典型战斗部水下爆炸侵彻仿真

李惠明， 陈智刚， 赵东华， 杨 力， 李 超， 赵长啸

(1. 武汉军械士官学校， 武汉 430075； 2. 中北大学机电工程学院， 太原 030051)



典型战斗部水下爆炸侵彻仿真

李惠明1,2， 陈智刚2， 赵东华1， 杨 力2， 李 超1， 赵长啸1

(1. 武汉军械士官学校， 武汉 430075； 2. 中北大学机电工程学院， 太原 030051)

为了研究典型战斗部水下侵彻情况，采用ANSYS-LS/DYNA3D有限元仿真软件，对圆柱形装药和半球形空穴装药水中爆炸情况进行数值模拟，并分析了两者冲击波压力、气泡直径的变化。结果表明：25μs时，半球形空穴装药近距离产生的冲击波压力是圆柱形装药的3倍多，但随着距离的增大，不同装药的影响逐渐减小；500μs时，半球形空穴装药水中爆炸形成的气泡轴向直径是圆柱形装药的1.5倍。采用ANSYS-LS/DYNA3D有限元仿真软件，对圆锥形装药战斗部和半球形装药战斗部爆炸成型和水中侵彻情况进行数值模拟，结果表明：半球形装药战斗部形成的射流外形良好，侵彻水层的速度降较小，更适合水中侵彻破坏。

水下爆炸； 侵彻仿真； 数值模拟； 装药结构； 冲击波

1　引言

我国拥有长达1.8万多km的海岸线,海上军事能力非常重要，其中鱼雷是海军作战的主要作战武器之一。目前国内研发的鱼雷在定向聚能爆破技术方面相对国外还有较大差距。本文主要从小型爆破战斗部设计着手，根据炸药在水介质中的爆炸理论，结合聚能装药的研究成果〔1〕，对装药结构在水中运用进行了理论研究、数值模拟验证。以期为水下战斗部设计提供一定依据。

2　理论分析

根据水中爆轰原理〔2-3〕，炸药在均匀、静止的深水中爆炸时，高压的爆炸产物急剧向外膨胀，便在水中形成初始冲击波，水中初始冲击波压力比空气中的大得多。由于水的不可压缩性、密度大，其波阵面压力和速度下降很快，且波形不断拉宽。在形成初始冲击波的同时，爆炸气体的气团向外膨胀并做功。随着气泡的膨胀，气泡的压力随着膨胀而不断下降，当气泡膨胀到内部的压力等于外部流体压力时，气泡的内外压力差变为零，气泡的膨胀速度达到最大，由于水向外扩散的惯性作用，气泡继续膨胀，气泡内的压力小于流体静压，压力波出现负值。当流体的扩散动能消耗完毕时，气泡体积达到最大，压力达到最低。在外部静压力的作用下，周围的水开始反向运动，同时压缩气泡，使气泡不断收缩，其压力逐渐增加。同样聚合水流惯性运动的结果，气泡被过度压缩，其内部压力高于周围的平衡压力，直到气体压力能阻止气泡的压缩而达到新的平衡。这是气泡脉动的第一次循环结束。

实验数据显示〔3〕，装药在水中爆炸能产生水中冲击波、气泡和压力波。这三者对目标都会造成一定程度的毁伤和破坏作用。

3　计算模型及材料模型

3.1计算模型

模型由炸药、药型罩、水介质、空气和壳体组成(图1)，其中炸药、水介质和空气三种材料采用欧拉网格建模，单元使用多物质ALE算法〔4〕。壳体采用拉格朗日方法，两者通过流固耦合算法作用。在无限水介质中爆炸，爆炸作用系统关于中心轴对称，在模型外表面采用压力透射边界，使冲击波在模型外表面不产生反射。在对称边界上施加对称约束，采用面起爆方式。单位制cm-g-μs。

1-水介质Water medium；2-炸药Explosive；3-壳体Shell；4-空气Air图1　装药结构示意图Fig.1　Scheme of charge structure

3.2材料模型

数值模拟中炸药采用高能奥克托今炸药，采用JWL状态方程来描述爆轰产物的压力、体积、能量特性。奥克托今爆轰性能参数如表1所示。

紫铜药型罩在成型过程已变为流体行为，采用Zerilli-Armstrong材料模型，如表2所示。

使用Gruneisen状态方程描述液态水，其参数如表3所示。

表1　主装药的基本材料参数

表2　紫铜材料的基本材料参数

表3　水介质性能参数和Gruneisen状态方程参数

使用空白材料和EOS_LINEAR_POLYNOMIAL线性多项式状态方程模拟空气，线性多项式状态方程的内部能量呈线性分布。状态方程中重要参数如表4所示。

表4　空气基本材料参数

采用高强度铝合金作为战斗部壳体材料。由于壳体变形不是研究重点，所以仅采用塑性动态硬化模型即可，该模型状态方程中重要参数如表5所示。

表5　壳体基本材料参数

4　模拟结果及分析

4.1圆柱形装药、半球形空穴装药模拟分析

圆柱形装药〔5〕、半球形空穴两种装药在25，45，65，105，165μs水域中的冲击波传播情况模拟结果如图2和图3所示。

图2　圆柱形装药冲击波传播情况Fig.2　Shock wave propagation of cylindrical charge

图3　半球形空穴装药冲击波传播情况Fig.3　Shock wave propagation of half spherical charge

通过后处理软件分析：在25μs时，半球形装药产生的最高冲击波压力是圆柱形装药的3倍多，达到16GPa，从外形上看，半球形装药形成的冲击水流头部尖锐，能量集中，更有利于提高局部破坏能力。

