兵工学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (8): 240643-.doi: 10.12382/bgxb.2024.0643
刘刚伟1,2, 张竞元3, 石章松1,*(), 谭波1, 宋浦2, 胡宏伟2, 芦永进1
收稿日期:
2024-07-29
上线日期:
2025-08-28
通讯作者:
基金资助:
LIU Gangwei1,2, ZHANG Jingyuan3, SHI Zhangsong1,*(), TAN Bo1, SONG Pu2, HU Hongwei2, LU Yongjin1
Received:
2024-07-29
Online:
2025-08-28
摘要:
沉底雷是一种布设在水底、常采用原地爆炸方式毁伤水面舰船和潜艇等水中目标的水雷。壳体是影响装药水下爆炸冲击波载荷的关键因素。采用耦合欧拉-拉格朗日方法建立近海底带壳装药数值模型,开展带壳装药水下爆炸冲击波载荷特性研究,揭示装药形状、起爆方式、壳体设置、外壳厚度比、壳药质量比等因素对沉底装药水下爆炸冲击波载荷特性的影响规律,提出一种适用于近海底条件下的新型变壁厚装药壳体,该设计在近海底条件下对冲击波载荷具有显著的增强效应。研究结果表明:壳体的约束特性会导致沉底装药水下爆炸冲击波随距离衰减放缓;变壁厚壳体对装药水下爆炸冲击波载荷具有增强效应,800mm处冲击波峰值压力随δ的增大增长最多,增长率可达9.74%;所得研究成果可为水下兵器设计提供参考。
中图分类号:
刘刚伟, 张竞元, 石章松, 谭波, 宋浦, 胡宏伟, 芦永进. 变壁厚壳体近海底爆炸冲击波增强效应[J]. 兵工学报, 2025, 46(8): 240643-.
LIU Gangwei, ZHANG Jingyuan, SHI Zhangsong, TAN Bo, SONG Pu, HU Hongwei, LU Yongjin. Effect of Shock Wave Load in Underwater Explosion of Cased Charge near Seabed[J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(8): 240643-.
ρ0/ (kg·m-3) | A1/ MPa | A2/ MPa | A3/ MPa | B0 | B1 | T1/ MPa | T2/ MPa |
---|---|---|---|---|---|---|---|
1000 | 2200 | 9540 | 14600 | 0.28 | 0.28 | 2200 | 0 |
表1 水多项式方程参数
Table 1 Parameters of the water polynomial equation
ρ0/ (kg·m-3) | A1/ MPa | A2/ MPa | A3/ MPa | B0 | B1 | T1/ MPa | T2/ MPa |
---|---|---|---|---|---|---|---|
1000 | 2200 | 9540 | 14600 | 0.28 | 0.28 | 2200 | 0 |
ρ/ (kg·m-3) | A/ GPa | B/ GPa | R1 | R2 | ω | Eq/ (GJ·m-3) | / GPa |
---|---|---|---|---|---|---|---|
1890 | 778.28 | 7.07 | 4.20 | 1.00 | 0.30 | 10.50 | 42.00 |
表2 HMX炸药材料参数
Table 2 HMX material parameters
ρ/ (kg·m-3) | A/ GPa | B/ GPa | R1 | R2 | ω | Eq/ (GJ·m-3) | / GPa |
---|---|---|---|---|---|---|---|
1890 | 778.28 | 7.07 | 4.20 | 1.00 | 0.30 | 10.50 | 42.00 |
ρ/ (kg·m-3) | Gruneisen 系数 | C0/ (m·s-1) | S1 | S2 |
---|---|---|---|---|
4419 | 1.23 | 5130 | 1.028 | 0 |
表3 Shock方程参数
Table 3 Shock equation parameters
ρ/ (kg·m-3) | Gruneisen 系数 | C0/ (m·s-1) | S1 | S2 |
---|---|---|---|---|
4419 | 1.23 | 5130 | 1.028 | 0 |
G0/ GPa | Y0/ GPa | Ymax/ GPa | β | n | G'P | G'T/ (MPa·K-1) | Y'P |
---|---|---|---|---|---|---|---|
41.9 | 1.33 | 2.12 | 12 | 0.1 | 0.4819 | -26.98 | -0.0153 |
表4 Steinberg Guinan本构模型参数
Table 4 Parameters of the steinberg Guinan constitutive model
G0/ GPa | Y0/ GPa | Ymax/ GPa | β | n | G'P | G'T/ (MPa·K-1) | Y'P |
---|---|---|---|---|---|---|---|
41.9 | 1.33 | 2.12 | 12 | 0.1 | 0.4819 | -26.98 | -0.0153 |
序号 | ρ/(kg·m-3) | p/MPa | c/(m·s-1) |
---|---|---|---|
1 | 1.674 | 0 | 265 |
2 | 1.739 | 4.577 | 852 |
3 | 1.874 | 14.98 | 1721 |
4 | 1.997 | 29.15 | 1875 |
