变锥角聚能装药水中爆炸数值模拟研究.pdf

第2 9 卷第4 期 2 0 1 2 年1 2 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．2 9N o ．4 D e c ．2 0 1 2 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 l 一4 8 7 X ．2 0 1 2 ．0 4 ．0 2 4 变锥角聚能装药水中爆炸数值模拟研究 周方毅1 ’2 ，王伟力1 ，姜涛2 ，詹发民2 ，张可玉2 1 ．海军航空工程学院，烟台2 6 4 0 1 l ；2 ．海军潜艇学院，青岛2 6 6 0 4 2 摘要为提高战斗部对水下目标的破坏作用，对一种变锥角聚能装药进行了结构设计，并分析了其破坏 机理。建立了圆锥、球缺组合式变锥角聚能装药水中爆炸的力学物理模型，并利用大型有限元软件L S D Y N A 进行数值模拟计算，得出了其应力场分布。研究结果表明该结构产生的聚能射流能为后续E F P 弹丸随 进破坏提供运动空间。增强了对目标的破坏效应。 关键词聚能装药；水中爆炸；数值模拟 中图分类号 T Q 0 5 0 ；T B 3 3 ；T D 2 3 5 ．1 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 4 8 7 x 2 0 1 2 0 4 一0 0 9 9 0 4 S i m l l l a t i o nS t u d yo nM e t a m o r p h i cT a p e r e dA n 对e S h a p e dC h a r g e 岫d e rU n d e r w a t e rE x p l o s i o n 删D u 心愕．∥1 ”，黝M 耽埘，．肼ⅣG ‰2 ，勰4 Ⅳ几- m 以z _ 日A 』v G ‰- ，配1 1 ．N a v a lA v i a t i o nE n g i n e e r i n gI n s t i t u t e ，Y a n t a i2 6 4 0 11 ，C h i n a ； 2 ．N a v yS u b m a r i n eA c a d e m y ，Q i n g d a o2 6 6 0 4 2 ，C h i n a A b s t r a c t F b ri m p r o v i n gt h ed 锄a g ee ‰c tt 0u n d e Ⅳa t e rt a r g e to fw a r h e a d ，ak i n do fm e t a m o r p h i ct 印e r e da n d e s h 印e dc h a r g ei sd e s i g n e d ，觚dt h ed a m a g em e c h a n i s mi sa J l a l y z e d ．7 n l ep h y s i c sm o d e lo ft a p e r e da n ds p h e r i c a l s h a p e dc h a r g eu n d e ru n d e 矾献e r 唧l o s i o ni sb u i l d ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sd o n eb yL S D Y N A ，a n dt l l es t r e s sd i s - t r i b u t i o ni sg o t ．T h er e s u hs h o w st l I a tt h es h 印e dc h a r g ej e tf o m l e db yt l l i ss t m c t u r ec a np r o v i d em o v e m e n ts p a c ef o r l a t t e rE F P ，w h i c hi m p l D v i n gt } l ed 砌a g ee f f e c tt ot a r g e t ． K e yw o r d s s h a p e dc h 哪驴；u n d e r w a t e re x p l o s i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 聚能装药技术作为一种能产生高能量高能流密 度的技术，能够对目标产生显著的侵彻和破坏作用， 在军事领域和民用工程领域得到了越来越广泛的应 用uJ 。