水下爆炸作用下典型鱼雷结构的毁伤特性

第41卷增刊2 2020年6月兵工学报
ACTA ARMAMENTARII
Vol.41Suppl.2
Jun.2020
水下爆炸作用下典型鱼雷结构的毁伤特性
高浩鹏1,田恒斗1,程素秋1,陈彬彬2
(1.91439部队，辽宁大连116041； 2.哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨150001)
摘要：在分析反鱼雷硬杀伤武器水下爆炸作用下鱼雷自身毁伤机理的基础上，建立反鱼雷硬杀伤武器的水下爆炸载荷计算模型及鱼雷结构毁伤计算模型。

在使用声-固耦合技术实现水下爆炸冲击波作用于鱼雷壳体条件下，提出典型双面背水片状结构通过分布载荷实现耦合加载的方法，以解决鱼雷壳体与螺旋桨、舵等典型结构在水下爆炸作用下的耦合计算问题。

结果表明：雷体上的典型片状构件更易于雷体本体毁伤;该方法可用于水下爆炸作用下鱼雷典型结构的毁伤特性分析以及鱼雷内部的冲击环境预报，为鱼雷易损性分析及模型的建立、毁伤等级的确定奠定基础。

关键词：鱼雷；水下爆炸；声-固耦合；冲击波；毁伤
中图分类号：O383+.1文献标志码：A文章编号：1000-1093(2020)S2-0044-06 DOI：10.3969/j.issn.1000-1093.2020.S2.005
Damage Characteristics of Typical Structure of Torpedo
Subjected to Underwater Explosion
GAO Haopeng1,TIAN Hengdou1,CHENG Suqiu1,CHEN Binbin2
(1.Unit91439of PLA,Dalian116041,Liaoning,China；
2.School of Shipbuilding Engineering,Harbin Engineering University,Harbin150001,Heilongjiang,China)
Abstract:On the basis of analyzing the damage mechanism of torpedo subjected to underwater explosion of anti-torpedo weapon,the damage calculation models of torpedo structure and the underwater explosion load calculation models of anti-torpedo weapon are established.A coupling loading method,in which the acoustical-structure interaction on torpedo shell and the distributed force addition on typical structure of two sides with water are considered,is proposed to solve the coupling calculation problems.The results show that the typical flaky structure is damaged more easily than torpedo shell.The proposed method can be used for analyzing the damage characteristics of propeller and rudder and predicting the shock environment inside torpedo under underwater explosion.
Keywords:torpedo;underwater explosion；acoustical-structure coupling；blast wave;damage
0引言
鱼雷作为一种典型水中兵器，可从水面舰艇、潜艇、飞机等平台发射，通过水下爆炸产生的冲击波、气泡脉动、气泡射流、金属射流等单一或耦合载荷毁伤敌水中作战平台，在历次海战中都发挥了举足轻重的作用。

目前用于对抗鱼雷的方法主要包括软杀伤和硬杀伤两个方面[1]o其中：软杀伤主要通过使
收稿日期：2020-03-05
基金项目：国家自然科学基金项目(11602069)
作者简介：高浩鹏(1986—),男，工程师，博士。

E-mail:gaohaopeng@
增刊2水下爆炸作用下典型鱼雷结构的毁伤特性45
用诱饵、干扰器、气幕弹等I3】使得来袭鱼雷丢失真实目标，造成鱼雷攻击失效；硬杀伤主要使用爆破型战斗部水下爆炸产生的载荷拦截、摧毁来袭鱼雷，或让来袭鱼雷失去战斗力⑷。

随着鱼雷智能化日新月异⑸以及水下战环境的复杂度提高,硬杀伤鱼雷武器愈加受到重视。

在硬杀伤反鱼雷武器水中爆炸作用下,鱼雷的毁伤形式多种多样。

目前研究大多集中在鱼雷主壳体毁伤⑹、鱼雷段间连接结构失效⑺、鱼雷内部电子设备安装基础的冲击环境超过阈值导致电子器件失效⑻等。

本文在分析硬杀伤反鱼雷武器水中爆炸载荷作用于鱼雷外部结构过程的基础上，重点分析鱼雷与水直接接触的片状机械结构毁伤特性，选取鳍作为典型结构进行毁伤特性研究。

1鱼雷毁伤机理分析
硬杀伤战斗部水下爆炸过程中，冲击波载荷在极短的时间加载到鱼雷结构表面，导致鱼雷主壳体、鱼雷段间连接结构、鱼雷与水接触的鳍等机械结构产生塑性应变直至断裂而导致结构失效，或者使得鱼雷内部电子设备安装基础的冲击环境超过阈值导致电子元件失效。

