舰船目标在水下爆炸作用下毁伤效应研究∗

赵红光

（91439部队 大连 116041）

舰船目标在水下爆炸作用下毁伤效应研究∗

赵红光

（91439部队 大连 116041）

采用数值计算以及理论分析方法对水下爆炸作用下目标的毁伤效果进行计算分析。首先结合试验数据验证了数值计算方法的正确性，然后选择计算目标对其在不同工况下的毁伤情况进行计算，同时采用理论分析方法对数值计算结果与实船计算结果分析比对，结果表明在近场爆炸作用下，只考虑毁伤的情况下可用舱段代替目标舰船。

爆炸；数值；计算毁伤；目标

1 引言

由于实船水下爆炸试验耗费大，实施困难，对环境也会造成不利影响，无法通过大规模的试验获得数据。而随着计算机硬件和计算方法的不断发展进步，水下爆炸数值研究得到了各国学术界的高度重视，已成为研究水下爆炸现象及机理的一项重要手段［1～7］。

而集群系统作为一种高性能计算平台，其最高可对1000万网格的水下爆炸仿真模型进行仿真计算，其采用的并行计算技术和搭载的128核计算软件能实现对水下爆炸作用机理的更精确模拟和快速计算。

2 仿真计算方法

ABAQUS采用声固耦合法进行水下爆炸仿真计算。将流体定义为声学介质，冲击波在声学介质中传播。对于同时涉及固体和声学单元的问题，存在两种声学压力场的计算公式，即总波公式和散射波公式。当入射波载荷施加时。总波公式相比散射波公式更接近于结构载荷。当声学介质由于流体的空化是非线性或考虑空化效应的影响时，必须使用总波公式［8］。

假定流体为可压缩、绝热且运动为小位移［9］，有速度相关动量损失的流体动量方程可表示为

其中，p为流体动压力（超过静压力的部分）；x为流体质点的空间位置坐标；v̇f和 v̈f为流体质点速度和加速度；Df为流体密度；α为单位体积单位速度的力；Ki为相关的场变量（如温度、湿度或盐度等）。

再假定流体为无粘性、线性可压缩，则流体本构方程可表示为

其中，vf为流体质点位移，Rf为流体体积模量。

为了得到直接积分瞬态分析的偏微分方程，将式（1）两边除以Df并对x求导。假定忽略α Df的微分项，将结果与式（2）的时间导数合并得到用压力表示的流体微分方程：

引入任意的变化域δp，在整个流体域中对式（3）积分得到运动方程的等效弱形式：

通过ABAQUS的声固耦合分析［10］得到流体域平衡方程：

其中，δvm为位移变分，τ为结构阻力，σ为节点应力，p为作用在结构湿表面的压力，n为指向流体的结构表面法向量，D为结构密度，αc为质量比例阻尼系数，vm、v̇m和 v̈m分别为结构单点位移、速度、加速度，δε为虚应变对应的虚位移。

这样就得到了流体域中的结构平衡方程。接着利用有限元法将结构和声学介质进行离散化，定义压力加载面，将Geers and Hunters模型［11］计算出的水下爆炸压力载荷加载到离散化的表面上。最后利用显式时间积分法通过求解离散化的式（5）和式（6）得到结构响应和流体域中的压力传播。

3 仿真方法保真度验证

结合某实船爆炸数据，对仿真方法进行验证。计算工况为1000kg TNT距左舷70m，水深50m沉底爆炸，龙骨冲击因子为0.337。根据当时爆炸时测点的实际情况选取进行比对的测点位置，分别选择了3个应变测点和3个加速度测点。测点具体位置分别在：01甲板55#肋位迎爆面中纵桁纵向应变测点、主甲板25#肋位迎爆面纵桁纵向应变测点、内底45#肋位迎爆面第一扶强材边中间根部板格应变测点、01甲板27#肋位室垂向加速度测点、主甲板76#肋位垂向加速度测点、内底47#肋位垂向加速度测点。对比结果见表1～2。

