一种爆破型战斗部近场非接触爆炸威力分析方法研究.pdf

第3 3 卷第3 期 爆破 V 0 1 ．3 3N 。．3 2 0 1 6 年9 月B L A S T I N G S e p ．2 0 1 6 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 4 8 7 X ．2 0 1 6 ．0 3 ．0 2 0 一种爆破型战斗部近场非接触爆炸 威力分析方法研究 高浩鹏1 ，张姝红1 ，金辉1 ，彭玉祥2 ，张永坤1 1 ．中国人民解放军9 1 4 3 9 部队，大连1 1 6 0 4 1 ；2 ．哈尔滨工程大学船舶工程学院，哈尔滨1 5 0 0 0 1 摘要 选取鱼雷战斗部装药量为修正变量，以实测和仿真计算得到的多个测点的加速度峰值为依据构建 目标函数，基于水下爆炸理论和声固耦合方法建立鱼雷战斗部对舰船的近场水下非接触爆炸毁伤模型。通 过迭代计算得到与舰船实际毁伤情况较为接近的鱼雷战斗部装药量，进而反映该鱼雷的爆炸威力。该分析 方法结合试验数据，综合考虑了舰船结构特征与鱼雷战斗部特征，提高了结果的准确性及可靠性。 关键词爆炸威力；水下爆炸；爆破型战斗部；加速度 中图分类号 U 6 6 1 ．6 文献标识码A文章编号 1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 6 0 3 0 1 0 6 0 4 A S t u d yo nE x p l o s i o nP o w e ro fB l a s t i n gW a r h e a da t N e a r - f i e l dN o n - c o n t a c tU n d e r w a t e rE x p l o s i o n G A OH a o - p e n 9 1 ，Z H A N GS h u h o n 9 1 ，J I NH u i l ，P E N GY u ．x i a n 9 2 ，Z H A N GY o n g ．k u n l 1 ．U n i t9 1 4 3 9o fP L A ，D a l i a n1 1 6 0 4 1 ，C h i n a ； 2 ．C o l l e g eo fS h i p b u i l d i n gE n g i n e e r i n g ，H a r b i nE n g i n e e r i n gU n i v e r s i t y ，H a r b i n15 0 0 01 ，C h i n a A b s t r a c t T a k i n gt o r p e d oc h a r g ew e i g h ta sc o r r e c t i o np a r a m e t e r ，t h eo b j e c t i v ef u n c t i o nW a sc o n s t r u c t e da c c o r d ． i n gt oa c c e l e r a t i o np e a k sf r o mt h em e a s u r e da n ds i m u l a t e dd a t a ．B a s e do nt h eu n d e r w a t e re x p l o s i o nt h e o r ya n da c o u s - t i c s t r u c t u r a lc o u p l e dm e t h o d ，t h ed a m a g em o d e lo f t o r p e d ow a r s h i pa t n e a r - f i e l dn o n c o n t a c tu n d e r w a t e re x p l o s i o n w a sb u i l tu p ．T h er e a s o n a b l ev a l u eo ft o r p e d oc h a r g ew e i g h tW a so b t a i n e dt h r o u g hi t e r a t i v ea l g o r i t h m ，w h i c hr e f l e c t e d t h ee x p l o s i o np o w e rw e l l ．