水雷易损性建模与数值仿真研究＊

刘 亭 严 平 谭 波

（海军工程大学 武汉 430033）

1 引言

当前，舰艇面临的水下威胁日益严重，如何有效防御鱼水雷等水中兵器已成为各国海军弹药装备发展的方向之一。美国1995年展示的机载快速灭雷系统，发射20mm口径的超空泡射弹，可击穿由机载蓝绿激光探雷系统发现的水深50英尺范围内的锚雷和沉底雷［1］。美国海军水下作战中心研究的高速水下弹药系统，通过发射高速超空泡弹药对鱼水雷等水下目标进行硬杀伤来提供舰艇的水下防御［2］。英国与挪威联合试验了海上灭雷新系统“水雷狙击手”，由水下遥控航行器所携带的水下火炮发射弹药来彻底引爆水雷装药［2］。

在以上研究中，一个重要的问题是如何开展水下动能射弹对鱼水雷目标的毁伤效能评估，即在特定弹道环境和交会条件下对射弹毁伤能力与毁伤效果进行度量。它取决于弹丸毁伤机理、毁伤威力、打击方式、精度以及目标易损特性等。而开展典型鱼水雷目标易损性研究，一方面有助于对鱼水雷目标结构特性的认识，优化弹丸威力设计，提高弹药的毁伤能力；另一方面有助于鱼水雷抗毁伤性能的改进设计，提高战场生存力。本文以沉底水雷为对象，对水雷目标易损性问题展开研究。

2 水雷目标易损性研究框架

2.1 易损性的概念

易损性具有双重含义［3］：从广义上讲，易损性是指某种装备对于破坏的敏感性，其中包括关于如何避免被击中等方面的考虑；从狭义或终点弹道意义上讲，易损性是指某种装备假定被一种或多种毁伤元素击中后对于破坏的敏感性。根据所要对付的主要目标，弹药的设计者和使用者所关心的问题是弹药攻击敌方目标后，使其原有性能损失的程度以及这种程度对其完成作战任务的影响程度。

2.2 水雷目标易损性研究的总体思路

动能弹对水雷目标的破坏方式分为两种：一是动能弹沿运动方向侵彻贯穿水雷壳体对内部关键部件毁伤造成目标功能失效；二是侵彻水雷战斗部引爆内部装药。一个完整的水下射弹对水雷目标易损性研究的总体思路如图1所示。

1）毁伤等级划分

目标毁伤意味着其相应功能丧失，可能是某种功能丧失或几种功能不同程度的丧失，也可能是各种功能同时丧失。为了准确合理地反映目标何种功能丧失以及功能丧失程度，应根据试验数据、理论分析与数值模拟结果，首先进行主毁伤等级划分，然后根据各功能子系统的功能丧失程度划分若干个次级毁伤。

图1 水雷易损性研究总体思路

2）关键部件分析及目标功能毁伤树构造

不论何种目标系统，都可以划分成多个子系统。各个子系统又由许多零部件构成。有些部件的毁伤直接影响着目标作战使命，甚至导致整个目标毁伤，称作关键部件。进行目标易损性分析与评估时，只考虑关键部件。然后根据各个关键部件与子系统之间的相互关系建立与不同毁伤等级相对应、具有一定逻辑关系的树型结构图，即目标功能毁伤树［4］。

3）数值模拟

在侵彻模拟中，应结合战术应用，考察不同材料、质量、速度、方向的弹丸运动轨迹及其侵彻行为。由于侵彻问题属于大变形、高压和高应变率的问题，因此对这类问题的数值模拟，采用合理的材料分析模型是重要的前提条件［5］。此外，由于高速碰撞发生，在材料内部产生冲击波，这种冲击波在材料内部形成压力、密度、能量和质点加速度的间断点，使微分方程产生奇异点。因此，需要在计算中引入人工体积粘性项来修正静压力项。

4）等效试验方法

在目标易损性分析与评估时，一般采用等效原则（如弹道极限速度等效原则［6］），将目标模拟为具有特定形状和物理属性的简化结构。由于水下高速运动弹丸与陆上常规武器发射的高速运动的弹丸以及水中低速运动航行体的运动特性相比具有许多不同之处。因此，在等效试验设计中应选择合适的水下弹道测量技术，并研究陆上侵彻和水下侵彻的等效关系。

5）典型水雷目标的毁伤概率计算

对各种弹目交会条件进行反复模拟，给出目标所有可能的部件毁伤态向量的全域分布；利用降阶态评估法输出以各任务相关子系统（如仪器舱、战斗部、动力舱等）的工程性能降阶态发生概率为易损性度量指标的全域分布。

3 水雷目标易损性建模

针对沉底水雷，借鉴文献［7］提出水雷目标易损性建模的一般步骤：

3.1 目标的结构及功能分析

图2 沉底水雷的舱段模型

沉底水雷的总体结构分为两个舱段：装药雷体和引信舱。如图2所示。

关键部件包括：

·装药雷体：其结构头部为椭球形，主体为圆柱体，其功能是装填炸药、安装感应线圈棒并连接水雷的引信舱。

·引信舱壳体：结构呈圆柱形，其功能是安装和保护水雷引信装置等部件，保证水雷内部的水密。

·引信：包括感应线圈棒和引信装置，其功能是接受外界物理场信号，进行信号处理，当判断是目标通过时，给出爆炸信号。

·电池组：其功能是是提供水雷工作的能源。

·起爆装置：由气压保险机构和聚能传爆管两部分组成，其作用是根据水雷引信所提供的起爆信号起爆，引爆水雷的主装药。

3.2 目标毁伤级别

沉底水雷结构简单，并且各个结构联系紧密，不论某一个关键部件损伤，都会导致水雷失去战斗力，所以从简单实用、并结合其战术使命的角度出发，将沉底水雷的毁伤等级划分为如下两个等级。