随后在一定工况条件下,鱼雷进入硬杀伤武器爆炸产生的气泡中，可能使得鱼雷螺旋桨失速或改变鱼雷航向。

通常,这种硬杀伤反鱼雷武器距离其发射平台数百米至几千米，并且以一定阵列方式布置⑼。

与水下爆炸作用下水面舰艇毁伤相比，鱼雷被毁伤的效果更加明显。

主要是因为:鱼雷结构或功能损伤均会造成鱼雷攻击目标失效；鱼雷受损后无法进行二次修复；硬杀伤反鱼雷武器以阵列方式布置，拦截鱼雷概率大，且鱼雷很可能遭遇多个武器攻击。

2冲击波载荷特性研究
硬杀伤反鱼雷武器水下爆炸时一般会产生冲击波和气泡脉动载荷。

对于鱼雷，只有在特定工况下气泡脉动才会作用于鱼雷，而鱼雷与舰船相比尺寸小、刚度大、低阶固有频率较高，因此气泡脉动对鱼雷结构毁伤微小。

故本文重点针对硬杀伤反鱼雷武器水下爆炸时冲击波载荷特性进行研究。

下面主要通过任意拉格朗日-欧拉（ALE）算法和经验公式,对比分析冲击波载荷特性。

具体工况为：硬杀伤反鱼雷武器爆炸位置水深10m；装药量为40kg的三硝基甲苯（TNT）；鱼雷位置水深分别为30m和16m,即深度方向距爆炸位置分别为20m（工况1）和6m（工况2）。

2.1ALE算法
ALE的有限元算法基本思想是:计算网格不再固定,也不依附于流体质点,而是可以相对于坐标系作任意运动,即克服了拉格朗日描述和欧拉描述各自的缺点［⑹。

分别对硬杀伤反鱼雷武器战斗部以及水域进行有限元建模，考虑到对称性，仅建立1/4模型。

水域共划分391680个六面体单元；战斗部炸药的一种爆轰产物状态方程（JWL）参数如表1所示，其中A e、B e、R1、R2、棕为JWL状态方程的拟合参数，一般由圆筒实验确定。

表1炸药JWL方程参数
Tab.1Parameter values of JWL equation of state
A©/GPa B e/GPa R1R2棕
381.2382.2 4.150.90.15
计算时起爆时间为0.027s,不同时刻冲击波压力云图如图1所示。

20m和6m处冲击波压力峰值分别为6.95MPa和24.94MPa.
(a)£=0.030s(b)£=0.033s(c)£=0.036s(d)£=0.039s
图1炸药爆炸过程冲击波压力云图
Fig.1Load transfer nephogram of explosion process
2.2经验算法
按照经验公式［山，计算得到冲击波时域载荷曲线如图2所示,20m和6m爆距处峰值压力分别为7.11MPa和27.72MPa.
对比ALE算法和经验算法可以发现:ALE算法峰值压力小于通过经验公式计算结果,20m处峰值压力小2.3%、6m处峰值压力小10.0%.其主要原因是由于计算网格密度、网格质量等因素导致计算过程中冲击波衰减以及经验公式在中远场的适用性更好，
即小当量战斗部爆炸通过经验公式计算的中
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兵工学报第41卷
图2基于经验公式的载荷曲线
Fig.2Load calculated by empirical formula
远场处冲击波载荷更加准确。

3毁伤模型的建立
模型的正确性直接决定仿真计算结果的正确性。

在硬杀伤反鱼雷武器水下爆炸载荷特性研究的基础上，本文基于声-固耦合［12］法建立了硬杀伤反鱼雷武器水下爆炸对鱼雷的毁伤模型。

3.1有限元仿真建模
有限元仿真建模主要涉及鱼雷有限元建模、水域有限元建模、材料本构及失效模型、爆炸载荷添加、边界条件添加等方面。

鱼雷尺寸虽小,但结构较为复杂,几何建模时需要进行一定程度的合理简化,如小的倒角以及一些本文不关心的约束关系,在几何实体模型建立的基础上对鱼雷进行有限元建模。

有限元建模时主要用到壳单元和梁单元,壳单元主要用于模拟鱼雷壳体、内隔板、舵、鳍、螺旋桨等,梁单元主要用于拟模鱼雷壳体环状加强筋;有限元网格划分时既要注意网格单元的精度,也要控制网格的数量规模,以提高效费比。

