張永坤 沈曉樂(lè) 張姝紅

（91439部隊(duì) 大連 116041）

1 引言

水下爆炸對(duì)水中目標(biāo)的毀傷是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，整個(gè)過(guò)程包括炸藥的水下爆炸、水下爆炸沖擊波的形成和傳播、水下爆炸沖擊波和水中目標(biāo)的流-固耦合作用，以及水中目標(biāo)和藥室內(nèi)部塑性混合炸藥在水下爆炸沖擊波作用下的彈塑性響應(yīng)和破壞這幾個(gè)方面。目前國(guó)內(nèi)學(xué)者通常根據(jù)所研究問(wèn)題的特點(diǎn)，對(duì)水下爆炸載荷的兩個(gè)階段沖擊波和爆炸氣泡作用階段分別進(jìn)行研究［1～4］。國(guó)內(nèi)的學(xué)者對(duì)相應(yīng)的毀傷情況進(jìn)行了廣泛的研究［5～17］。當(dāng)結(jié)構(gòu)距離爆源較近時(shí)，造成結(jié)構(gòu)局部破壞的主要載荷為沖擊波載荷。本文選取目標(biāo)是為考核近場(chǎng)爆炸下對(duì)水中目標(biāo)毀傷效應(yīng)，其主要破壞載荷為沖擊波。仿真計(jì)算過(guò)程所用硬件平臺(tái)為高性能集群系統(tǒng)，最高可對(duì)1000萬(wàn)網(wǎng)格的水下爆炸仿真模型進(jìn)行計(jì)算，平行計(jì)算技術(shù)和128核計(jì)算軟件能實(shí)現(xiàn)對(duì)水下爆炸作用機(jī)理更精確計(jì)算。仿真計(jì)算使用的軟件為ABAQUS軟件，其采用的是聲固耦合法，此方法采用聲學(xué)單元模擬流場(chǎng)，載荷包含沖擊波和氣泡脈動(dòng)的聯(lián)合作用，同時(shí)還考慮了空化的影響［7～10］。

2 仿真計(jì)算過(guò)程

采用曙光5000集群系統(tǒng)為計(jì)算平臺(tái)，選取128核并行版ABAQUS大型有限元計(jì)算軟件為仿真計(jì)算手段，以某一水中目標(biāo)為目標(biāo)，共進(jìn)行了三類(lèi)仿真計(jì)算，第一類(lèi)假定水中目標(biāo)受到滅雷彈攻擊，滅雷彈等效TNT當(dāng)量為135kg，爆源分別位于目標(biāo)中部、尾部以及頂部。第二類(lèi)對(duì)其抗鄰雷爆炸情況進(jìn)行計(jì)算，等效TNT當(dāng)量為260kg。第三類(lèi)對(duì)湖試抗鄰雷情況進(jìn)行了計(jì)算，等效TNT當(dāng)量為10kg。

3 仿真計(jì)算方法驗(yàn)證

結(jié)合某實(shí)船爆炸數(shù)據(jù)，對(duì)仿真方法進(jìn)行驗(yàn)證。計(jì)算工況為1000kg TNT距左舷70m，水深50m沉底爆，龍骨沖擊因子為0.337。根據(jù)當(dāng)時(shí)爆炸時(shí)測(cè)點(diǎn)的實(shí)際情況選取進(jìn)行比對(duì)的測(cè)點(diǎn)位置，分別選擇了3個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)和3個(gè)加速度測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)具體位置分別在01甲板55#肋位迎爆面中縱桁縱向應(yīng)變測(cè)點(diǎn)、主甲板25#肋位迎爆面縱桁縱向應(yīng)變測(cè)點(diǎn)、內(nèi)底45#肋位迎爆面第一扶強(qiáng)材邊中間根部板格應(yīng)變測(cè)點(diǎn)、01甲板27#肋位艦長(zhǎng)室垂向加速度測(cè)點(diǎn)、主甲板76#肋位垂向加速度測(cè)點(diǎn)、內(nèi)底47#肋位垂向加速度測(cè)點(diǎn)。對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表 1～2［7～10］。

表1 應(yīng)變峰值對(duì)比

表2 加速度峰值對(duì)比

通過(guò)對(duì)峰值的相對(duì)誤差計(jì)算，得出應(yīng)變峰值平均精度77.48%，加速度峰值平均精度77.52%，平均相對(duì)誤差均在30%以?xún)?nèi)，計(jì)算精度符合工程要求。

