近場(chǎng)爆炸作用下水面目標(biāo)毀傷研究

張永坤 劉文思

（91439部隊(duì) 大連 116041）

0 引 言

目前國(guó)內(nèi)外學(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2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］，對(duì)相應(yīng)的毀傷情況進(jìn)行了廣泛的研究［5－8］.當(dāng)結(jié)構(gòu)距離爆源較近時(shí)，造成船體結(jié)構(gòu)局部破壞的主要載荷為沖擊波載荷.

文中選取目標(biāo)是為考核魚(yú)雷近場(chǎng)爆炸下對(duì)典型艦艇的局部毀傷效應(yīng)，其主要破壞載荷為沖擊波.仿真計(jì)算使用的硬件平臺(tái)為高性能集群系統(tǒng)，最高可對(duì)1 000萬(wàn)網(wǎng)格的水下爆炸仿真模型進(jìn)行仿真計(jì)算，其采用的平行計(jì)算技術(shù)和搭載的128核計(jì)算軟件能實(shí)現(xiàn)對(duì)水下爆炸作用機(jī)理的更精確模擬和快速計(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，此方法是采用聲學(xué)單元模擬流場(chǎng)，載荷包含了沖擊波和氣泡脈動(dòng)的綜合作用，同時(shí)還考慮了空化壓力的影響.

1 仿真計(jì)算過(guò)程

以曙光5000集群系統(tǒng)為計(jì)算平臺(tái)，以128核并行版ABAQUS大型有限元計(jì)算軟件為仿真計(jì)算手段，以某水面艦艙段為目標(biāo)艦，針對(duì)320kg TNT當(dāng)量爆破型戰(zhàn)斗部的遠(yuǎn)場(chǎng)沖擊威力和近場(chǎng)毀傷能力進(jìn)行仿真計(jì)算.

1.1 仿真方法驗(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1 000kg TNT距左舷70m，水深50 m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.

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%以內(nèi)，計(jì)算精度符合工程要求.

1.2 仿真計(jì)算對(duì)象

計(jì)算對(duì)象以某艦為原型，截取艦中兩個(gè)艙段為計(jì)算模型，長(zhǎng)度約為20m，型寬17m，型深12 m.有限元模型見(jiàn)圖1.

圖1 有限元模型

1.3 仿真工況設(shè)計(jì)

仿真試驗(yàn)共設(shè)置了7個(gè)工況，工況設(shè)計(jì)主要依據(jù)水中兵器的裝藥量及使用情況，其中第一個(gè)工況采用驗(yàn)證算法工況相同的沖擊因子.模型計(jì)算工況設(shè)置見(jiàn)表3.

表3 模型計(jì)算工況設(shè)置

1.4 測(cè)點(diǎn)選取

模型共設(shè)置了11個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)位置均位于模型中橫剖面位置，見(jiàn)表4和圖2.

表4 水面目標(biāo)靶模型測(cè)點(diǎn)位置

圖2 水面目標(biāo)靶模型測(cè)點(diǎn)位置

1.5 仿真計(jì)算結(jié)果

1.5.1 測(cè)點(diǎn)加速度計(jì)算結(jié)果

gk－7爆源位于模型長(zhǎng)度方向中部距左舷7.5 m，水深7.7m舷側(cè)爆炸，針對(duì)320kg TNT當(dāng)量的戰(zhàn)斗部毀傷能力進(jìn)行仿真計(jì)算（沖擊因子為2.32）.仿真結(jié)果顯示：模型舷側(cè)及前后橫艙壁的均出現(xiàn)了較大塑性變形及破口，結(jié)構(gòu)基本損壞.應(yīng)力云圖、不同位置加速度變化及峰值變化曲線見(jiàn)圖3～6.

圖3 初始時(shí)刻應(yīng)力云圖

圖4 最終狀態(tài)應(yīng)力云圖

圖5 模型中部甲板處加速度變化曲線

圖6 模型中甲板處加速度峰值變化曲線

通過(guò)一系列的水面毀傷目標(biāo)等效靶仿真試驗(yàn)研究表明：艙段前后隔板部分是最先出現(xiàn)變形和破口的部分，且在爆炸距離較遠(yuǎn)處也會(huì)因爆炸沖擊造成結(jié)構(gòu)震蕩損壞甚至破口，這主要是因?yàn)樗媾摱文Ｐ褪菑脑寂炌е苯诱〉?，前后隔板沒(méi)有進(jìn)行加固改造，是艙段結(jié)構(gòu)最為脆弱的部分；沉底水雷對(duì)艙段主要是以沖擊損傷為主，沖擊波對(duì)薄弱部位直接造成結(jié)構(gòu)塑性變形甚至輕微破口，更嚴(yán)重是對(duì)結(jié)構(gòu)造成震蕩損傷，會(huì)引起整個(gè)主甲板的大面積變形以及前后隔板的震蕩破損；魚(yú)雷對(duì)模型的損傷在遠(yuǎn)距離時(shí)也是以沖擊震蕩為主，會(huì)引起局部震蕩破口，在距離較近時(shí)以沖擊波沖擊毀傷為主，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生局部震蕩破口.在結(jié)構(gòu)加速度峰值變化方面，外板垂向加速度度峰值會(huì)隨著結(jié)構(gòu)位置的升高而迅速變小，但在01甲板附近出現(xiàn)再次增大趨勢(shì)；在爆源距離較遠(yuǎn)時(shí)各層甲板中部垂向加速度峰值會(huì)隨著甲板升高而迅速下降，但在爆源距離較近時(shí)，在2甲板附近垂向加速度峰值最大，上下均迅速變小的類(lèi)似正態(tài)分布趨勢(shì).

