柱形装药水下爆炸近场冲击波数值仿真

黄 洪,卢 熹,王 健

柱形装药水下爆炸近场冲击波数值仿真

黄 洪,卢 熹,王 健

(沈阳理工大学 装备工程学院,辽宁 沈阳,110159)

柱形装药作为水下爆炸的常用装药结构,目前其研究多集中于水下爆炸远场,近场冲击波研究较少。为了得到柱形装药水下爆炸前向近场冲击波威力相关参数,文中建立了以柱形装药前端圆柱面垂直方向距离为,水平方向距离为的近场冲击波威力场。首先利用AUTODYN仿真软件对等装药量TNT球型装药和长径比范围为1.1～2的柱形装药水下爆炸过程进行了仿真,分析了柱形装药水下爆炸近场冲击波衰减规律。通过结合Cole经验公式,优化柱形装药仿真值,采用Logistic函数拟合得到柱形装药前向近场冲击波压力峰值经验公式,计算得到压力峰值平均误差约为5%,验证了该经验公式的准确性。研究结果可为柱形装药水下爆炸近场威力参数计算提供参考。

水下爆炸; 柱形装药; 数值仿真; 冲击波

0 引言

装药结构水下爆炸冲击波是深水炸弹和鱼雷等反潜武器对目标的主要毁伤方式之一,其常用的装药结构有球型和柱形2种。球型装药结构因结构简单、中心对称等特点,研究成果较为成熟。Stemberg[1]和Hammond[2]研究了柱形装药水下爆炸冲击波压力峰值受不同长径比影响,得出在爆炸远场,柱形装药爆炸可等效于等药量球型装药。有学者利用数值仿真技术研究了不同条件下,水下爆炸冲击波传播衰减规律[3-6]。蒋国岩等[7]分析了水下爆炸国内外研究现状,讨论了未来水下爆炸的研究方向。徐豫新等[8]利用AUTODYN软件仿真球型装药水下爆炸冲击波传播和气泡脉动影响因素,得到在边界条件设置合理的条件下,一维、二维计算都可精确描述水下爆炸威力场。周睿等[9]研究了条形药包在不同起爆部分爆炸产生冲击波的衰减特性,修正得到条形药包水下爆炸的Cole公式。张鹏翔等[10]探讨了浅层水中爆炸直达波压力峰值的计算方法,修正了Cole爆炸压力经验公式。张弛宇等[11]研究了柱形装药与球型装药远场等效关系,得到了在爆炸远场柱形装药爆炸近似计算公式。王奕鑫等[12]通过理论分析和浅水试验研究,得到在近场条件下,柱形药包压力峰值需对经验公式乘以0.65～0.97之间的修正系数,远场可利用Cole经验公式近似。

以上对柱形装药水下爆炸冲击波研究多利用Cole经验公式修正的方法[13],所得拟合公式在冲击波近场误差较大,公式也较为复杂。文中利用AUTODYN仿真软件仿真了不同长径比柱形装药水下爆炸过程,重点研究了近场冲击波传播规律,结合Cole经验公式,考虑位置参数、长径比,拟合得到压力峰值经验计算公式。该经验公式计算得到的近场冲击波压力峰值精确度较高,平均误差为5%,且适用不同长径比柱形装药结构,公式适用范围广,可为柱形装药水下爆炸近场威力参数计算提供依据。

1 数值模型

1.1 模型建立

因球型、柱形装药均为轴对称结构,采用二维仿真模型能极大减少仿真运算时间,利用AU- TODYN 18.0仿真软件建立二维轴对称CIRCLE计算模型。模型水域尺寸为水平方向3 m,竖直方向1.5 m,计算网格大小,方向均为2 mm,网格总数为1127251个,网格为欧拉网格。水域边界条件设置为flow-out边界条件,流体粘性参数取软件默认参数。水域模型材料采用POLY- NOMIAL状态方程,参数设置为软件默认参数,取水下50 m处比内能值为536.875 J/kg,由式(1)计算给出。炸药材料选用常规炸药TNT,参数设置取软件默认参数,密度取1.63 g/cm3。

球型装药结构装药半径42 mm,装药量约500 g,装药球心位于底端中部,起爆方式选用球心点起爆,如图1所示。柱形装药结构除长径比不同,其他基本一致,柱形装药质心位于底端中部,起爆方式为质心点起爆,如图2所示。