4 仿真計(jì)算對(duì)象

4.1 炸藥模型

式中：η=ρ/ρ0為相對(duì)密度，定義為爆轟產(chǎn)物密度ρ與炸藥初始密度ρ0之比；p為瞬時(shí)壓力；A、B、ω、R1和R2是與炸藥性質(zhì)有關(guān)的材料常數(shù)；E為炸藥的比內(nèi)能。

對(duì)于TNT炸藥，仿真計(jì)算所用的材料參數(shù)如表3所示。

表3 仿真計(jì)算用TNT炸藥材料參數(shù)

4.2 水狀態(tài)方程

水的狀態(tài)方程采用Mie-Grüeisen形式，該形式下的狀態(tài)方程能較好地描述水中初始?jí)毫Φ拇嬖?，這與實(shí)際情況更吻合。對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)深水爆炸，需要考慮水中初始?jí)毫Φ挠绊?，采用Mie-Grüeisen狀態(tài)方程就體現(xiàn)出其優(yōu)勢(shì)所在。由于Mie-Grüeisen狀態(tài)方程形式復(fù)雜，可將其轉(zhuǎn)化成包含多個(gè)參數(shù)的多項(xiàng)式形式：

式中：a1～a3、b0～b3為多項(xiàng)式系數(shù)，ρ0為水的常溫密度；e0為常溫下水的比內(nèi)能，μ=ρ/ρ0-1。

4.3 水的材料參數(shù)

數(shù)值仿真計(jì)算中采用的水的材料參數(shù)如表4所示。

表4 仿真計(jì)算用水的材料參數(shù)

4.4 目標(biāo)結(jié)構(gòu)材料

殼體材料為ZALSi7Mg；殼體性能參數(shù)：密度2.66g/cm3，彈性模量為7.3e5MPa；切變模量為2.7e5MPa；屈 服 強(qiáng) 度 為 245MPa；抗 拉 強(qiáng) 度 為300MPa；伸長(zhǎng)率50mm中6mm～8mm。

例如，新生兒視覺(jué)集中時(shí)間僅有5秒鐘，3個(gè)月時(shí)可以達(dá)到7~10分鐘，其顏色視覺(jué)在3月時(shí)基本功能接近成人。嬰兒能根據(jù)聽(tīng)覺(jué)方向來(lái)進(jìn)行視覺(jué)定性對(duì)聲像吻合的物體注視時(shí)間更長(zhǎng)（聲音與口唇運(yùn)動(dòng)的一致）說(shuō)明視聽(tīng)協(xié)調(diào)能力已發(fā)展到一定水平。嬰幼兒在3～4月形狀知覺(jué)完整形狀，8~9月恒常性。深度知覺(jué)是由單眼視覺(jué)線索、雙眼視覺(jué)線索和動(dòng)覺(jué)線索決定，空間、距離知覺(jué)均與經(jīng)驗(yàn)有關(guān)。

4.5 沖擊因子計(jì)算

沖擊因子的選取采用平面沖擊因子的計(jì)算方式，從能量角度考慮來(lái)研究水下爆炸。若沖擊因子相同，則認(rèn)為水下爆炸沖擊響應(yīng)相似。沖擊因子用下式表述：

W為藥包質(zhì)量，kg；R為爆距，m。

4.6 目標(biāo)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

根據(jù)水中目標(biāo)相關(guān)尺寸、結(jié)構(gòu)分布、材料參數(shù)建立目標(biāo)結(jié)構(gòu)的幾何模型，并給出有限元模型、水域模型，如圖1～4所示。

圖1 水中目標(biāo)有限元模型

圖2 水中目標(biāo)結(jié)構(gòu)有限元模型截面圖

圖3 水域有限元模型

圖4 水域有限元模型截面圖

5 仿真工況設(shè)計(jì)

仿真試驗(yàn)共設(shè)置了13個(gè)工況，如表5所示。工況設(shè)計(jì)主要依據(jù)水中兵器的裝藥量及使用情況，其中第1～11工況用于毀傷規(guī)律分析；第12工況用于抗鄰雷爆炸驗(yàn)證；第13工況用于初步湖試設(shè)計(jì)驗(yàn)證，后兩種工況沖擊因子基本相同。

表5 模型計(jì)算工況設(shè)置

6 仿真計(jì)算結(jié)果及分析

6.1 仿真計(jì)算結(jié)果

6.1.1 毀傷效果圖

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)徑向不同爆距、等距不同方位、試驗(yàn)設(shè)計(jì)驗(yàn)證的毀傷情況進(jìn)行分析。