C o m b i n e dw i t hs i m u l a t i o na n dt e s td a t a ，t h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so fs h i pa n dt h ew a r - h e a dc h a r a c t e r i s t i c so ft o r p e d ow e r ec o n s i d e r e d ，w h i c hi m p r o v e st h ea c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t yo ft h er e s u l t s ． K e yw o r d s e x p l o s i o np o w e r ；u n d e r w a t e re x p l o s i o n ；b l a s t i n gw a r h e a d ；a c c e l e r a t i o n 弹药爆炸威力评估的物理指标主要有T N T 当 量、冲击波压力、超压比冲量等参数⋯。对于水中 兵器爆破型战斗部来讲，根据其装药类型及装药量 可以等效为相应的T N T 当量，进而直接给出其爆炸 威力的定量评价；但是从作战效能角度来分析，相同 的装药类型和装药量在不同的装药结构、作战环境 下对相同目标的毁伤能力是不同的。目前，国内爆 破型战斗部爆炸毁伤效能指标体系还没有完全建 收稿日期2 0 1 6 0 6 1 7 作者简介高浩鹏 1 9 8 6 一 ，男，汉族，陕西杨凌人，博士、工程师，主 要从事水下爆炸试验测量与数值仿真研究， E m a i l g a o h a o p e n g 1 2 6 ．c o m 。 立，如何从目标易损性方面科学的分析评价爆破型 战斗部近场非接触爆炸的爆炸威力是一个重点和难 点问题。选取某型爆破型鱼雷为研究对象，基于实 测数据，结合数值仿真计算方法，分析给出该爆破型 战斗部近场非接触爆炸的爆炸威力。 1 鱼雷爆炸威力分析方法 鱼雷爆炸威力评估与分析可通过试验或者仿真 方法来实现。试验方法结果可靠性高，但是消耗巨 大，且风险高心。4 1 ；仿真方法可重复性强，消耗少，但 是结果可靠性需要验证∞J 。研究背景是如何基于 万方数据 第3 3 卷第3 期高浩鹏，张姝红，金辉，等一种爆破型战斗部近场非接触爆炸威力分析方法研究 鱼雷动态攻击实船的有限测量数据来分析鱼雷的爆 炸威力，故文中通过实测数据与数值仿真相结合的 方法分析鱼雷近场非接触爆炸的爆炸威力。 1 ．1 舰船破坏标准的选取 鱼雷的爆炸威力与舰船的抗爆抗冲击能力是一 对矛盾体，故可通过鱼雷对舰船的破坏来反映并分 析鱼雷的爆炸威力，首先必须确定舰船的破坏准则。 目前，水中兵器领域，已经使用的破坏标准主要有冲 击波峰值标准、冲击因子标准和冲击加速度标 准MJ 。冲击波峰值标准和冲击因子标准计算方法 简单直接，但是没有考虑舰船结构特征的影响。研 究对象的态势为爆破型鱼雷对舰船的动态近场非接 触爆炸毁伤，鱼雷和舰船都处于运动状态；由于测量 难度大，试验中仅对舰船进行有限通道数量的加速 度进行了测量，故舰船破坏标准选取加速度标准。 1 ．2 分析方法 文中基于某型爆破型鱼雷对某辅船的实船攻击 试验，整个爆炸威力分析流程如图1 所示。试验时 在被试船上共布设沿主甲板船长方向以及沿多层甲 板间垂向方向的多个典型测点，对这些测点的加速 度进行测量；通过航拍的方法对整个试验态势及对 舰船宏观毁伤情况进行掌控。试验中鱼雷和被试辅 船都处于运动状态，依据航拍结果 如炸点沿船长 的位置等 以及鱼雷设定参数 如制导方式、航行定 深深度等 确定实际的雷目交汇情况，为仿真计算 的工况设定奠定基础。基于实际试验态势及相关参 数对被试船、水域、战斗部等进行数值建模，通过流 固耦合的方法对其求解。仿真计算时选取战斗部 1 ’N T 当量值为修正变量；选取加速度为目标参数，结 合试验测量的加速度值构建目标函数，通过修改修 正变量的值进行迭代计算，当目标函数最小时判断 为迭代结束，此时的T N T 当量值即为分析得到的能 对舰船产生与实际测量相同毁伤的数值。从分析过 程可知，该r I N T 当量数值基于试验数据得到，综合 考虑了鱼雷战斗部装药特性及舰船结构特征的影 响；更重要的是该，I N T 当量数值可直接应用于仿真 分析该型鱼雷对我国或者国外的战斗舰船的爆炸毁 伤情况。 2 毁伤模型的建立 模型的正确性直接决定仿真计算结果的正确 性。文中基于声固耦合法建立了鱼雷战斗部对舰船 近场水下爆炸的毁伤模型，设定与试验一致的计算 工况，构建基于试验数据的目标函数。 爆破型鱼雷攻击实航非战斗舰船 对舰船毁伤情况ll 选取加速度作为I 进行航拍测量参数 1 ■ ] _ T 一 叫依黼数H]及航拍结果r L 二] ．