图1 球型装药仿真模型

图2 柱形装药仿真模型

1.2 工况参数设置

为保持柱形装药与球型装药模型的可对比性,柱形装药应与球型装药采用等药量原则,装药结构采用柱形结构,仿真工况具体参数如表1所示。

为有效采集前向冲击波压力峰值参数,对仿真水域放置采集数据观察点,根据建立威力场大小和后续数据分析,采用等距放置观察点原则,在水平方向0.3～1.0 m,每隔0.1 m放置1个;竖直方向0～1 m,每隔0.05 m放置1个,共计放置160个观察点,具体观察点放置如图3所示,各个工况观察点放置一致。

表1 柱形装药工况

图3 观察点放置

2 仿真结果与分析

2.1 仿真模型验证

球型装药中心起爆,爆炸冲击波向装药四周传播,因球型装药中心对称,冲击波压力分布均匀呈球形,冲击波压力由球型装药中心向外增大,冲击波边缘压力最大,当仿真时间到达0.1 ms时,冲击波边缘压力峰值为2.811×102MPa。随冲击波向四周传播,冲击波边缘压力峰值快速衰减,如图4所示,当仿真时间到达0.8 ms时,冲击波边缘压力峰值仅为0.1 ms时的8%,仿真压力峰值衰减规律与Cole经验公式计算值基本一致,但压力峰值整体偏大。

以柱形装药工况4为例,因柱形装药结构为轴对称,装药空间分布不均导致冲击波各方向传播速度不同,冲击波压力分布呈椭圆状。如图5所示,当仿真时间达0.8 ms时,柱形装药冲击波压力分布与球型装药基本一致,符合爆炸远场可近似等效于球型装药的规律。结合仿真结果和Cole经验公式,证明仿真模型能够模拟球型和柱形装药水下爆炸过程。

图4 球形装药冲击波压力分布

图5 柱形装药冲击波压力分布

2.2 前向威力场建立原则

利用Cole经验公式求取压力峰值

Cole经验公式基本总结了球型装药结构水下爆炸相关参数值计算,与实际情况拟合较好。球型装药结构如不考虑界面放射等影响,各个方向冲击波参数基本一致,可用起爆距离和装药质量完成参数拟合。柱形装药为轴对称,各个方向冲击波参数差异较大,球形装药参数拟合方法不适用于柱形装药。为对柱形装药水下爆炸冲击波压力峰值参数进行拟合,在爆炸冲击波主要作用前端面方向设立威力场,设装药前向威力场某点为(,),为该点水平轴向到装药质心的距离,为竖直方向到装药质心的距离,以此描述前向威力场的不同位置。

近场冲击波威力场划分区域首先应保证仿真值与经验公式值具有可比性,考虑Cole经验公式适用参数范围为球型装药直径与爆炸距离比值应大于6; 实际柱形装药水下爆炸冲击波对目标载荷的主要作用区域也为圆端面前向。结合仿真模型装药量为500 g,设置仿真模型威力场大小为柱形装药前端面水平方向0.3～1m,7～24倍等药量球型装药半径,竖直方向距离0～1m,0～24倍等药量球型装药半径。

截取部分仿真数据和Cole经验公式计算值如图6所示,软件仿真球型装药压力峰值衰减规律与Cole经验公式值相同。仿真值与Cole经验值存在误差,仿真值大于Cole经验值,随,值增大,误差减小,直到相等。对比仿真值与Cole经验值,得到不同位置的衰减率,修正柱形装药仿真参数,以减少仿真软件计算过程中存在的误差,提高仿真值精确度。

图6 仿真值与经验值对比曲线

以柱形装药工况3为例,如图7所示,修正后柱形装药压力峰值小于球型装药,随着,值的增大,2种装药结构压力峰值差值逐渐减小,最终基本相等。修正处理其他长径比工况,所得规律与图7基本一致。

图7 柱形装药参数处理对比

2.3 柱形装药近场冲击波衰减规律

以工况3为例,修正后柱形装药威力场范围各位置处压力峰值与Cole经验公式计算值对比,如图8所示。在相同条件下,随着增大,仿真值与Cole经验值压力峰值比值逐渐增大,在威力场边界,柱形装药压力峰值基本等于Cole经验值。参数值主要影响压力峰值比值起始值,值越大,起始值越小,比值增长更平滑。其他不同工况与工况3规律基本一致,主要区别在压力峰值比值初始值不同。