1）目標(biāo)徑向毀傷特征

徑向不同爆距作用下的毀傷效果如圖5所示。當(dāng)爆炸距離為12m時(shí)，受沖擊波影響目標(biāo)結(jié)構(gòu)主要變形為彈性變形，波峰過(guò)后可以恢復(fù)到初始狀態(tài)；爆炸距離為9m時(shí)，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塑性變形，殼體內(nèi)凹，可觀察到縱向肋骨和環(huán)形加強(qiáng)結(jié)構(gòu)形狀；爆炸距離為6m時(shí)，結(jié)構(gòu)明顯毀傷呈“瘦馬”變形，內(nèi)凹幅度增大，殼體表面出現(xiàn)褶皺，可觀察到加強(qiáng)肋和艙壁輪廓，加強(qiáng)肋開(kāi)始出現(xiàn)變形；爆炸距離為5m時(shí)，結(jié)構(gòu)整體毀傷嚴(yán)重呈塌底變形，縱向肋骨彎折，環(huán)形肋骨塌陷，但表面未觀察到破損；爆炸距離為3m時(shí)，在結(jié)構(gòu)整體毀傷嚴(yán)重基礎(chǔ)上可觀察到較小破口，因此，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破口的臨界爆炸距離在3m到3.5m之間。根據(jù)后期計(jì)算，確定出現(xiàn)破口臨界爆炸距離為3.1m。當(dāng)爆炸距離為2m時(shí)，結(jié)構(gòu)整體折斷，內(nèi)部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)損毀，結(jié)構(gòu)大規(guī)模失效，水中目標(biāo)裝藥室完全暴露。

圖5 不同爆炸距離的毀傷效果圖（徑向）

2）不同方位毀傷效果

選取內(nèi)部結(jié)構(gòu)開(kāi)始損毀時(shí)的爆距（5m）和表面開(kāi)始出現(xiàn)破口時(shí)的爆距（3m）在結(jié)構(gòu)正后方布置爆源對(duì)比研究側(cè)方位起爆和正后方起爆對(duì)結(jié)構(gòu)的毀傷效果，如圖6～8所示。

圖6給出爆距為5m時(shí)，側(cè)面起爆和后方起爆毀傷效果對(duì)比圖。在后方起爆時(shí)，可在結(jié)構(gòu)表面觀察到內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)，艙壁和肋骨未發(fā)生塌陷，結(jié)構(gòu)完整度優(yōu)于側(cè)面起爆。

圖6 爆距5m的毀傷效果圖

圖7給出爆距為3m時(shí)，側(cè)面起爆和后方起爆毀傷效果對(duì)比圖。后方起爆時(shí)結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)褶皺，可觀察到艙壁和肋骨輪廓，結(jié)構(gòu)整體未塌陷折斷，表面無(wú)破口，完整度優(yōu)于側(cè)面起爆。

圖7 爆距3m的毀傷效果圖

圖8給出結(jié)構(gòu)等效塑性應(yīng)變?cè)茍D。0.1ms結(jié)構(gòu)開(kāi)始出現(xiàn)塑性變形，0.4ms結(jié)構(gòu)加強(qiáng)肋之間殼體出現(xiàn)內(nèi)凹，1ms加強(qiáng)肋被壓扁變形，1.4ms結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破口。

圖8 爆距3m結(jié)構(gòu)等效應(yīng)變?cè)茍D

3）試驗(yàn)設(shè)計(jì)驗(yàn)證分析

針對(duì)抗鄰雷爆炸及湖試的情況進(jìn)行仿真計(jì)算驗(yàn)證。

圖9～10給出了抗鄰雷爆炸情況下目標(biāo)等效應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D。文中的計(jì)算對(duì)象為殼體結(jié)構(gòu)，內(nèi)部無(wú)填充物，與實(shí)際戰(zhàn)斗部存在一定差距，殼體的抗沖擊強(qiáng)度降低，在裝藥結(jié)構(gòu)實(shí)體部分，毀傷計(jì)算結(jié)果的數(shù)值偏大，需要裝填炸藥對(duì)結(jié)果進(jìn)行修正。

圖9 等效應(yīng)力云圖（gk12）

圖10 塑性應(yīng)變?cè)茍D（gk12）

圖11～12給出湖試設(shè)計(jì)工況下的目標(biāo)等效應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D。通過(guò)計(jì)算得到水中目標(biāo)殼體的最大應(yīng)力達(dá)到181MPa，應(yīng)力云圖如圖11所示。圖12給出了水中目標(biāo)殼體的應(yīng)變?cè)茍D。從整個(gè)計(jì)算結(jié)果來(lái)看，水中目標(biāo)殼體的有效應(yīng)變最大值達(dá)到0.059，尚未達(dá)到所設(shè)置的鋁合金的失效應(yīng)變值0.12。因此，結(jié)合圖11可看出，水中目標(biāo)在該工況下，殼體已發(fā)生屈服，進(jìn)行塑性階段，但并未產(chǎn)生失效破壞。