i l 确定实际试验的Il 以试验实际测量 l 雷目交汇条件Il 加速度为依据 建立仿真模型并 设定仿真工况 石‘私 爆破型鱼雷对舰船水下近场 非接触爆炸毁伤计算 选取战斗部T N T 当量为修正变量 选取加速度为目标参数 并构建目标函数 l 求解目标函数 l 修改修正变量 卫 ≤蕊 得到修正后ll 同样的方法建立战斗舰艇 的T N T 当量lI 仿真模型并设定仿真工况 得到该爆破型鱼雷对战斗舰艇的毁伤情况 图1 鱼雷爆炸威力分析方法流程图 F i g ．1 T h ee x p l o s i o np o w e ra n a l y s i sm e t h o do ft o r p e d o 2 ．1 有限元仿真建模 有限元仿真建模主要涉及舰船有限元建模、水 域有限元建模、材料本构及失效模型、边界条件添 加、爆炸载荷添加等方面。 舰船结构复杂，几何建模时需要一定合理的简 化，如小的倒角、小孔以及一些约束关系。在几何实 体模型建立的基础上对舰船进行有限元建模。有限 元建模时主要用到是壳单元和梁单元，壳单元主要 用于模拟船体上的甲板、舷侧板、舱壁板和底板等， 梁单元主要用于模拟船艏、船舯和船艉结构中纵骨、 横梁、加强材、肋骨框架、甲板纵桁、舱壁桁材和船底 纵桁等构件；有限元网格划分时既要注意网格单元 的精度，也要控制网格的数量规模，以提高费效比。 文中所建辅船模型的参数以及划分网格总数如表l 所示 设吃水为1 ，图2 给出了船艉部网格图。 辅船周围流场的大小以及如何划分流场网格直 接影响到水下爆炸数值模拟，所以必须确定合适的 流场大小并合理划分流场的网格。文中取流场半径 万方数据 1 0 8爆破 2 0 1 6 年9 月 是结构半径的6 倍，建立辅船周围流场的有限元模 型，最终形成舰船与其周围流场的三维有限元模型， 如图3 所示。 表l有限元模型的相关参数 T a b l e1T h er e l a t e dp a r a m e t e r so ff i n i t ee l e m e n tm o d e l 项目 参数 船长 船宽 吃水 船体网格总数 流场网格总数 图2 艉部放大图 F i g ．2 T h ed e t a i l e dc h a r lo fs t e r n ㈥3柴辅盼搜j tJ 川研流场仃限元模} 刈 F i g ．3 ’l h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fa u x i l i a r ys h i p a n df l o wf i e l da r o u n d 模型材料为Q 2 3 5 钢，选取软件自带的J o h n s o n - C o o k 本构及损伤失效模型“ J ，本构模型的相关参数 如表2 所示，其中A 、B 、凡是与静态屈服阶段相关的 参数，C 是与应变率相关的参数，m 是与温度相关的 参数。模型综合考虑水下爆炸后的冲击波与气泡射 流载荷。其中，冲击波载荷通过软件关键字进行添 加；射流载荷首先利用气泡理论求得气泡射流参数， 然后在软件中加载到结构上1 。 表2Q 2 3 5 钢J o h n s o n - C o o k 本构模型相关参数 T a b l e2T h er e l a t e dp a r a m e t e r so fJ o h n s o n - C o o kf o rQ 2 3 5 边界条件主要为流体和结构全耦合边界条件 以及流体截断面的无反射边界条件。流体和结构的 相互作用是水下爆炸问题分析中的关键，软件使用 ‘t i e ’约束连接流体和结构耦合面，通过动量守恒将 结构的位移场和流体的压力场耦合起来。无反射边 界条件主要包括流体两端的球形无反射边界条件和 中间的柱形无反射边界条件。 2 ．2 仿真工况 仿真工况主要依据雷目交汇情况来确定，即通 过鱼雷的设定深度以及攻击辅船部位的吃水来确 定。结合航拍视频数据可初步确定雷目交汇态势 为鱼雷战斗部中心位于辅船艉部下方离船体底部 约4m 、偏离中纵剖面向右舷约2m 处。基于雷目 交汇态势，仿真设置以下工况进行计算装药量选取 为4 9 0k g1 N T 根据鱼雷战斗部装药等效 ，爆距设 置为4m ；攻击角度选取为船底偏右2m 的下方，爆 炸位置为船艉爆炸。由雷目交汇态势可知，该工况 属于水下近场非接触爆炸，示意图如图4 所示。 y ．L 工 - 爆点 图4 雷目交汇态势 F i g ．4 T h er e l a t i v es i t u a t i o n a lo ft o r p e d oa n dt a r g e t 2 ．3 目标函数的建立 由爆炸威力分析方法可知修正变量T N T 当量 数值为单一量，而根据模型求解得到的加速度有多 个测点，故需要对多个测点的加速度峰值构建目标 函数。根据不同的需求，可以构造不同的目标函数。 