但是，随着现代舰艇等武器装备强度和结构 性能以及水下防护工程技术的不断改进和提高，其 抵抗破坏的能力不断加强，单纯使用传统的战斗部 来摧毁水下目标的难度越来越大。因此，需要对爆 炸成形战斗部技术予以改进，以增强战斗部威 力旧J 。对一种圆锥、球缺组合式变锥角聚能装药水 收稿日期2 0 1 2 0 8 一0 4 作者简介周方毅 1 9 7 8 一 ，男，海军航空工程学院兵器科学与技术 系武器系统与运用工程专业博士研究生，海军潜艇学院防 险救生系水下爆破教研室讲师、硕士，从事水下爆破理论 与实践研究， E m a i l z h o u 矗m 酬一q d 1 6 3 ．c o m 。 中爆炸展开了理论分析和数值模拟研究，为组合药 型罩聚能战斗部的设计和实际应用提供了理论和技 术上的支持‘3 | 。 1 理论分析 1 ．1 结构设计 变锥角聚能装药主要由壳体、起爆药柱、主装 药、组合药型罩、空腔、雷管室等组成，其结构如图1 所示。壳体主要用于装填、密封、固定炸药，能够为 炸药和药型罩提供保护作用。同时，壳体还可增加 爆炸冲击压力的作用时间，增大传递给药型罩的总 能量。这是因为壳体约束了装药爆轰时的侧向飞 散，起到了提高射流速度的作用。壳体底部密封，既 万方数据 1 0 0爆破 2 0 1 2 年1 2 月 能起到防水作用，以保证水下使用的技术要求，又能 为装药提供炸高，提高其破坏效能。 l 一雷管室；2 一起爆药柱；3 一主装药；4 一组合药型罩； 5 一空腔；6 一壳体 图1变锥角聚能装药结构示意图 F i g ．1 S k e t c hm a po fm e t 枷。巾h i ct a p e r e d 锄g l es h a p e dc h a 噼 1 ．2 机理分析 变锥角聚能装药将普通药型罩改变成组合药型 罩，分别由后续主药型罩和前级副药型罩组成。其 中，前级副药型罩主要用于形成金属射流对目标进 行开孔作业，后续主药型罩用于形成E F P 弹丸破坏 目标。该装药充分利用了金属射流和弹丸的联合作 用效果，大大提高了装药对目标的破坏效果。其作 用原理是当雷管爆炸后，首先引爆传爆药柱，然后 使主装药爆轰。前级药型罩在炸药的爆炸作用下， 产生压垮运动，其上部形成的高速射流首先完成对 目标的穿孔破坏作业。随之，前级药型罩底部在压 合作用下与后续主药型罩碰撞复合形成E F P 弹丸。 低速弹丸在射流拉动下快速成形并加速，完成对目 标的二次侵彻作用⋯。由于前级副药型罩的作用 能够为后续的E F P 弹丸随进破坏提供了运动空间， 减少了穿孔能量的损耗，大大提高了装药的利用率， 增强了对目标的破坏效果。 2 数值模拟 2 ．1 物理模型 建立变锥角聚能装药水中爆炸的力学物理模型 如图2 所示，采用c m g 一炉单位制。由于模型是轴 对称的，为减小计算量，建模时取四分之一模型。 模型中，炸药采用B 炸药，组合药型罩材料为 紫铜，壳体材料为钢【4 。。 2 ．2 网格划分 利用大型有限元程序 A N S Y SL S D Y N A 中 的S O u D l 6 4 六面体单元分别对炸药、药型罩、壳 体、水、空气进行网格划分。其中，炸药、药型罩、水、 空气均采用欧拉网格划分，单元使用多物质A L E 算 法，壳体采用拉格朗日网格划分，并且壳体与炸药、 水之间采用耦合算法。网格全部采用映射画 法‘5 ．6 ] 。网格划分如图3 所示。 12345 l 一壳体；2 一炸药；3 一组合药型罩；4 一空气；5 一水 图2 计算模型示意图 F i g ．2S k e t c h 删巾o fs i H n d 幽nf ∞d e l 图3 网格划分示意图 F i g ．3 G r i d e dc a l c u l a 直i o nm o d e l 2 ．