本文所建模型中耦合面单元尺寸为0.05m、鱼雷单元总数为113987个、流场单元总数为1319329个，图3给出了鱼雷有限元模型图片。

图3鱼雷有限元模型
Fig.3Finite element model of torpedo
鱼雷周围流场的大小以及如何划分流场网格直接影响到水下爆炸数值模拟，因此必须确定合适的流场大小并合理划分流场的网格。

本文取流场半径为结构半径的6倍，建立鱼雷周围流场的有限元模型,最终形成鱼雷与其周围流场的三维有限元模型,如图4所示。

图4鱼雷及其周围流场有限元模型半剖图
Fig.4Semi-sectional finite element model of
torpedo and flow field
鱼雷壳体材料为铝合金，选取软件自带的Johnson-Cook本构模型及损伤失效模型。

本构模型的相关参数如表2所示，其中:A、B、n为与静态屈服阶段相关的参数;C为与应变率相关的参数;m为与温度相关的参数。

失效模型的相关参数如表3所示，其中D］〜D5为断裂参量。

冲击波载荷时域曲线通过经验公式进行计算,使用散波公式［13］的关键字进行添加。

表2铝合金Johnson-Cook本构模型相关参数
Tab.2Parameter values of Johnson-Cook constitutive
model for aluminium alloy
A B C n m
2454620.00830.73 1.7
表3铝合金失效应变参数
Tab.3Failure strain parameter values of aluminium alloy D1D2D3D4D5
0.120.13 1.5-0.01750
边界条件主要为:流体和鱼雷结构的全耦合边界条件以及流体截断面的边界条件。

冲击波加载问题是声-固耦合计算的关键，通过tie约束连接流体和鱼雷结构耦合面,主要基于动量守恒原理及压力场传递方法。

由于硬杀伤反鱼雷武器装药当量较小
增刊2水下爆炸作用下典型鱼雷结构的毁伤特性47
且入水较深，包裹鱼雷的整个水域外表面均添加无反射边界条件，主要包括流体两端的球形无反射边界条件和中间的柱形无反射边界条件。

工况设置与载荷特性研究中相同。

3.2典型片状结构边界条件分析与添加
在ALE算法中，可较易解决典型片状结构双面背水的边界条件添加，但水下爆炸中远场计算载荷衰减较大且对于复杂结构计算鲁棒性稍差，故本文选取声-固耦合算法进行求解。

声-固耦合算法中，鱼雷壳体与水域的耦合面是一个关键点,而对于鳍等通过面单元建立的机械结构,整个面单元全浸入水域中，导致耦合面添加难度较大。

针对这个问题,本文在分析冲击波载荷作用于结构表面的入射波、反射波、透射波基础上,提出通过矢量载荷添加的方式进行边界条件设置。

一般地，对于固定壁面，作用在其上的载荷为入射波和反射波的叠加,即大小约为2倍冲击波载荷。

而鳍在流场中属于双面背水的板，冲击波作用在板上，一部分发生透射,另一部分发生反射。

对于无限大刚性平板在水下冲击波下的背侧透射压力，可表示为(1)式〔⑷：
|"(e-"(旳-e-"兹),S屹1；
以t)=I s-1(1)
Pmax伊-兹伊。

一"兹,S=
1；
、S=M/(2pc&).
式中:Pr(t)为板背侧的透射压力；卩max为冲击波峰值压力;S为影响系数；兹为冲击波的衰减时间常数; M为壳的单位面积质量;p为水的密度；c为水中的声速;t为时间。

根据鳍的厚度，选取冲击波透波率为0.81[15],则实际作用在板上的冲击波载荷为0.38倍入射波载荷。

该时程载荷通过在鳍上加单面压强作为载荷。

需要注意的是，炸点位置与各个鳍间载荷作用点的距离不完全相同，但考虑到鳍的尺寸较小,冲击波到达作用面的距离差异不大，本文进行了近似处理，即将鳍中心点处的冲击波时域载荷作为入射波载荷，载荷的方向沿球面波的法向。

