飞机库目标毁伤特性数值模拟分析

张 舵，陈 琨，宋 歌，李璐萌, 3，李 健

(1.国防科技大学文理学院,湖南 长沙 410073;2.中国人民解放军31434部队,辽宁 沈阳 110045;3.中国人民解放军96605部队,辽宁 沈阳 110089)

空军基地作为作战飞机遂行战斗任务的重要依托,对夺取制空权、进行空中突袭具有极其重要的作用,在历次战争中都作为优先打击的重要目标。近年来,地区局部冲突不断,空军基地遭受打击的案例屡见不鲜。2017年4月,美军发射数十枚“战斧”导弹对叙利亚霍姆斯省附近的沙伊拉特空军基地进行打击;2018年2月—4月,以色列空军数次出动战斗机对叙利亚提亚斯空军基地发动空袭;2020年1月,伊朗发射数枚地地导弹对美军在伊拉克的阿萨德空军基地进行袭击。

近年对空军基地进行打击的数次案例中,驻场飞机、飞机库、掩蔽库、跑道等是机场内被打击的主要目标。对于飞机库,其结构相对简单,特别是临时搭建的简易机库,抗爆性能较弱。在机场中机库通常是相邻搭建,各机库间距离较近,且通常没有其他防护措施,因此,机库属于较易摧毁的设施。

本文计算采用的LS-DYNA程序是一个通用显式非线性动力分析程序,可以求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等接触非线性、冲击荷载非线性和材料非线性问题。该程序成为进行各类爆炸、冲击、侵彻等非线性动力学问题研究的重要手段。基于LS-DYNA,孙奇等[1]进行了巡航导弹打击混凝土桥梁的毁伤特性研究,分析了导弹对桥梁不同部位的接触爆炸和侵彻爆炸的毁伤效果;张志倩等[2]进行了杀爆战斗部联合作用场的毁伤效能研究,对冲击波和破片共同作用下的毁伤机制进行数值仿真;胡玉涛等[3]基于数值计算结果研究了破片战斗部虚拟打击仿真。本文设计了多种工况,对飞机库遭受打击的毁伤效应进行了数值模拟,分析了机库在爆炸冲击波作用下的毁伤特性。

1 飞机库毁伤效应数值计算模型

1.1 有限元模型

飞机库简称机库,其结构形式一般是大跨度单层建筑物,往往由墙壁、棚顶和机库门构成。如图1所示,大部分机库承重体系为钢结构,依靠两边或三边墙面进行支撑,墙面有砖混或凝土材质,也有采用钢结构作为承重柱并覆以塑料作为外表面;顶部采用大跨度钢结构梁或框架,覆以塑料作为棚顶;机库门按机库全高或飞机形状设计,分若干由薄钢板构成的门扇。但有些情况下,机场中会灵活、快速搭建临时的简易机库,用以满足各种任务需求。简易机库一般不需要机库门,只需要搭建承重的钢结构框架,覆以软质塑料或帆布,如图2所示。

图1 大型机库结构

图2 简易机库结构

建立机库模型,长度为40 m,宽度为20 m,高度为10 m,5座机库相连设置,相邻两座机库距离6 m。机库有限元模型包括墙壁、棚顶和钢结构梁柱;机库纵向方向平均分布5根梁,间距5 m;横向方向平均分布9根梁,间距5 m;左右两侧墙壁高5 m,每侧各有9根立柱;前后两端敞开,没有机库大门,如图3所示。

图3 五连机库模型

数值计算采用LS-DYNA有限元程序进行,建立有限元模型,利用ALE和流构耦合算法进行计算[4],有限元模型单位使用cm-g-μs。模型共包括机库墙壁和棚顶、机库钢结构梁和柱、地面、空气四部分,如图3所示,其中，机库墙壁和棚顶采用壳单元,单元厚度为1 cm,钢结构梁和柱采用梁单元,单元直径10 cm,用Lagrange网格进行划分,网格长度为100 cm,如图4所示;空气采用实体单元,用Euler网格进行划分,最小网格尺寸10 cm×10 cm×10 cm,最大网格尺寸为100 cm×100 cm×100 cm。并通过关键字*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID对两种网格进行耦合,如图5所示。

图4 飞机库、地面和空气有限元模型

图5 机库有限元模型

另外,地面采用壳单元,加全约束,视为刚性反射面;空气域各面为无反射边界,机库底部与地面接触的各点加全约束,机库梁、柱与机库棚顶使用固连约束算法进行计算。不划分炸药网格,通过在空气域进行初始化体积的方法,模拟炸药爆炸的过程,初始化的炸药部分材料定为TNT,采用球形,装药密度为1.65 g/cm3,根据不同的当量设置初始化后体积的球形装药半径。

1.2 材料模型

1.2.1 机库棚顶

机库棚顶材质为PVC塑料,使用塑性随动硬化模型(Plastic Kinematic Model)。其中,硬质PVC材料密度为1.42 g/cm3,弹性模量为2.4 GPa,屈服强度为42 MPa,断裂强度为60 MPa;软质PVC材料,密度为1.25 g/cm3,弹性模量为12 MPa,屈服强度为12 MPa,断裂强度为14 MPa。

1.2.2 钢结构梁柱

机库梁、柱为钢材质,密度为7.8 g/cm3,弹性模量为210 GPa,泊松比为0.3。材料模型采用Johnson-Cook本构方程[2-3]和GRUNEISEN状态方程[4],具体方程为