3 本构方程 1 炸药爆轰产物的状态方程采用J W L 方程， 其公式如下 P A 一剖e 呐y B ，一荆e 啦y 等 1 式中P 为爆轰产物的压力；y 是相对体积；E 是单位 体积炸药内能；A 、B 、R 。、R 2 、∞为用几状态方程常数。 2 水冲击压缩时，采用G R U N E I S E N 状态方 程，其公式如下 p 。以【 一孥 肛一争2 ] P 二} 1 I 【．- s 一． 肛一是南- s ，吾爵】 y o 掣 E 2 水膨胀过程状态方程为 P ；p o C 2 肛 帕 q 弘 E 3 式中C 为以一虬曲线的截距；E 是单位体积内能； p 。是初始密度；5 。、S 2 、S ，是讥一玑曲线斜率的系数； y o 是G R U N E I s E N 状态方程参数；a 是对一阶体积的 修正，p p ∥o l 。 3 空气采用【S D Y N A3 D 程序中的N U L L 材料模型。状态方程采用气体状态方程模拟 P 2 y 一1 旦‰ 4 p O 式中P 2 为气体压力；y 为气体绝热指数i p 为密度； ● 2 3 4 5 6 万方数据 第2 9 卷第4 期 周方毅，王伟力，姜涛，等变锥角聚能装药水中爆炸数值模拟研究 l O l p 0 为初始密度；E 。为气体体积比内能。 4 药型罩、壳体采用J o h n s o n ．c o o k 本构方程， 其公式如下 盯， A B 占尸。 1 C Z m 占 1 一P 5 占 F P ／占o 6 式中盯，为材料应力；A 、日、c 、Ⅳ、f 、m 为材料常数； 占9 为有效弹性应变。 2 ．4 计算参数 计算过程中，炸药、水、空气、壳体以及药型罩的 参数分别列于表1 、表2 、表3 和表4 。 2 ．5 计算结果 根据前述定义的物理模型及有限元网格划分， 利用大型有限元程序 A N S Y SL S D Y N A 计算，可 得到变锥角聚能装药的数值模拟结果，分别如图4 、 图5 所示。 表l 炸药的状态参数 T a M elP a m m e t e 幅o fe x p I 惦i 他 。g 缘，，。煮黾兰墨R ．心∞⋯‰ g c m 。 m s 。 G P a G P a 。 ⋯ J m 。 1 ．7 2 48 0 8 05 0 06 ．84 ．01 ．00 ．30 ．8 1 0 1 0 表2 水的状态参数 T a M e2P a r 咖e 钯璐O f 、憾t e r 表3 空气的状态参数 T a b I e3P 舢翟m e t e 璐o fa i r 表4 壳体和药型罩状态参数 T a b k4P a r 咖e t e 璐o f 纽r 窖蹿t L S 删 I - ●．1 n ，Ⅲ T ■- -_ C ■_ ■●■■n d ●l ■■f j ，● _ ●●‘■■■- ■ - _ d 删‘■州●●珏 一。一1 ， “．_ j t 一．墨 w ”一{ ⋯““。．萱 m ．．“{ ．‰4 ’● ‘．- J 图4t 2 0 0 斗9 时刻应力分布示意图 F i g ．4 D i s t r i b u t i ∞o fs t 弛s sf i e l do ft a r g e tw h e nt 2 0 0 斗s L S D Y N Au s e ri n p u t l o o2 0 03 0 04 0 0 H s 图5 射流速度曲线图 F i g ．5G r a p ho fV e l o c i t yo fs h a p e dc h a r g ej e ‘ e n 0 ． 8 7 5 8 9 0 1 6 4 2 l 1 6 4 6 3 1 6 4 7 7 图4 所示为t 2 0 0 斗s 时，射流与弹丸穿透靶板 的应力分布示意图。通过分析数值模拟结果可知 起爆4 5 s 左右，锥形罩开始形成金属射流高速冲 击靶板，对其进行穿孔破坏；然后，球缺罩形成翻转 弹丸紧随其后，对靶板进行二次破坏。这种组合式 的聚能罩形式兼具锥形罩和球缺罩2 种药型罩的特 点，既能形成金属射流，又能产生翻转弹丸，使成型 侵彻体质量增大、速度加快，形成了高速的杆式射 流，非常有利于破坏目标。 图5 所示为射流速度曲线图。数值模拟表明， 射流最大速度能达到6 0 0 0 - n ／s ，当射流从空气中穿 透靶板进入水中后，速度很快衰减至3 5 0 0m ／s 以 下。