4结果分析
两种工况下鳍的最大应力云图如图5所示。

其中：工况1在t=0.032s时出现应力最大值297.3MPa，如图5(a)所示；工况2在t=0.036s时出现应力最大值392.7MPa,如图5(b)所示。

两种 工况下应力最大值均出现在迎爆面积最大的鳍与雷体的交汇处。

应力/Pa
2.973x10s
2.727xl08
2.482x10s
2.237x10s
1.991x10s
1.746x10s
1.500x10s
-1.255x10s
1.010x10s
-7.642X107
5.188X107
2.734X107
2.802x10s
应力最大值点
(a)工况1
(a)Operating condition1
应力/Pa
3.927x10s
3.608x10s
3.281x10s
2.958x10s
.2.634x10s
-2.311x10s
-■ 1.988x10s
-1.665X108
-1.342x10s
1.019x10s
6.957X107
3.726X107
4.947x10s
(b)工况2
(b)Operating condition 2
图5不同工况下鳍的最大应力云图
Fig.5Stress nephograms of fin under different
operating conditions
两种工况下鳍的最大等效塑性应变曲线如图6所示。

其中：工况1最大等效塑性应变曲线如图6(a)所示，最大值为0.04881；工况2最大等效塑性应变曲线如图6(b)所示，最大值为0.19147.两种工况下等效塑性应变最大值同样出现在迎爆面积最大的鳍与雷体的交汇处;对于铝合金，取其失效应变为0.24,峰值压力约7MPa时出现轻微塑性应变、峰值压力约27MPa时出现明显塑性应变，但也未出现破损。

工况1下,雷体及鳍的应力云图随时间变化过程如图7所示,环肋结构最大应力云图如图8所示,可见最大应力点位于雷体约后1/4段处。

分析两种工况下的结果数据可以发现:迎爆面的等效塑性应变大于背爆面;随着爆距的增加,鱼雷结构的等效塑性应变呈下降趋势;等效塑性应变最大处集中在尾部后段以及鳍与雷体交汇处，而首部和中部的等效塑性应变数值相对较小且较为均匀,主要原因是尾部结构过渡产生应力集中，且迎爆面较大的鳍与雷体产生一个类似悬臂梁的结构;环肋结构的应力最大值略大于雷体壳体的应力最大值
,
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兵工学报
第 41 卷
图6鳍的最大等效塑性应变曲线
Fig. 6 Maximun equivalent plastic strain of fin
(a) t=0.002 s
(b) £=0.004 s
(c) t=0.006 s (d) £=0.008 s
图7雷体及鳍的应力云图随时间变化过程图
Fig. 7 Dynamic processes of stresses of
torpedo shell and fin
多个截面点的 Mises 应力/Pa
2.521x10s 2.311x10s -2.102x10s L
-1.893x10s -1.684x10s -1.475xl08 -1.266xl08 I 1.057x10s I-8.482x107 -6.392X107 L 4.301X107■ 2.21 lxlO 7■ 1.205x10s
图8环肋结构最大应力云图Fig. 8 Stress nephogram of torpedo
ring-stiffened structure
最大值位于后段约1/4处，主要原因是后段结构过 渡较快且鱼雷段之间的质量分布不均；环肋增加了
雷体的结构强度,雷体上的附属机械构件易于雷体
本体毁伤。

5结论
本文论述了反鱼雷硬杀伤武器对鱼雷毁伤特性
的研究现状，分析了水下爆炸作用下鱼雷自身毁伤
的机理。

通过理论分析及仿真计算等手段,建立反
鱼雷硬杀伤武器的水下爆炸载荷计算模型及鱼雷毁
伤模型，提出鱼雷壳体通过声-固耦合加载且典型
片状壳体附属机械结构通过时域分布载荷加载的方
法，解决了鱼雷壳体与片状壳体附属机械结构在水
下爆炸作用下耦合计算的难题。

本文方法的特点是
避免了 ALE 算法在中远场计算中载荷的衰减，使用
声-固耦合算法提高了计算效率，可同时耦合分析
水下爆炸作用下鱼雷壳体及附属机械构件的毁伤特 性。

得出主要结论如下：
1) 鱼雷雷体上的环肋增加了结构强度，同时雷
体上的典型片状机械构件更易于雷体本体毁伤。

2) 本文方法可应用于鱼雷螺旋桨、舵等典型结
构在水下爆炸作用下的毁伤特性计算，可以预见这
些典型结构的功能毁伤易于结构毁伤。

3) 本文所建模型可分析鱼雷在水下爆炸作用
下内部的冲击环境，为反鱼雷硬杀伤武器的毁伤效
能评估奠定基础。

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