图8 位置-压力峰值比值

分别取不同长径比柱形装药工况在=0.7 m处,随变化的压力峰值比值,如图9所示。柱形装药在长径比范围1.1～2内,相等,长径比增大,压力峰值比值减小。压力峰值比值增长速率基本一致,受长径比影响较小。不同处与=0.7 m处规律基本一致。

图9 长径比-压力峰值比值

3 柱形装药近场压力峰值公式拟合

将威力场参数,代换入式(2),并结合所求近场威力场范围得

分析柱形装药与球型装药结构近场冲击波压力峰值衰减规律,柱形装药压力峰值主要受到、和长径比参数影响。利用Logistic函数拟合,得到柱形装药近场压力峰值计算经验公式

式中,1,2,和0为拟合参数。

以工况5为例,Logistic函数参数设置如表2所示。

依据拟合值得1,2,0,与的关系如下

结合工况1～5所有仿真数据,修正Logistic函数中的1参数,得

表2 位置参数拟合

式中,为长径比。

将式(6)～(9)代入式(4),得

将式(10)代入式(3),得到柱形装药水下爆炸近场冲击波压力峰值计算公式

将工况1～5参数值代入式(11),与仿真值对比得到误差系数如表3所示。在不同长径比条件下,压力峰值计算公式最大误差约为10%,平均误差约为5%,误差较小,精度较高,计算可得柱形装药近场冲击波压力峰值。,和值越大,误差率越小,精确度越高。

表3 仿真误差统计

4 结论

文中利用Cole经验公式,结合有限元软件仿真技术,证明了AUTODYN仿真软件能够有效模拟球型、柱形装药水下爆炸冲击波传播过程。通过对比球型装药Cole经验值和仿真值,修正了柱形装药在计算中考虑参数不足存在的误差。讨论了等药量条件下,柱形装药结构水下爆炸冲击波前向近场范围冲击波传播规律和压力峰值计算经验公式,得出以下结论。

1) 利用建立威力场,和柱形装药长径比等参数,结合Cole经验公式得到柱形装药压力峰值拟合经验公式,对不同长径比柱形装药结构,计算值平均误差率为5%,误差率较小,拟合效果较好。

2) 相比于球型装药,等药量柱形装药前向近场冲击波压力峰值随位置变化衰减规律基本一致,但因柱形装药的轴对称结构,冲击波整体压力峰值更小。柱形装药爆炸距离超过24倍等药量球型装药半径时,近似球型装药。

3) 等药量条件下,长径比对柱形装药前向近场冲击波压力峰值衰减影响较大,长径比越大,冲击波整体压力峰值越小。

文中所得的柱形装药水下爆炸近场冲击波压力峰值计算公式对TNT炸药拟合效果较好,后续将进一步开展试验研究,讨论其对非TNT炸药结构的适用性。

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Near Field Shock Wave Numerical Simulation of Cylindrical Charge Underwater Explosion

,,

(Department of Equipment Engineering,Shenyang Ligong University ,Shenyang 110159,China)

Cylindrical charge,which is a common charge structure for an underwater explosion,is mainly used in far-field underwater explosions. However,there is little research on the near-field shock wave. In order to obtain the parameters related to the forward near-field shock wave power of conventional cylindrical charge underwater explosion,the near-field shock wave power field with the vertical distance of the front-end cylindrical chargeand horizontal distanceis established. In this paper,the underwater explosion process of TNT spherical charge based on equal charge and cylindrical charge,whose ratio of length to diameter ranges from 1.1～2,is simulated using the AUTODYN simulation software. The near-field shock wave attenuation law of cylindrical charge underwater explosion is analyzed. By combining the Cole empirical formula,the simulation value of the cylindrical charge is optimized,and an empirical formula for the forward near-field shock wave pressure peak of cylindrical charge is obtained through logistic regression. The average error of pressure peak is approximately 5%,validating the accuracy of this formula. The research results can be used for the calculation of the near field power assuming a cylindrical charge underwater explosion.

underwater explosion; cylindrical charge; numerical simulation; shock wave

TJ630; TJ410.1

A

2096-3920(2021)04-0471-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.04.015

黄洪,卢熹,王健. 柱形装药水下爆炸近场冲击波数值仿真[J]. 水下无人系统学报,2021,29(4): 471-476.

2020-09-04;

2020-10-10.

黄 洪(1995-),男,硕士,主要研究方向为水下爆炸.

(责任编辑: 杨力军)