但是，射流在水中运动时衰减变慢，保持速度在 2 0 0 0n ∥s 左右。可见，射流能在水中开辟通道，有 利于减小后续弹丸的运动阻力，增强对靶板的破坏 能力。 3 结语 通过建立圆锥、球缺组合式变锥角聚能装药水 中爆炸的力学物理模型，并利用大型有限元软件 L S D Y N A 进行数值模拟计算，得出了其应力分布 和速度曲线。运用理论分析和数值模拟等技术手段 展开研究，结果表明该结构产生的聚能射流能为后 7 6 5 4 3 2 1 O fI_日．mbI一奄蓦避警逞 万方数据 1 0 2 爆破2 0 1 2 年1 2 月 上接第8 2 页 为保证施工安全，在烟囱爆破区域全部用双层 竹笆和麻袋片进行多层防护，防止飞石飞出1 4 ’。对 于附近居民楼，搭建竹笆围墙进行防护。为防止筒 体撞击地面产生的碎片飞溅，在预定撞击处的地面 位置，用土袋和煤灰渣袋等铺垫垒筑一定宽度和高 度的垫层和缓冲墙。 2 。5 爆破效果 根据以上参数进行施工，起爆后烟囱在自重作 用下，准确地按照之前设计的倾倒方向倒塌，爆破震 动和塌落震动很小，无飞石飞向居民区，周围设施安 全，烟囱成功拆除。 3结语 由于切口爆破瞬间余留截面上的应力重新分 布，烟囱受力情况发生突变，能否按照预定方向倾倒 关键在于爆破切口的形式和尺寸大小。根据烟囱的 结构受力破坏特征，推导了烟囱倾倒的条件，应用所 建立的切口参数的倾倒条件，进行了实例验证。 参考文献 R e f e r e 眦e s ’ [ 1 ] 王健．高耸烟囱爆破拆除安全性的力学分析[ D ] ．唐 山河北理工大学硕士学位论文，2 0 0 5 ． [ 1 ] w A N GJ i a n ．M e c h a n i c sa n a l y s i so ns e c u r i t yo fe x p l o s i v e d e m o l i t i o no fh 唔hc h i m n e y [ D ] ．T a n g s h a n u n i v e r s i t yo f S c i e l l c e ＆T e c h n o l o g yo fH e b e i ，2 0 0 5 ． i ne h i n e s e [ 2 ] 张云鹏，甘德清．拆除爆破[ M ] ．北京冶金工业出版 社，2 0 0 2 ． [ 2 ] z 姒N GY 抽一p e n g ，G A ND e q i n g ．D e Ⅱ帕H t i mB l 鹪t i l l g [ M ] ． B e i j i n g P L 埘i s hC o 玎驴n yo fM e t 习l l l u 日盯I n d 鸺时，2 0 吆． i n C l l i n e s e l [ 3 ]张修玉，张义平，池恩安，等。烟囱绕爆破切口直径转 动惯量的解法[ J ] ．爆破，2 0 1 0 ，2 7 4 8 2 ．8 4 ． [ 3 ] z H A N Gx i u y u ，z H A N GY i - p i n g ，c H IE n a n ，e ta 1 ．C a l c u l a t i o nm e t h o d 吕o fr o t a t i d n a lh e r t i a0 fc h i m n e y 雒a u n d b l a s t i n gc u td i 啪e t e r [ J ] ．B 1 鹊t i n g ，2 0 1 0 ，2 7 4 8 2 - 8 4 ． i nC h i n e s e [ 4 ] 王君来．高耸建筑物爆破拆除倒塌及落地效应的研究 [ D ] ．上海上海交通大学硕士学位论文，2 0 0 5 ． [ 4 ]蚴GJ u n l 出．鼬d yo nc o u 印s ea n d 白I l l i n go n 山eg 吼I n d 豳c to fl l i 班b u i l d i n gb ye 】q p l o s i v ed e m o l i t i o n [ D ] ．s l l a I l g h a i s h a n 曲a iJ i 蛐n gu n i v e r s i t y ，2 0 晒． i nC } 1 i n e s e 万方数据