圖11 等效應(yīng)力云圖（gk13）

圖12 塑性應(yīng)變?cè)茍D（gk13）

6.1.2 應(yīng)力應(yīng)變隨爆距變化關(guān)系

6.2 計(jì)算結(jié)果說(shuō)明

1）殼體填充裝藥的影響

內(nèi)部無(wú)填充物，殼體的抗沖擊強(qiáng)度降低，在裝藥結(jié)構(gòu)實(shí)體部分，毀傷計(jì)算結(jié)果的數(shù)值偏大。

2）爆距影響

當(dāng)藥包質(zhì)量相同時(shí)，隨著爆距減小結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變變大，爆炸作用增強(qiáng)，此種現(xiàn)象與水下爆炸規(guī)律相符合。

表6 應(yīng)力應(yīng)變隨爆炸距離變化關(guān)系（徑向）

當(dāng)爆炸距離為12m時(shí)，受沖擊波影響結(jié)構(gòu)主要變形為彈性變形，波峰過(guò)后可以恢復(fù)到初始狀態(tài)；爆炸距離為9m時(shí)，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塑性變形，殼體內(nèi)凹，可觀察到縱向肋骨和環(huán)形加強(qiáng)結(jié)構(gòu)形狀；爆炸距離為6m時(shí)，結(jié)構(gòu)明顯毀傷呈“瘦馬”變形，內(nèi)凹幅度增大，殼體表面出現(xiàn)褶皺，可觀察到加強(qiáng)肋和艙壁輪廓，加強(qiáng)肋開(kāi)始出現(xiàn)變形；爆炸距離為5m時(shí)，結(jié)構(gòu)整體毀傷嚴(yán)重呈塌底變形，縱向肋骨彎折，環(huán)形肋骨塌陷，但表面未觀察到破損。

3）破口產(chǎn)生的初步判斷

爆炸距離為3m時(shí)，在結(jié)構(gòu)整體毀傷嚴(yán)重基礎(chǔ)上可觀察到較小破口，因此，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破口的臨界爆炸距離在3m～3.5m之間。根據(jù)后期計(jì)算，初步確定出現(xiàn)破口臨界爆炸距離為3.1m。當(dāng)爆炸距離為2m時(shí)，結(jié)構(gòu)整體折斷，內(nèi)部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)損毀，結(jié)構(gòu)大規(guī)模失效，水中目標(biāo)裝藥室完全暴露。

4）方位的影響

從毀傷效果比對(duì)分析發(fā)現(xiàn)，側(cè)面起爆對(duì)結(jié)構(gòu)毀傷大于后方起爆；目標(biāo)結(jié)構(gòu)受爆炸沖擊毀傷時(shí)，伴隨瞬間加速度和速度增加的剛體運(yùn)動(dòng)和整體振動(dòng)，產(chǎn)生鞭狀效應(yīng)，對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部元器件產(chǎn)生沖擊影響；水中目標(biāo)內(nèi)部縱向和環(huán)形加強(qiáng)肋大程度提高水中目標(biāo)抗沖擊性能，在加強(qiáng)肋結(jié)構(gòu)失效前目標(biāo)體結(jié)構(gòu)不易損毀。

7 結(jié)語(yǔ)

1）殼體填充裝藥與否對(duì)抗毀傷結(jié)果存在很大的影響，通過(guò)計(jì)算結(jié)果可看出，在裝藥不變、爆距一定的計(jì)算工況下，目標(biāo)殼體結(jié)構(gòu)中未填充炸藥的部分會(huì)失效破壞，而填充炸藥的殼體部分未達(dá)到殼體材料的屈服應(yīng)力。

2）相同藥包質(zhì)量時(shí)，隨著爆距減小應(yīng)力應(yīng)變變大，現(xiàn)象符合水下爆炸規(guī)律。

3）初步確定出現(xiàn)破口臨界爆炸距離為3.1m。

4）爆炸方位對(duì)毀傷效果存在一定的影響，側(cè)面起爆對(duì)結(jié)構(gòu)毀傷程度大于后方起爆，也即徑向毀傷程度高于軸向。