收稿日期:2006208230；修回日期:2006212228.
作者简介：鲁忠宝(1978-)，男，硕士，主要从事战斗部的研究与设计.
鲁忠宝
(西安精密机械研究所，陕西西安,710075)
摘 要：考虑了在水介质中爆炸时不同深度水压会对爆炸参数产生不同的影响，该文采用有限元软件ANSYS/LS 2
DY NA 建立了典型装药在不同水深压力下爆炸的仿真模型，计算了在不同水深压力下不同点处的爆炸冲击波压力，分 析了水中爆炸的冲击波压力随水深的变化关系，得出了同一装药在不同水深处爆炸时，与爆心不同相对位置处的冲击波压力随水深的变化规律。本文的研究有助于水中兵器战斗部毁伤威力的评定以及引信作用距离的设计。关键词：水中兵器；战斗部毁伤威力;ANSYS/LS 2DY NA；水中爆炸；引信作用距离；仿真
中图分类号:O382.1;TP391.9 文献标识码:A 文章编号:167321948(2007)0120045203
S i m ul a ti on Research on Rel a ti on Between Underwa ter Explosi ve
Param eters and W a ter Pressure Under a Typ i ca l Charge
LU Zhong 2bao
(Xi ′an Precisi on M achinery I nstitute,Xi ′an 710075,China )
Abstract:W hen a charge exp l odes in water,different water p ressure exerts different influences on the exp l osive para meters .U 2sing the finite element analysis s oft w are ANSYS/LS 2DY NA,a si m ulati on model of a typ ical charge exp l osi on under differentwater p ressure is established .The blastwave p ressure at different points under differentwater p ressure is calculated,and the blastwave p ressure changing with water p ressure is analyzed .The basic law of the influence of water dep th on blast wave p ressure is conclu 2ded .This research will be valuable t o these fields,such as the assess ment of warhead lethality of under water weapons,and the design of fuze range,etc .
Key words:under water weapon;warhead lethality;ANSYS/LS 2DY NA;under water exp l osi on;fuze range;si m ulati on
0 引言
万方数据资源战斗部是水中兵器的有效载荷，战斗部对目标的毁伤效果取决于其爆炸威力。MU90HK 反
对重型的毁伤距离随爆炸深度的增
大而明显增大[1]
，可见水中兵器战斗部的爆炸威力受水压影响较大。随着潜艇等水中目标航行深度的增大，、等水中兵器的作战深度也不断增大，因此，研究水压对水中兵器战斗部水中爆炸参数的影响规律具有十分重要的意义，它对于水中兵器战斗部毁伤威力的评定，引信作用距离的设计具有重要的参考价值。
战场环境中，水中兵器的爆炸深度可能深达数百米，要开展数百米深的水压对爆炸参数影响效果的试验研究，耗资巨大，而且操作困难，甚至
根本无法进行。然而随着计算机辅助工程技术的飞速发展，有限元分析软件在爆炸领域中得到了应用。采用有限元分析软件ANSYS/LS 2DY NA 可以较为真实地模拟在水中不同深度处爆炸作用的全过程，可在一定程度上取代实爆试验，极大提高工作效率。因此，通过数值仿真方法来开展这方面的研究工作是十分必要的。
1 ANSYS/LS 2DY NA 爆炸分析介绍
有限元仿真软件ANSYS/LS 2DY NA 计算准确，应用广泛。其材料模型十分丰富，单元类型众多，采用显式有限元理论，计算速度较同类软件要快很多。ANSYS/LS 2DY NA 是ANSYS 的高度非线性瞬态动力分析模块，它与ANSYS 前后处理连接，是最著名的通用显示动力分析程序，在国防领
第15卷第1期2007年02月
鱼 雷 技 术T ORPE DO TECHNOLOGY
Vol .15No .1
Feb .2007
域中的应用十分广泛。
ANSYS/LS 2DY NA 以Lagrange 算法为主，兼有ALE (ALE ———A rbitrary Lagrange Euler )和Eul 2er 算法:ALE 算法先执行1个或几个Lagrange 时
步计算，此时单元网格随材料流动而产生变形，然后执行ALE 时步计算;Euler 算法则是材料在一个固定的网格中流动。ALE 算法和Euler 算法的1个单元中可包含不同的材料，从而实现空间网
格中物质的输送，克服单元严重畸变引起的数值
计算困难。ANSYS/LS 2DY NA 支持、空白材料模型、高能的状态方程和高能的起爆设置。LS 2DY NA 强大的ALE 和Euler 算法及的材料与状态方程广泛地应用于各种水下爆炸分析中,ANSYS/LS 2DY NA 在水中爆炸分析中有
北京网通公司很多成功的案例[2]
。
2 有限元模型建立