5 | 2.143 | 59.17 | 2265 |
6 | 2.250 | 98.10 | 2956 |
7 | 2.380 | 179.4 | 3112 |
8 | 2.485 | 289.4 | 4600 |
9 | 2.585 | 450.2 | 4634 |
10 | 2.631 | 650.7 | 4634 |
表5 泥沙材料参数
Table 5 Sand material parameters
序号 | ρ/(kg·m-3) | p/MPa | c/(m·s-1) |
---|---|---|---|
1 | 1.674 | 0 | 265 |
2 | 1.739 | 4.577 | 852 |
3 | 1.874 | 14.98 | 1721 |
4 | 1.997 | 29.15 | 1875 |
5 | 2.143 | 59.17 | 2265 |
6 | 2.250 | 98.10 | 2956 |
7 | 2.380 | 179.4 | 3112 |
8 | 2.485 | 289.4 | 4600 |
9 | 2.585 | 450.2 | 4634 |
10 | 2.631 | 650.7 | 4634 |
距离/ mm | 数值计算/ MPa | Zhang 方程/MPa | Cole 经验公式 /MPa | 数值计算与 Zhang方程 误差/% | 数值计算与 Cole经验公 式误差/% |
---|---|---|---|---|---|
400 | 189.35 | 202.25 | 174.32 | -6.42 | 8.62 |
600 | 106.44 | 112.41 | 97.53 | -5.31 | 9.13 |
800 | 71.58 | 75.84 | 69.74 | -5.61 | 2.64 |
1000 | 53.04 | 57.40 | 54.20 | -7.59 | -2.14 |
表6 冲击波峰值压力仿真计算值与理论值结果
Table 6 Simulation calculation and theoretical results of peak pressure of shock wave
距离/ mm | 数值计算/ MPa | Zhang 方程/MPa | Cole 经验公式 /MPa | 数值计算与 Zhang方程 误差/% | 数值计算与 Cole经验公 式误差/% |
---|---|---|---|---|---|
400 | 189.35 | 202.25 | 174.32 | -6.42 | 8.62 |
600 | 106.44 | 112.41 | 97.53 | -5.31 | 9.13 |
800 | 71.58 | 75.84 | 69.74 | -5.61 | 2.64 |
1000 | 53.04 | 57.40 | 54.20 | -7.59 | -2.14 |
测点 | 实验数据/MPa | 计算数据/MPa | 误差/% |
---|---|---|---|
P1 | 14.94 | 15.52 | 3.88 |
P2 | 12.20 | 12.63 | 3.52 |
P3 | 9.60 | 9.81 | 2.19 |
P4 | 7.36 | 7.4 | 0.54 |
P5 | 5.52 | 5.49 | -0.54 |
P6 | 8.83 | 8.01 | -9.29 |
P7 | 4.39 | 4.25 | -3.19 |
P8 | 3.23 | 3.28 | 1.55 |
P9 | 3.57 | 3.24 | -9.24 |
P10 | 28.82 | 29.98 | 4.02 |
表7 冲击波压力实验数据与计算数据对比[23]
Table 7 Comparison between the experimental data of shock wave pressure and the calculated data[23]
测点 | 实验数据/MPa | 计算数据/MPa | 误差/% |
---|---|---|---|
P1 | 14.94 | 15.52 | 3.88 |
P2 | 12.20 | 12.63 | 3.52 |
P3 | 9.60 | 9.81 | 2.19 |
P4 | 7.36 | 7.4 | 0.54 |
P5 | 5.52 | 5.49 | -0.54 |
P6 | 8.83 | 8.01 | -9.29 |
P7 | 4.39 | 4.25 | -3.19 |
P8 | 3.23 | 3.28 | 1.55 |
P9 | 3.57 | 3.24 | -9.24 |
P10 | 28.82 | 29.98 | 4.02 |
测点 | 实验结果/MPa | 计算结果/MPa | 误差/% |
---|---|---|---|
P1 | 10.45 | 10.24 | -2.00 |
P2 | 13.03 | 13.23 | -1.53 |
P3 | 6.96 | 7.13 | -2.44 |
P4 | 10.39 | 10.47 | -0.77 |
表8 冲击波压力实验结果与计算结果对比[24]
Table 8 Comparison between the experimental results of shock wave pressure and the calculated results [24]
测点 | 实验结果/MPa | 计算结果/MPa | 误差/% |
---|---|---|---|
P1 | 10.45 | 10.24 | -2.00 |
P2 | 13.03 | 13.23 | -1.53 |
P3 | 6.96 | 7.13 | -2.44 |
P4 | 10.39 | 10.47 | -0.77 |
工况 | 装药形状 | 长径比 | 起爆方式 | 壳体设置 |
---|---|---|---|---|
Case1 | 球形装药 | 中心起爆 | 无壳 | |