1）KK级毁伤：水雷目标立即被摧毁，如战斗部爆炸或者机构解体。

2）C级毁伤：水雷目标部分功能丧失而不能完成既定作战任务，如不能起爆战斗部。

3.3 目标毁伤树

以水雷引信舱为例，进行水雷目标的毁伤分析：

·引信舱壳体：引信舱壳体损坏，水雷内部水密失效，海水进入舱内，造成内部机构失灵，最终导致水雷失效。

·引信：感应线圈棒为声传感器，直接与海水接触，若其损伤，则不能探测目标；引信装置损伤，引信将不能正常工作，造成水雷失效。

·聚能起爆装置：若传爆序列受损，将不能正常起爆雷体装药。

·电池组：电池组损伤，将导致引信和聚能起爆装置不能正常工作。

图3 沉底水雷C级结构功能毁伤树

其他机构，如保险器、装配板组等的损伤不影响水雷的正常工作。

根据以上分析，构建出某型沉底水雷C级结构功能毁伤树，如图3所示。

4 射弹对水雷侵彻过程的仿真分析

4.1 水雷与射弹的有限元模型

本文采用有限元方法对射弹侵彻水雷过程进行数值模拟。射弹头部形状为锥体，弹体形状为圆柱体，直径12.7mm，弹体材料为钨合金，采用四面体欧拉单元划分网格，有限元实体模型如图4（a）所示；水雷雷体结构头部为半球形，柱体和引信舱均为圆柱形，材质为低碳钢Q235，采用正六面体欧拉单元划分网格，有限元壳体模型如图4（b）所示。

4.2 射弹对水雷侵彻建模及仿真

取一部分壳体弧形靶板等效水雷壳体，边界条件固定。模型的建立基于以下的假设：弹丸和靶板都为均匀连续介质，整个侵彻冲击过程为绝热过程，不计空气阻力，不考虑重力的作用，不考虑靶板的位移，弹丸与靶板的初始应力为零。利用Patran软件构建目标毁伤模型，如图5所示。

图4 水雷与射弹的有限元模型

图5 弹丸垂直侵彻目标毁伤模型

图6 弹丸速度变化情况

从文献［8］中可知，水下弹丸在水下的运动速度最高达300m／s，并 伴 随 着 超空泡现象，所以仿真计算时把弹丸着靶速度设为 300m／s，计算完成后得到弹丸速度变化曲线，如图6所示。将计算结果导入Patran进行后处理，得到弹丸侵彻靶板的变化情况，如图7所示。

由速度变化曲线可以看出，弹丸以300m／s的速度侵彻靶板时，整个侵彻过程历时0.26ms弹丸穿透靶板后速度约为180m／s。侵彻可大概分为三个过程：开坑，稳定侵彻和冲塞阶段。并且侵彻结束后可以看出弹丸形状的变化情况，较侵彻前弹体长度变短，弹头钝化。

图7 钨弹着靶速度为300m／s时侵彻靶板过程

将射弹材料属性改为低碳钢Q235，着靶速度为300m／s，仿真结果如图8所示，从仿真结构可以看出，钢弹未能穿透靶板，弹体完全侵蚀。

图8 钢弹侵彻靶板过程

在实际中，弹丸不可能都是垂直侵彻，着靶角大于0°的斜侵彻才是常遇见的。图9为钨弹着靶角为45°时的侵彻过程（着靶速度为300m／s），弹丸未能穿透靶板，并且弹丸完全被侵蚀。

图9 着靶角为45°时侵彻靶板过程

4.3 仿真结果分析

1）根据弹丸的速度变化曲线可知，弹丸的侵彻能力与着靶速度成正比，着靶速度越大即弹丸动能越大，侵彻能力越强。

2）整个侵彻过程时间很短，弹丸被侵蚀掉了很大部分，说明材料参数的影响很重要。如果弹丸的材料强度很差，在侵彻过程中会由于质量过多损失，大大降低动能，对侵彻影响很大。

3）着靶速度相同的情况下，垂直侵彻能力比斜侵彻能力强。

4）引信舱内部有电路板，材料为FR4（环氧玻璃布层压板），弹丸侵彻穿透靶板后存速约为180m／s，能够对电路板造成破坏，以致水雷失效；水雷内部装药为PBX炸药［9］，PBX炸药在受到撞击时爆炸的反应阈值为263.5－269.9m／s［11］，因此弹体侵彻水雷壳体后的存速不能引爆水雷内部装药。

5 结语

本文对沉底水雷的易损性进行了分析研究，描述了水雷目标易损性研究框架，进行了水雷目标易损性建模，并且对射弹侵彻水雷壳体过程进行了仿真。易损性的研究是一个非常复杂的过程，下一步将更深入地研究弹体贯穿壳体后对水雷内部装药和引信舱舱内机构的毁伤效果，逐步完善沉底水雷的易损性研究。

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