典型战斗部水下爆炸侵彻仿真

工程爆破ENGINEERING BLASTING
文章编号：1006 — 7051(2016)04 — 0039 — 04
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、杨力2,李超、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)
摘要：为了研究典型战斗部水下侵彻情况，采用ANSYS-LS/DYNA 3D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：25 ^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;500 _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/DYNA 3D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。

关键词：水下爆炸；侵彻仿真；数值模拟；装药结构；冲击波
中图分类号：TD265. 3+3 文献标识码：A doi：10. 3969/j. issn. 1006-7051. 2016. 04. 008
Penetration underwater explosion by typical warhead simulation
L I Hui-ming1,2, CHEN Zhi-gang2, ZHAO Dong-hua1, YANG Li2, L I Chao1, ZHAO Chang-xiao1
(1. Wuhan Ordnance N. C. O. School, Wuhan 430075, China；
2. School of Mechanical and Engineering, North University of China，Taiyuan 030051，China)
ABSTRACT：To investigate the typical warhead penetration underwater, the numerical simulation of explosion of cylindrical charge and half spherical cavity charge in water by finite element software ANSYS-LS/DYNA 3D was studied,and the changes of shock wave pressure and bubble diameter were analyzed. The result indicated that shock wave pressure produced by half spherical cavity charge was more than three times as large as cylindrical charge at 25 jus, but the influence of different charges decreased by distance increasing. Bubble diameter produced by half spherical cavity charge was 1. 5times of cylindrical charge at 500 fj.s.Warhead explosion forming and water penetration of half spherical charge and conical charge were also simulated by ANSYS-LS/DYNA 3D. The result indicated that jet shape formed by half spherical charge was better, velocity drop of pene­tration layer was smaller, which was more suited in penetration underwater.
KEY WORDS：Underwater explosion；Penetration simulation；Numerical simulation；Charge structure；Shock wave
1引言
我国拥有长达1.8万多k m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m，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，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
收稿日期：2016 — 01 —17
基金项目：军队青年基金项目
作者筒介：李惠明（1985 —)，男，硕士，主要研究弹箭远程与高效毁伤技术。

E-mail: huimingll59@
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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，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A L E算法w。

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-^s。

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. 1Scheme 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 JW L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-A rm strong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7K。

表1主装药的基本材料参数
Table 1Basic material parameters of main charge
密度/
(g •cm_3)
爆速/
E〇/GPa P C J/GPa
(m •s1)
Ri R z C O
1. 899110 8.5 39.24. 21.00. 3
表2紫铜材料的基本材料参数
Table 2 Basic material parameters of red copper
密度/(g •cm3)G/GPa ffy/GPa Si s27o a
8. 947. 7 0. 12 1. 4890. 62. 020. 47
表3水介质性能参数和Gruneisen状态方程参数
Table 3 Basic material parameters of water medium
密度/(g •crrf3)声速/( m •s-1) Si s2s37o
1.01 480
2.86 --1. 890. 250. 50
使用空白材料和EOS_LINEAR_POLYNOMI-A L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
Table 4 Basic material parameters of air
密度/( g •cm3)C〇c4c5E〇/GPa
1. 29X10-30. 341. 40. 4
2. 5X10-4
采用高强度招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
Table 5Basic material parameters of shell
密度/( g* c m3)E/G Pa6〇/GPa£f
2. 7750. 2841. 850.8
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、半球形空穴两种装药在25，45，65，105，165 水域中的冲击波传播情况模拟结果 如图2和图3所示。

通过后处理软件分析:在25 p s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 16 GPa，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，更有利于提局局部破坏能力。

在水介质1〇 cm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，50 p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300 p s后速度趋向一致。

李惠明等:典型战斗部水下爆炸侵彻仿真
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图5
质点B 处冲击波压强曲线
Fig, 5 Curve graph of shock wave pressure in point B
,一
100 jus
100 |us
500 |U S (a )圆柱形装药
Cylindrical charge
500 |U S
(b )半球形空穴装药 Half spherical cavity charge
图6不同时刻水域中气泡分布
Fig. 6 Bubble distribution in water at different time
水介质
(a )圆锥形裝药 Conical charge
(b )半球形装药 Half spherical charge
图7
两种战斗部结构Fig. 7 Structures of two kinds of warhead
图8反映了圆锥形装药战斗部在20,40,60 j u s 爆炸的成型情况，在90,250,450 jus侵彻水介质的 结果。

图9反映了半球形装药战斗部爆炸成型和侵彻结果。

通过后处理软件分析两种战斗部成型以后侵彻 7JC介质的情况，如表6所示。

105 |us 165 |us
图2圆柱形装药冲击波传播情况
Fig. 2 Shock wave propagation of cylindrical charge
25 |us
45 jus
65 jus
’ 丨（夏> 岭
105 |us
165 |us
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
时间尔s
时间尔8
(a )圆柱形装药 （b )半球形空穴装药Cylindrical charge
Half spherical cavity charge
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50 c m 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&43，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。

两种装药在第一次气泡脉动内腔变化情况如图 6所示9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 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。

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，A L E 算法处理。

42工程爆破
ENGINEERING BLASTING
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
20 jus
40 |us
60 |us
90 |us 250 jus 450 |us
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 watef by hemisphere charge
表6
两种战斗部在水介质中侵彻情况
Table 6 Penetration in water by two kinds of charge
战斗部
人水速度/
出水速度/
速度降/(m • s —工）
(m • s —工）
《一倍1 1径)
N 锥形装药
4： 6361 369407
半球形装药
3 648
1 853
252
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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