Case2 | 柱形装药 | 0.5 | 中心起爆 | 无壳 |
Case3 | 柱形装药 | 1.0 | 中心起爆 | 无壳 |
Case4 | 柱形装药 | 2.0 | 中心起爆 | 无壳 |
Case5 | 球形装药 | 底部起爆 | 无壳 | |
Case6 | 球形装药 | 顶部起爆 | 无壳 | |
Case7 | 球形装药 | 中心起爆 | 底半球壳 | |
Case8 | 球形装药 | 中心起爆 | 完整球壳 |
表9 沉底装药水下爆炸冲击波数值模型工况设置
Table 9 Numerical model case setting for underwater explosion shock wave of cased charge
工况 | 装药形状 | 长径比 | 起爆方式 | 壳体设置 |
---|---|---|---|---|
Case1 | 球形装药 | 中心起爆 | 无壳 | |
Case2 | 柱形装药 | 0.5 | 中心起爆 | 无壳 |
Case3 | 柱形装药 | 1.0 | 中心起爆 | 无壳 |
Case4 | 柱形装药 | 2.0 | 中心起爆 | 无壳 |
Case5 | 球形装药 | 底部起爆 | 无壳 | |
Case6 | 球形装药 | 顶部起爆 | 无壳 | |
Case7 | 球形装药 | 中心起爆 | 底半球壳 | |
Case8 | 球形装药 | 中心起爆 | 完整球壳 |
工况 | 壳体材料 | 厚度比 | 质量比 |
---|---|---|---|
Case 9 | Al 6061-T6 | 2 | 8.95 |
Case 10 | Al 6061-T6 | 4 | 8.95 |
Case 11 | Al 6061-T6 | 6 | 8.95 |
Case 12 | Al 6061-T6 | 8 | 8.95 |
Case 13 (对照组) | Al 6061-T6 | 10 | 8.95 |
Case 14 | Steel 4340 | 10 | 25.86 |
Case 15 | Ti6%Al4%V | 10 | 14.56 |
表10 变壁厚沉底爆炸冲击波数值模型工况设置
Table 10 Numerical model case setting for shock wave caused by variable wall thickness sinking bottom explosion
工况 | 壳体材料 | 厚度比 | 质量比 |
---|---|---|---|
Case 9 | Al 6061-T6 | 2 | 8.95 |
Case 10 | Al 6061-T6 | 4 | 8.95 |
Case 11 | Al 6061-T6 | 6 | 8.95 |
Case 12 | Al 6061-T6 | 8 | 8.95 |
Case 13 (对照组) | Al 6061-T6 | 10 | 8.95 |
Case 14 | Steel 4340 | 10 | 25.86 |
Case 15 | Ti6%Al4%V | 10 | 14.56 |
爆距/mm | 冲击波峰值压力/MPa | ||||
---|---|---|---|---|---|
Case 9 | Case 10 | Case 11 | Case 12 | Case 13 | |
400 | 476.27 | 472.43 | 469.93 | 470.93 | 469.95 |
600 | 219.13 | 223.02 | 233.78 | 236.88 | 238.55 |
800 | 152.92 | 150.78 | 159.39 | 163.38 | 167.82 |
1000 | 113.81 | 108.12 | 109.11 | 108.62 | 111.70 |
表11 冲击波峰值压力计算结果
Table 11 Calculated results of peak shock wave pressure
爆距/mm | 冲击波峰值压力/MPa | ||||
---|---|---|---|---|---|
Case 9 | Case 10 | Case 11 | Case 12 | Case 13 | |
400 | 476.27 | 472.43 | 469.93 | 470.93 | 469.95 |
600 | 219.13 | 223.02 | 233.78 | 236.88 | 238.55 |
800 | 152.92 | 150.78 | 159.39 | 163.38 | 167.82 |
1000 | 113.81 | 108.12 | 109.11 | 108.62 | 111.70 |
爆距/mm | 冲击波峰值压力/MPa | ||
---|---|---|---|
Case 13 | Case 14 | Case 15 | |
400 | 469.95 | 511.15 | 541.31 |
600 | 238.55 | 300.43 | 252.62 |
800 | 167.82 | 182.86 | 179.17 |
1000 | 111.70 | 121.99 | 125.85 |
表12 不同质量比冲击波峰值压力
Table 12 Peak shock wave pressures for different mass ratios
爆距/mm | 冲击波峰值压力/MPa | ||
---|---|---|---|
Case 13 | Case 14 | Case 15 | |
400 | 469.95 | 511.15 | 541.31 |
600 | 238.55 | 300.43 | 252.62 |
800 | 167.82 | 182.86 | 179.17 |
1000 | 111.70 | 121.99 | 125.85 |
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