设仿真计算得到Ⅳ个测点的加速度峰值为Ⅱi 江1 ， 2 ，⋯，Ⅳ ，相对应测点测量得到的加速度峰值为 口i ’ 江1 ，2 ，⋯，Ⅳ ，参照最小二乘估计构建的目标 函数如式 1 所示。当然，目标函数的构建有多种 方式，文中只是选取其中较为简单的一种。为了便 于数值仿真计算中快速收敛，对目标函数进行了标 准化处理，如式 2 所示。 N ．厂 ∑ 口。一o i 2 1 ／∑N1 一告1 2 i 1o ／ 2 3结果分析 由于爆炸属于近场非接触爆炸，炸点附近的船 个个 段眇∞盯昕挖生L ∞跎驼 万方数据 第3 3 卷第3 期 高浩鹏，张姝红，金辉，等一种爆破型战斗部近场非接触爆炸威力分析方法研究 体结构产生了破口，而破口附近船体结构的加速度 传递规律不确定性因素较多，故文中构建目标函数 时选取的加速度测点离炸点较远。定性分析可知， T N T 当量较小时加速度峰值较小，T N T 当量较大时 加速度峰值较大；迭代计算时，取T N T 当量最小值 为2 0 0k g 、最大值为8 0 0k g ，初始值为5 0 0k g 。迭代 计算结果表明，当目标函数最小时T N T 当量数值约 a 船体在爆炸作用下的破坏过程及全船应力云图 a T h es t r e s sn e p h o g r a mo fs h i ps t r u c t u r e 为6 1 6k g ；此时对被试船毁伤的应力及应变云图如 图5 所示。由仿真计算结果分析可知该鱼雷在被 试辅船船艉下方4m 爆炸时，船体外板产生大破口， 破1 3 直径达1 0m 左右、纵深达3m 左右；强大的破 坏效应可使舷侧外板几乎完全断裂，导致船体艉部 与船体主体之间仅有几层甲板相连，在惯性力及重力 的作用下进一步使船艉与主船体产生更大的变形。 b 全船应变云图 T h es t r a i nn e p h o g r a mo fs h i ps t r u c t u r e 图5 被试船毁伤云图 F i g ．5 T h ed a m a g en e p h o g r a mo ft a r g e ts h i p 当然，并不是说文中计算得到的T N T 装药量数 值就是该鱼雷准确的装药量；只是在这种同时考虑 舰船结构特征与鱼雷战斗部特征的数值仿真计算方 法的基础上，基于加速度构建的目标函数，舰船的毁 伤情况更接近于实测情况。其意义主要有两个方 面与实际装药量的数值进行比对，给出鱼雷战斗部 的爆炸威力；按照该装药量分析该鱼雷对国内或者 国外战斗舰艇的毁伤计算，分析毁伤结果得到该鱼 雷攻击国内或者国外战斗舰艇的爆炸威力。该方法 的优点是在考虑舰船结构特征与鱼雷战斗部特征的 基础上通过T N T 当量数值直接给出鱼雷战斗部的 爆炸威力，并且该数值的计算过程中结合试验数据， 提高了结果的可靠性。当然，舰船结构复杂且设备 众多，在建模的过程中由于模型结构的简化假设、边 界条件模拟的差异性、非结构因素的不确定性以及 人为因素等影响，使得建立的模型与实际总是存在 着一定的差异；但是若将计算得到的T N T 当量数值 通过相同的数值仿真计算方法应用于国内或者国外 战斗舰艇的毁伤计算，由整个分析计算过程可知将 会减少仿真建模引入的误差，此时该T N T 当量仅仅 是计算过程中通过试验验证的过度量。 4 结论 目前，对于鱼雷爆炸威力的评估没有统一的方 法和标准，但是鱼雷设计部门以及军方都特别关心 其爆炸威力，特别对于舰船的指挥员，只有准确掌握 鱼雷的爆炸威力才能正确决策战术动作。鱼雷的装 药当量可以直接反映其战斗部的爆炸威力，但是没 有考虑舰船结构特征及战斗部装药形状等特征。文 中通过舰船的毁伤情况分析鱼雷战斗部爆炸威力， 分析过程主要是选取加速度标准作为舰船毁伤评 估标准，战斗部装药量作为修正变量，结合仿真计算 得到的加速度峰值及实际测量得到的加速度峰值构 建目标函数，对仿真模型进行迭代计算，最终得到与 舰船实际毁伤较为一致的战斗部装药量数值，该数 值可直接与战斗部实际装药当量进行比对，反映出 该鱼雷的爆炸威力。该分析方法结合了试验数据， 提高了结果的可靠性。目前，鱼雷的实爆试验应用 于战斗舰艇还不太可能，文中基于数值仿真方法，结 合鱼雷对非战斗舰艇的毁伤试验数据，最终分析得 到评估鱼雷战斗部爆炸威力的一个装药量数值；若 将该数值应用于对国内外战斗舰艇的毁伤计算，其 意义更加重大，当然也是下一步工作的重要内容。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ] 王凤英，刘天生．毁伤理论与技术[ M ] ．北京北京理 工大学出版社，2 0 0 9 2 0 9 - 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