为便于模型的建立与高效求解，以得出相关规律，选取T NT 当量为121kg 的球形装药，其起爆方式为中心起爆，球半径为26c m 。由于问题具有轴对称特点，故可将球形在无限水介质中的爆炸简化为二维问题。二维几何模型如图1所示。
计算模型涉及与水介质2种材料，其中材料选用高能燃烧与增长模型(Mat H igh Exp l osive Burn )，的状态方程模型选用高能形式的Eos 2Jwl 状态方程，其密度为ρ=
1.64g/c m 3
，爆速D =0.693c m /
公民与法μs，爆压P CJ =27GPa；水介质选用空白材料模型(NULL ),Eos 2
Gruneis on 状态方程，密度为ρ=1.025g/c m 3
。各材料模型与状态方程模型中参数的意义与取值可
见相关手册[3]
。
及水介质各部分模型均使用二维ALE 单元类型，采用轴对称算法。对1/2的二维模型(见图1)施加x 方向上的水平约束来取代整个模型进行计算。设置的中心点为起爆点。根据不同的水深计算各自的静水压力，并通过关键字(3Define_Curve )来定义水压曲线，对划分网格后形成的所有单元施加水压载荷。所建典型装药水中爆炸的有限元仿真模型如图2所示
。
图1 二维模型 图2 水中爆炸有限元模型
3 仿真计算
选取3种典型水深25m ,50m 和100m ，对应的静水压分别为0.25MPa,0.5MPa 和1MPa 。在所建的有限元模型中，对与水介质的所有单元分别施压，采用ALE 算法可对典型装药不同水压下的水中爆
炸参数求解。利用LS 2P OST 后处理器可方便得到典型装药不同水压下爆炸时，距爆心不同距离处的冲击波压力的时间历程曲线。图3、图4和图5分别为典型装药在25m ,50m 及100m 3种不同水深处爆炸时，单元424(距爆心2.5m ),728(距爆心5m )及628(距爆心7m )处的冲击波压力的时间历程曲线
。
格雷夫图3 25m
水压下爆炸时各单元处冲击波压力时间历程曲线
图4 50m
水压下爆炸时各单元处冲击波压力时间历程曲线
图5 100m 水压下爆炸时各单元处冲击波压力时间历程曲线
针对3种不同爆炸水深所计算的典型装药
6
4技术
水下爆炸时，距离爆心不同距离处的冲击波压力峰值见表1。
表1 不同水深爆炸时不同单元处的冲击波压力峰值
冲击波压力峰值
MPa
单元号
424
(距爆心2.5m)
728
(距爆心5m)
628
(距爆心7m)
水深m 25130.856.136.9 50135.165.144.4 100143.983.559.6
4 结果分析
据计算可知,121kg的T NT装药在水下25m 深处爆炸时，据爆心5m处的冲击波压力峰值为56.1MPa(见表1)；采用同样的计算模型，当不对模型施加水压时，可得此时据爆心5m处的冲击波压力峰值为47.1MPa。采用计算T NT水中爆炸自由场冲击波峰值压力的较为可行的经验公式[4]
p m=54.3ω1/3/R1.13(1)式中:R为距爆心的距离,m;ω为T NT药量, kg;P
企业文化管理师m
为峰值压力,MPa，可算得距爆心5m处冲击波压力峰值为52.6MPa。
该经验公式由大量的水中爆炸试验数据统计得出，水中爆炸的试验水深应小于25m。通过式(1)计算的冲击波压力峰值52.6MPa正好在通过仿真计算的不考虑水压和考虑25m水压的冲击波压力峰值47.1MPa与56.1MPa之间，表明本文的计算结果可信，也说明水压对水中爆炸参数是有影响的。
从图3、图4以及图5可以看出，水中爆炸冲击波脉冲衰减很快，而且存在二次脉冲现象；同一装药在水中不同的水深处爆炸时，与爆心同一相对位置处的冲击波压力的时间历程曲线规律是一致的；随着水深的增加，同一装药水中爆炸时，与爆心同一相对位置处的冲击波压力也随着增大。
由表1可算出，爆炸水深由50m增加到100 m时，单元424,728以及628处的冲击波峰值压力分别增加了6.5%,28.3%
及34.2%。可见相对爆心越远的点，其冲击波受水压的影响越大。根据表1可得出距爆心不同距离处各单元的冲击波压力峰值与爆炸水深的关系曲线图(见图6)。
图6 各点处冲击波压力峰值与爆炸水深的关系曲线
由图6可以看出，同一装药在水中不同水深处爆炸时，与爆心同一相对位置处的冲击波压力峰值与水深均近似成线性关系；离爆心较远处点(如5m及7m处的点)的冲击波压力峰值随水深增加而增加的梯度比离爆心较近处点(如2.5 m处的点)明显要大，但其中梯度最大的是距爆心5m(约20倍装药半径)处的点，据此可以推测，对于某一特定尺度的装药，在不同水深处爆炸时存在一个距离爆心的最佳距离值，该点处的冲击波压力峰值随水深增加而增加的梯度最大。
5 结束语
从政提醒本文采用有限元软件ANSYS/LS2DY NA对典型装药不同水深处爆炸时的爆炸参数进行了仿真计算，得出同一装药不同水深处爆炸时，与爆心不同相对位置处的冲击波压力随水深的变化规律，计算结果与经验公式吻合，具有可信度。当然，要全面开展水中爆炸参数与水深的关系研究，还应进行更多的不同水深处爆炸时，不同相对位置处的爆炸参数计算，另一方面也可进行适当的不同水深处的爆炸试验研究，以便得出更为准确细致的规律，为水中兵器的设计提供理论依据。战斗部水中爆炸是一个十分复杂的研究领域，很多更深入的研究工作有待开展。
参考文献:
[1]钱东，崔立.MU90HK反的作战效能[J].鱼
雷技术.2004,12(4):5-8.
[2]张胜民.基于有限元软件ANSYS7.0的结构分析
[M].北京：清华大学出版社,2003.
[3]美国ANSYS公司.ANSYS/LS2DY NA U ser’s M anual,
2003.
[4]崔秉贵.目标毁伤工程计算[M].北京：北京理工大学
出版社,1995.
(责任编辑 杨力军)
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鲁忠宝：典型装药水中爆炸参数与水深关系的仿真研究
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