影响鱼雷定向战斗部威力的偏心起爆仿真与试验

曲大伟，王团盟

（1. 海军装备部 西安局，陕西 西安，710065； 2. 中国船舶重工集团公司 第705研究所，陕西 西安，710075）

影响鱼雷定向战斗部威力的偏心起爆仿真与试验

曲大伟1，王团盟2

（1. 海军装备部 西安局，陕西 西安，710065； 2. 中国船舶重工集团公司 第705研究所，陕西 西安，710075）

定向起爆技术可大幅提高鱼雷战斗部的能量利用率, 加大对大中型舰船目标的毁伤。基于此, 对重型鱼雷定向战斗部缩比样机在3种不同起爆方式下, 在相同测点处的冲击波超压进行仿真计算和试验测试, 结果表明,战斗部3点偏心起爆方式产生的冲击波超压在一定范围内, 在目标方向上较中心起爆方式有所增强, 偏心距愈大,冲击波超压增强幅度愈大。因此, 3点偏心起爆可作为重型鱼雷定向战斗部优先选择的起爆方式。该文的研究将为优化重型鱼雷战斗部设计提供参考。

重型鱼雷； 定向战斗部； 偏心起爆； 冲击波超压

0　引言

重型鱼雷战斗部多数属于爆破型，为了充分利用装药能量，提高化学能量转化为动能的效率，

战斗部起爆方式是关键技术之一。重型鱼雷战斗部采用中心一点或后端面平面起爆方式，战斗部爆炸后能量向鱼雷径向均匀分布或向鱼雷轴向前方汇聚，在反舰情况下，目标处于鱼雷上方，能量利用率较差。采用定向起爆技术，使战斗部爆炸能量向位于鱼雷上方的舰船目标方向汇聚，能够产生定向聚爆的效果，大幅度提高鱼雷战斗部的能量利用率，加大对大中型舰船目标的毁伤。

文中利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA分别对中心起爆和3点偏心起爆方式下重型鱼雷战斗部缩比样弹爆炸后在目标方向上产生的冲击波超压进行数值仿真计算，对比在目标方向相同距离处冲击波超压的增益情况，优选出较为合适的起爆方式及偏心距，为优化重型鱼雷战斗部设计提供参考。

1　仿真模型建立

1.1几何模型

重型鱼雷战斗部水下威力测试因海况复杂、测试范围大、测试传感器和效应靶较难布置、动态下鱼雷战斗部爆炸近场和远场区域很难具体确定，常采用陆上静爆试验进行战斗部性能摸底和毁伤效果评估，但全尺寸重型鱼雷战斗部静爆试验费时长、耗资大、试验条件较难控制，故常采用按一定比例缩小的模型代替原型试验，以取得工程设计或毁伤效应分析中所需的各种数据，探求具体工程技术问题中有关物理量间的定性关系［1］。

数值仿真采用一定比例的缩比模型，模拟重型鱼雷战斗部不同起爆方式下的陆上静爆试验。在ANSYS前处理程序中计算出鱼雷战斗部缩比模型装药量1.412 kg，装药形状为长径比L/D=1.5的圆柱体，有限域空气介质形状为（φ1 600×930） mm的圆柱体，战斗部装药有限元模型见图1。受定向起爆方式的影响，冲击波在空气中传播只关于1个平面对称。为缩短计算时间，取1/2结构建立3D模型，仿真系统示意见图2。各部分模型均为SOLID164［2］实体单元类型，映射网格划分。仿真系统有限元模型共划分379 008个六面体单元，炸药、空气均划分为Euler单元，空气边界设定为非反射边界（*BOUNDARY_NON_ REFLEC TING［3］）。

图1　装药有限元模型Fig. 1　Finite element model of charging

图2　仿真系统示意图Fig. 2　Schematic of the simulation system

1.2材料模型

炸药能量瞬间释放，近似理想爆轰，符合Chapman-Jouget条件和Rankine-Hugoniot［4］关系，其材料模型选用高能炸药燃烧与增长模型。爆轰产物的膨胀采用JWL （Jones-Wilkins-Lee）状态方程，此状态方程可以很好地描述高能炸药爆炸作用过程及爆轰产物，其形式为

式中: A，B，R1，R2和ω为试验拟合参数； E为体积内能，J·m-3； V为体积，m3。

炸药的材料模型及状态方程主要参数见表1。

表1　炸药材料模型及状态方程主要参数Table 1　Main parameters of explosive material model and equation of state