其中,A、B、C、n和m均为材料常数,A=0.24 GPa,B=0.4 GPa,C=1.4 GPa,n=0.36,m=0.75。

1.2.3 空气和炸药

空气采用空白材料NULL本构模型和线性多项式状态方程描述理想气体状态方程,气体绝热指数为1.4,初始密度为1.292×10-3g/cm3。

炸药等效成TNT当量,在数值模拟研究中炸药及爆轰产物的材料模型采用高能燃烧(High Explosive Burn)模型,状态方程采用JWL方程[5],其形式为

式中,A、B、R1、R2和ω为材料参数,p为压力,V为爆轰产物的相对体积,E0为爆轰产物的初始化内能,其参数如表1。

表1 炸药的材料参数

2 数值计算结果及分析

2.1 案例分析

本文以使用弹药的爆炸冲击威力为毁伤元对五连机库进行打击为例,瞄准点为中间第三个机库中心,模型中坐标为(0,0),考虑弹药投射精度的问题,设弹药实际落点偏离瞄准点,落点坐标为(200,500),模型单位为cm。考虑机库的防护性较弱,弹药爆炸点为机库内部,忽略弹药穿透机库棚顶的过程,弹药的爆炸能量等效成TNT球形装药。仿真模拟TNT当量为100 kg、200 kg和500 kg的弹药内部爆炸对五连机库的毁伤效果,等效的球形装药半径分别为24.4 cm、30.7 cm和41.7 cm;分别对硬质PVC和软质PVC材质棚顶的机库进行仿真计算。

2.2 计算结果及分析

2.2.1 整体毁伤效果

硬质PVC材质机库,在不同当量炸药爆炸作用下的毁伤效果如图6所示。1#～5#五连机库遭受打击,弹药命中3#机库,100 kg、200 kg和500 kg当量炸药均可使3#机库几乎完全被毁,毁伤面积在90%以上,仅剩破损的钢结构框架和些许残存棚顶碎片。此外,100 kg当量炸药作用下,2#和4#机库顶部轻微破损,毁伤面积小于10%,近3#机库侧部严重破损,侧面外表几乎全部破碎;200 kg当量炸药作用下,2#机库顶部轻微破损,毁伤面积约10%,4#机库顶部一定程度破损,毁伤面积约为30%;500 kg当量炸药作用下,2#和4#机库顶部和近3#机库侧部均受到中等程度的损坏,毁伤面积在40%以上,且在爆炸波的威力下产生一定倾斜。

图6 不同TNT当量弹药对硬质PVC材质棚顶机库的毁伤效果

软质PVC材质机库,在不同当量炸药爆炸作用下的毁伤效果如图7所示。与硬质PVC材质机库相比,在相同的尺寸和厚度参数下,软质PVC材质机库在100 kg、200 kg和500 kg当量炸药爆炸作用下,3#机库棚顶的毁伤面积分别在40%、85%、90%以上,2#和4#机库棚顶在100 kg当量炸药的作用下几乎未毁伤,在200 kg和500 kg当量炸药的毁伤面积均分别约为20%、30%,较硬质PVC材质机库棚顶的毁伤面积明显较小。

图7 不同TNT当量弹药对软质PVC材质棚顶机库的毁伤效果

2.2.2 局部毁伤效果

按3#机库仿真计算的毁伤结果看,硬质和软质PVC材质机库在100 kg～500 kg弹药命中的情况下,均基本达到摧毁的目的,但对于周围机库的附带毁伤效果却不尽相同。如图8所示，500 kg当量炸药爆炸作用下不同材质的4#机库毁伤效果,硬质PVC材质机库迎爆侧面与棚顶均有较大面积损伤,机库整体结构也发生倾斜,而软质PCV材质机库棚顶损伤明显较小且整体结构未发生倾斜,但背爆侧面出现破碎。从对比结果看,硬质PVC材质机库虽然表面上看起来毁伤程度更加严重,但其背爆侧面未损坏,且一部分爆炸能量用于使整体机构倾斜,说明穿过机库内部用于破坏内部飞机和设施的爆炸能量较小,可能具有更好的防护效果。

图8 500 kg当量炸药爆炸作用下4#机库毁伤效果

2.3 实际案例对比

以2020年1月伊朗袭击美军在伊拉克的Asad空军基地为例[9],公开照片拍摄到的机库毁伤效果和500 kg TNT当量计算结果对比如图9和图10。通过对比,可以看到实际毁伤效果和数值计算结果比较一致,弹药直接命中的机库几乎全部毁伤,仅保留下钢结构框架,钢架上残留部分机库蒙皮,相邻机库受到部分毁伤。

图9 卫星拍照与仿真计算整体毁伤结果对比

图10 真实照片与仿真计算局部毁伤结果对比

3 结束语

本文对飞机机库打击毁伤效果进行了数值计算研究,对比分析了不同当量、不同机库材质下机库的毁伤结果,并与实例进行对比,得到结论如下。

1)对于100 kg～500 kg TNT当量炸药直接命中的条件下,均可对长度为40 m,宽度为20 m,高度为10 m,材质为硬质或软质PVC的机库造成有效毁伤,并对相邻5 m的机库造成部分毁伤。

2)相同当量和炸点等爆炸条件下,硬质PVC材质机库相较于软质PVC材质机库,表面上看,棚顶的毁伤面积更大,但爆炸能量更多的作用于使机库整体机构倾斜,用于破坏内部飞机和设施的爆炸能量较小,可能具有更好的防护效果。

3)对机库进行毁伤评估,棚顶毁伤面积不是唯一的评估标准,需要综合考量炸点位置、机库大小和材质,还需要考虑背爆面是否有破坏以分析机库内部飞机和设施是否受到毁伤。