由于水面毀傷目標(biāo)等效靶設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的前后隔板原始模型結(jié)構(gòu)較脆弱，不能代表整船結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度，需要進(jìn)行加固處理，其他結(jié)構(gòu)部位可基本保持不變.因此，水面毀傷目標(biāo)等效靶結(jié)構(gòu)經(jīng)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)基本合理，只要前后隔板處經(jīng)加固后，就可達(dá)到設(shè)計(jì)要求.

2 毀傷理論方法及等級(jí)評(píng)定

2.1 局部毀傷形式

毀傷最簡(jiǎn)單形式就是塑性變形，塑性變形是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程.當(dāng)塑性變形達(dá)到一定程度，板的厚度由于變得太薄，板被撕裂，形成破口.所以，破口是一種比塑性毀傷來(lái)得嚴(yán)重的毀傷形式.通常定義為嚴(yán)重毀傷.一般的破口不會(huì)造成船體的沉沒(méi).但是當(dāng)破口的范圍很大時(shí)，船體迅速進(jìn)水，就有可能造成船體的沉沒(méi).因此，船體沉沒(méi)是最嚴(yán)重的毀傷形式.水中爆炸造成的毀傷分為4級(jí)，見(jiàn)表5.

表5 毀傷的4個(gè)級(jí)別

2.2 局部毀傷量化

局部結(jié)構(gòu)塑性毀傷為

式（1）表明結(jié)構(gòu)毀傷是在2個(gè)因素的聯(lián)合作用下產(chǎn)生的：第一個(gè)因子是能量密度SF，它表達(dá)了沖擊環(huán)境；另一個(gè)因子是（σsh）1／2，表達(dá)了結(jié)構(gòu)的抗損能力.式（1）可作為代替沖擊因子評(píng)估毀傷的一個(gè)公式.考慮到無(wú)量綱化，可以將式（1）變換為下式：

RF為抵抗因子，它代表結(jié)構(gòu)對(duì)沖擊的抵抗能力.該值越大，它的抗爆能力就越大；反之，它的抗爆能力就越小.定義

DF為毀傷因子，它代表結(jié)構(gòu)的毀傷情況.

毀傷因子事實(shí)上是應(yīng)變的平方根（圓板應(yīng)變的平方根和毀傷因子相等），亦即

式（5）說(shuō)明了毀傷因子的物理意義.

將式（3）和式（4）代回式（2），得到

式（6）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為

式中：W 為藥包的質(zhì)量，kg；R為藥包距目標(biāo)的距離，m；σs為材料的屈服極限，Pa；a為板格相當(dāng)長(zhǎng)度；h為板的相當(dāng)厚度，m；ksh≈300為常數(shù)；Cm和Cγ為與炸藥相關(guān)的常數(shù)，其數(shù)值可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法確定.

2.3 水面艦艇的毀傷等級(jí)劃分

毀傷因子和毀傷等級(jí)的關(guān)系曲線，見(jiàn)表6.

表6 水面艦艇的毀傷等級(jí)劃分

3 仿真方法與理論分析方法比對(duì)

根據(jù)選擇的戰(zhàn)斗部類(lèi)型以及計(jì)算目標(biāo)，采用式（6）計(jì)算毀傷因子，根據(jù)表6對(duì)照說(shuō)明毀傷的情況.首先根據(jù)仿真工況計(jì)算出目標(biāo)的沖擊因子，其次根據(jù)目標(biāo)特征計(jì)算其抵抗因子，再次根據(jù)沖擊因子及抵抗因子計(jì)算出根據(jù)毀傷等級(jí)確定毀傷因子的值，結(jié)果見(jiàn)表7.

參照表5（毀傷級(jí)別）及表6（水面艦艇毀傷等級(jí)劃分），由表7可知，工況1，2，3的毀傷因子對(duì)應(yīng)的等級(jí)為4級(jí)（輕微毀傷，出現(xiàn)輕微塑性變形）、4級(jí)、4級(jí)至3級(jí)（中等毀傷，出現(xiàn)嚴(yán)重塑性變形），與仿真計(jì)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(duì)應(yīng)的毀傷等級(jí)為5級(jí)至4級(jí)、4級(jí)、3級(jí)至2級(jí)、2級(jí)（嚴(yán)重毀傷，出現(xiàn)破口），與仿真計(jì)算結(jié)果基本一致.

表7 水面目標(biāo)毀傷因子

4 結(jié) 論

1）結(jié)合實(shí)船數(shù)據(jù)對(duì)仿真計(jì)算方法進(jìn)行驗(yàn)證，證明了仿真計(jì)算方法的可信性，為目標(biāo)毀傷仿真計(jì)算奠定基礎(chǔ).

2）采用仿真計(jì)算方法對(duì)水下爆炸作用下的目標(biāo)的毀傷情況進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)采用毀傷理論對(duì)其毀傷情況進(jìn)行分析.

3）對(duì)兩種方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，2種方法的計(jì)算結(jié)果比較吻合.

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