空气介质采用空材料［3］本构关系的线性多项式状态方程来描述，不考虑应力偏量，仅在与周围介质接触时考虑空气杨氏模量和泊松比的作用，且

式中: C0～C6为多项式系数； η=ρ/ρ0-1，且ρ ρ0为当前密度和初始密度比率。空气介质线性多项式状态方程主要参数见表2。

表2　空气介质线性多项式状态方程主要参数Table 2　Main parameters of linear polynomial equation of state for air medium

1.3算法选择

ANSYS/LS-DYNA程序具有Lagrange、Euler和ALE（arbitrary lagrangian eulerian）算法。Lagrange算法的单元网格附着在材料上，随着材料的流动而产生单元网格的变形。但是在结构变形过于巨大时，有可能使有限元网格造成严重畸变，引起数值计算的困难，甚至程序终止运算。ALE算法和Euler算法可以克服单元严重畸变引起的数值计算困难，并实现流体-固体耦合的动态分析。Euler算法则是材料在一个固定的网格中流动，在LS-DYNA中只要将有关实体单元标志Euler算法，并选择输运算法［5］，就可以进行仿真计算。

文中用有限元仿真程序计算距爆炸中心一定距离处的冲击波超压，仿真系统只有炸药和空气2种物质。由于炸药爆炸过程和空气介质具有流体特性，采用Euler算法比较合适。

2　仿真过程

鱼雷战斗部内部有各种管路、传感器、控制组件和电子元器件，受内部结构尺寸限制，根据理论分析及战斗部装药空间实际特点，设计战斗部起爆偏心距为Δδ1=0mm ，Δδ2=17 mm，Δδ3= 27 mm3种。当偏心距Δδ1=0 mm时，起爆点数量为1，且位于战斗部几何中心，即为中心单点起爆方式。当偏心距Δδ2=17 mm，Δδ3=27 mm时，起爆点数量为3，且在战斗部装药内同一条直线上均匀分布。设计算程序终止时间500 ηs，通过ANSYS/LS-DYNA后处理程序LS- PREPOST可看出3种起爆方式下2.5 ηs和90 ηs时刻的冲击波形图（见图3和图4）。

图3　2.5 ηs时刻3种起爆方式爆炸冲击波形图Fig. 3　Explosive shock wave forms of three initiation ways at 2.5 ηs

图4　90 ηs时刻3种起爆方式仿真系统冲击波形图Fig. 4　Simulated shock wave forms of three initiation ways at 90 ηs

中心起爆方式下，缩比战斗部轴向和径向冲击波在空气中呈对称性传播，在距装药较近处冲击波阵面呈椭球形； 另外2种不同偏心距在3点起爆方式下，冲击波在空气中传播只有一个对称面（即仿真系统模型对称平面），在缩比战斗部径向方向，冲击波向偏心起爆点偏离战斗部轴线的相反方向增强，在缩比战斗部轴向方向无明显变化。

3　仿真结果与试验验证

3.1计算测试距离

根据爆炸冲击波在传播过程中的衰减规律，空气中冲击波压力大小与对比距离有关［6］

式中:r为对比距离，mkg-3； r为测点到爆炸中心的距离，m； W为TNT装药质量，kg；

在相同对比距离条件下，冲击波超压的大小是相同的，即

依据实际重型鱼雷战斗部装药量和战斗部对目标的最佳作用距离，由对比距离计算出，1.412 kg、1.7倍TNT当量的炸药测试距离为400 mm和600 mm。

3.2仿真结果

在缩比战斗部径向方向，距中轴线400 mm、600 mm处分别选取单元287 520、294 432绘制冲击波压力时程曲线见图5和图6。

图5　400 mm处冲击波压力曲线Fig. 5　Curves of shock wave pressure versus time at a distance of 400 mm

从图中可知，采用3点偏心起爆较中心起爆在相同测试距离处，空气中冲击波超压有明显增强； 偏心距Δδ3=27 mm 较Δδ2=17 mm在相同测点冲击波超压有所增强； 在相同测点，3点偏心起爆较中心起爆冲击波压力更早达到峰值，这说明3点偏心起爆后，冲击波在空气中传播速度比中心起爆方式下的速度大。仿真计算结果各种数据统计见表3。

图6　600 mm处冲击波压力曲线Fig. 6　Curves of shock wave pressure versus time at a distance of 600 mm

表3　仿真及试验结果数据统计表Table 3　Statistics of simulation and experiment results

3.3试验验证

验证试验采用和数值仿真计算基本相同的样弹结构尺寸和布置方法，3种不同起爆方式的重型鱼雷缩比战斗部样弹各试验2发，测试距样弹轴线400 mm和600 mm处的冲击波超压。根据CB1238-93《鱼雷战斗部静爆试验方法》的要求，战斗部放在试验架上引爆，试验架高度应满足

