power field with the vertical distance of the front-end cylindrical chargeand horizontal distanceis established. In this paper,the underwater explosion process of TNT spherical charge based on equal charge and cylindrical charge,whose ratio of length to diameter ranges from 1.1～2,is simulated using the AUTODYN simulation software. The near-field shock wave attenuation law of cylindrical charge underwater explosion is analyzed. By combining the Cole empirical formula,the simulation value of the cylindrical charge is optimized,and an empirical formula for the forward near-field shock wave pressure peak of cylindrical charge is obtained through logistic regression. The average error of pressure peak is approximately 5%,validating the accuracy of this formula. The research results can be used for the calculation of the near field power assuming a cylindrical charge underwater explosion.

underwater explosion; cylindrical charge; numerical simulation; shock wave

TJ630; TJ410.1

A

2096-3920(2021)04-0471-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.04.015

黃洪,盧熹,王健. 柱形裝藥水下爆炸近場沖擊波數(shù)值仿真[J]. 水下無人系統(tǒng)學報,2021,29(4): 471-476.

2020-09-04;

2020-10-10.

黃 洪(1995-),男,碩士,主要研究方向為水下爆炸.

(責任編輯: 楊力軍)