在水介质10cm处取质点A(14539)，通过后处理软件分析冲击波在该质点速度变化情况(图4)，可以看出，50μs半球形装药的速度是圆柱形装药的4倍，但速度降较大，并在300μs后速度趋向一致。

图4　质点A处冲击波速度曲线图Fig.4　Curve graph of shock wave velocity in point A

在水介质50cm处再取质点B(16267)，通过后处理软件分析该质点冲击波压力变化情况(图5)，压力曲线有明显振荡性， 经验证分析〔1，4〕，是爆炸后产生的壳体破片在水介质中高速侵彻的结果，可增强毁伤作用，柱形装药略强于半球形装药。

图5　质点B处冲击波压强曲线Fig.5　Curve graph of shock wave pressure in point B

两种装药在第一次气泡脉动内腔变化情况如图6所示。对比可以看出：半球形装药产生的气泡空腔半径大于圆柱形装药，近距离轴向处气泡空腔半径是圆柱形装药的1.5倍，根据气泡脉动研究〔6-8〕，水下爆炸除了冲击波作用外，气泡脉动对附近物体也可造成不同程度的破坏。

图6　不同时刻水域中气泡分布Fig.6　Bubble distribution in water at different time

图7　两种战斗部结构Fig.7　Structures of two kinds of warhead

4.2圆锥形装药、半球形装药战斗部模拟分析

图7为圆锥形装药、半球形装药战斗部的结构，其中药型罩采用紫铜材料，并和水、空气、炸药采用欧拉网格建模，ALE算法处理。

图8反映了圆锥形装药战斗部在20，40，60μs爆炸的成型情况，在90，250，450μs侵彻水介质的结果。

图8　圆锥形装药战斗部水下爆炸成型和侵彻情况Fig.8　The explosion forming and penetration in water by comicalness charge

图9反映了半球形装药战斗部爆炸成型和侵彻结果。

图9　半球形装药战斗部水下爆炸成型和侵彻情况Fig.9　The explosion forming and penetration in water by hemisphere charge

通过后处理软件分析两种战斗部成型以后侵彻水介质的情况，如表6所示。

表6　两种战斗部在水介质中侵彻情况

根据表6得出，圆锥形空穴装药战斗部射流初速高，但在水中衰减很快，杵体直径大，不利于在水中侵彻破甲，半球形空穴装药战斗部射流外形好，前后端速度差小，更适合水中侵彻破甲。

5　结论

(1)半球形空穴装药对爆炸点附近的水介质冲击波局部作用场明显强于圆柱形装药。

(2)半球形空穴装药爆炸在水介质中产生的气泡脉动轴向半径大，有利于破坏防护装甲。

(3)圆柱形装药爆炸在水介质中产生的振荡作用略强于半球形空穴装药，但这不是主要破坏作用。

(4)半球形空穴装药战斗部射流外形好，速度差小，侵彻水层和破甲效果好。

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Penetrationunderwaterexplosionbytypicalwarheadsimulation

LIHui-ming1,2,CHENZhi-gang2,ZHAODong-hua1，YANGLi2，LIChao1,ZHAOChang-xiao1

(1．WuhanOrdnanceN.C.O.School,Wuhan430075,China;2．SchoolofMechanicalandEngineering,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China)

Toinvestigatethetypicalwarheadpenetrationunderwater，thenumericalsimulationofexplosionofcylindricalchargeandhalfsphericalcavitychargeinwaterbyfiniteelementsoftwareANSYS-LS/DYNA3Dwasstudied，andthechangesofshockwavepressureandbubblediameterwereanalyzed.Theresultindicatedthatshockwavepressureproducedbyhalfsphericalcavitychargewasmorethanthreetimesaslargeascylindricalchargeat25μs,buttheinfluenceofdifferentchargesdecreasedbydistanceincreasing.Bubblediameterproducedbyhalfsphericalcavitychargewas1.5timesofcylindricalchargeat500μs.WarheadexplosionformingandwaterpenetrationofhalfsphericalchargeandconicalchargewerealsosimulatedbyANSYS-LS/DYNA3D.Theresultindicatedthatjetshapeformedbyhalfsphericalchargewasbetter,velocitydropofpenetrationlayerwassmaller,whichwasmoresuitedinpenetrationunderwater.

Underwaterexplosion;Penetrationsimulation;Numericalsimulation;Chargestructure;Shockwave

1006-7051(2016)04-0039-04

2016-01-17

军队青年基金项目

李惠明(1985-),男, 硕士,主要研究弹箭远程与高效毁伤技术。E-mail:huimingl159@126.com

TD265.3+3

Adoi： 10.3969/j.issn.1006-7051.2016.04.008