式中: H为战斗部离地面高度，m。

战斗部装药按1.7倍TNT当量计，试验中缩比战斗部试验架的理论高度为

试验架实际高度设定为1 000 mm。试验系统布置如图7，试验现场如图8。3种起爆方式下测试冲击波超压平均值统计见表3，偏心起爆对比中心起爆冲击波超压增益情况见表4。

由表3和表4知，重型鱼雷战斗部缩比样弹冲击波超压仿真计算结果和试验测试结果比较接近，2种方式在相同测点处的冲击波超压，以及偏心起爆方式下对比中心起爆方式下的冲击波超压增益值平均偏差为5.58%； 偏心起爆产生的冲击波超压在一定的距离范围内，在目标方向上增加9.3%～24.5%； 偏心距为27 mm的起爆方式在目标方向上冲击波超压增强幅度较偏心距为17 mm的大。根据计算结果可以推论，如果继续增大偏心距，在起爆点的相对一侧相同测点处的冲击波超压仍然会继续增强，但最大偏心距不仅受战斗部装药尺寸限制，也受战斗部总体结构设计的限制，偏心距的设定需要结合战斗部总体设计统筹考虑。

图7　试验系统示意图Fig. 7　Schematic of the experiment system

图8　试验现场图Fig. 8　Picture of experimental field

表4　对比中心起爆冲击波超压增益情况统计表Table 4　Statistics of shock wave overpressure peak gains by contrast with that of central initiation

4　结束语

通过对重型鱼雷缩比战斗部样弹3种不同起爆方式下产生的冲击波超压的仿真计算，以及与试验结果的比较，可以得出如下结论: 1） 重型鱼雷战斗部缩比样弹爆炸后，空气中冲击波超压仿真计算结果和试验测试结果平均偏差5.58%，仿真计算结果与试验结果符合性较好； 2） 战斗部偏心起爆可使冲击波超压向偏心起爆点偏离战斗部轴线的相反方向增强，3点偏心起爆产生的冲击波超压在一定的距离范围内，在目标方向上较中心起爆增加9.3%～24.5%； 3） 偏心距为27 mm的起爆方式在目标方向上冲击波超压增强幅度较偏心距为17 mm的大，可作为优选偏心距； 4） 受鱼雷战斗部内部结构限制，从工程角度采用3点偏心起爆方式比较容易实现，并能在不增加战斗部装药量的条件下较大幅度提高冲击波在目标方向的威力，可作为重型鱼雷战斗部起爆技术的优先选择方案。

［1］张守保，刘新房. 侵彻爆炸效应实验中应重视的若干问题［C］//福建: 第四届全国爆炸力学实验技术学术会，2006.

［2］张宝平，张庆明，黄风雷. 爆轰物理学［M］. 北京: 兵器工业出版社，2001.

［3］Livermore Software Technology Corporation. LS-DYNA Theoretical Manual［M］. California: Livermore Software Technology Corporation，2001.

［4］赵海鸥. LS-DYNA动力分析指南［M］. 北京: 兵器工业出版社，2003.

［5］Livermore Software Technology Corporation. LS-DYNA Keyword User′s Manual［M］. California: Livermore Software Technology Corporation，2003.

［6］北京工业学院八系《爆炸及其作用》编写组. 爆炸及其作用［M］. 北京: 国防工业出版社，1979.

（责任编辑: 杨力军）

Influence of Eccentric Initiation on Torpedo Directional Warhead Power：a Simulation and Experimental Research

QU Da-wei1，WANG Tuan-meng2
（1. Xi′an Representative Bureau，Naval Armament Department，Xi′an 710054，China； 2. The 705 Research Institute，China Shipbuilding Industry Corporation，Xi′an 710075，China）

Directional initiation technology can increase the power utilization ratio of directional warhead for a torpedo，and enhance the damage to large ship target. In this study，numerical simulation and experiment were conducted to investigate the shock wave overpressure of the scale-reduced prototype of heavyweight torpedo directional warhead at same testing point in three different initiation ways. The results show that in certain distance range，the 3-point eccentric initiation of the warhead generates higher shock wave overpressure in the direction of target than central initiation，and the shock wave overpressure increases significantly with the increase in eccentricity. Therefore，the 3-point eccentric initiation becomes the preferential initiation way for heavyweight torpedo directional warhead. This research may provide a reference for optimization design of heavyweight torpedo directional warhead.

heavyweight torpedo； directional warhead； eccentric initiation； shock wave overpressure

TJ630.2； TJ410.2

A

1673-1948（2015）02-0129-05

2014-12-25；

2015-01-24.

曲大伟（1975-），男，工程师，主要从事鱼雷总体技术研究.