表1 应变峰值对比

表2 加速度峰值对比

通过对峰值的相对误差计算，得出应变峰值平均精度77.48%，加速度峰值平均精度77.52%，平均相对误差均在30%以内，计算精度符合工程要求。

4 计算目标

4.1 计算对象

计算对象以某舰为原型，截取舰中两个舱段，仿真试验模型如图1～4所示，图1为舱段内部结构有限元模型图，图2为舱段加强结构与内部结构图，图3为水域有限元模型图，图4为舱段仿真计算整体有限元模型图。

4.2 仿真工况设计及测点选取

仿真试验共设置了5个工况，工况设计主要依据水中兵器的装药量及使用情况，其中第一个工况采用验证算法工况相同的冲击因子。

模型综合考虑迎背爆面、船体结构、设备位置等因素，共设置了10个测点，测点位置均位于模型中横剖面位置。

5 计算结果及分析

对数值计算结果进行分析，并与实船仿真结果进行比对。

5.1 仿真计算结果

仿真计算结果如图5～图7所示，图5仿真计算水域压力云图，图6仿真计算结构应力云图。

选取底部中心测点处的仿真计算结果表明，虽然在结构形式上存在一定的差异，但舱段模型和整船模型的水平方向与垂直方向的加速度、速度曲线值在同等数量级上且具有可比性，符合设计要求，可用于模拟实际战场环境。

5.2 与实船仿真结果比对

为了对比分析实船与舱段之间的毁伤参数的异同，将舱段与实船方正计算结果进行比对，结果如图7～图10所示。

图7～图8为测点垂向加速度比对结果，由图可知两者加速度的变化趋势基本一致，但是舱段加速度幅值大于实船。

图9～图10为等效靶及实船的应力云图，由图可知等效靶与实船毁伤情况基本一致。由毁伤理论分析可知，在近场毁伤作用下，舱段和实船满足材料、相当板厚、外部形状、内部结构基本与实船相同的条件下，就可保证两者抗毁伤效果相同，比对结果验证了该理论的正确性，为毁伤等效靶设计提供一定参考。

综上所述，舱段模型均是采用与原始舰艇等同的舱段，没有进行几何的缩比改动，在冲击加速度趋势上基本相同，量值上不具备可比性，可作为考核设备冲击振动的平台使用；从兵器毁伤角度考虑，可用舱段替代实际舰船。

6 结语

通过本文的研究，得到一些有意义的结论

1）通过与试验数据的比对，证明了声固耦合法计算爆炸毁伤数值计算方法的正确性，为后续的仿真计算提供方法和路径。

2）采用数值计算方法对目标舰船的舱段及目标的毁伤情况进行仿真计算，比对两者的毁伤情况，发现两者毁伤情况相类似，可用舱段替代实际目标。

3）从舱段和目标的冲击环境来看，两者的变化趋势比较一致，但舱段的加速度量值高于实船，用舱段替代实船时需对冲击环境进行修正。

4）采用数值仿真方法与同等级别整船进行了对比验证，只考虑毁伤的情况下可用舱段代替目标舰船。

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［8］DassaultSystèmesSimulia Corp.ABAQUS Analysis User’s Manuals，version 6.9［Z］.RI，USA：DassaultSystèmes，2009.

［9］ DassaultSystèmesSimulia Corp.ABAQUS Theory Manu⁃als，version 6.9［Z］.RI，USA：DassaultSystèmes，2009.

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Research on Warship Target Damage Effect Subject to Under Water Explosion

ZHAO Hongguang
（No.91439 Troops of PLA，Dalian 116041）

The under-water explosion damage status of warship has been calculated using numerical simulation and theory analysis method.First，validity of simulation method has been testified by comparing experiment data.Second，proper target and in⁃stances have been selected，and then target damage simulation has been operated.The target and warship simulation results have been analyzed by using theory method.It shows that the target can substitute warship in the damage status.

explosion，numerical compute，damage，target

U661.2

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.11.026

Class Number U661.2

2017年5月4日，

2017年6月11日

赵红光，男，助理工程师，研究方向：水中兵器试验研究。