研究论文

1装药水下沉底爆炸压力场特性研究摘要对水下爆炸冲击波进行了概述，分析了影响冲击波传播的因素和球形装药中心起爆时出现驼峰的原因。利用AUTODYN软件对装药在自由场与沉底爆炸二种工况的压力场特性进行了数值模拟，计算中采用透射边界条件代替压力流出边界条件和提高能量守恒误差容许值的办法。仿真结果表明装药自由场爆炸中，冲击波传播没有方向性；在装药沉底爆炸时，冲击波存在明显的水底反射效应，水底反射对药包上方范围起到增强作用，而对水底附近起削弱作用，当测点与水平夹角大于60度时，冲击波压力峰值增加到一个相对稳定值。关键词沉底爆炸压力场水底反射中图分类号TB126文献标识码A文章编号1000-7857(2009)-TheStudyonthePropertyofPressureFieldinGroundExplsoinAbstractShockwaveofunderwaterexplosionandthefactorswhichcouldaffectitspropagationaresummarized,givingtheanalysisofhumpwavestructureforballchargeinitiatedinthecenter.NumericalsimulationisdoneusingsoftwareAUTODYNtopredictthepressurefieldbothinfreefieldandgroundexplosion.Transmissionboundaryisusedincomputationtakingtheplaceofoutflowboundaryconditionwithenlargedenergyconservationerrorpermittedintheprocess.Thesimulationresultsshowthat,forfreefieldexplosion,thepropagationofshockwaveisequalinalldirection.Butforgroundexplosion,thegroundreflectioneffectsareapparent,theactionofexplosionisintensifiedupsideandweakenedbelowthecharge.Whentheangleofthechargewiththehorizontalislargerthan60degree,theshockwavepressureincreasestoasteadyvalue.Keywordsgroundexplosion;pressurefield;groundreflection0引言装药水下沉底爆炸在国防和水利水电工程等国民经济建设中具有广泛应用，目前国内外在水下爆炸研究领域对炸药在无限场爆炸方面的研究相对比较成熟，对一些非理想条件下爆炸特性研究较少。装药沉底爆炸后产生的水中冲击波和爆炸产物向外传播、膨胀过程非常复杂，必须考虑边界条件影响，即水中冲击波在水底的反射以及水底对爆轰产物的阻挡进而影响水下爆炸气泡脉动等因素，装药沉底爆炸是一个涉及水和边界效应的复杂爆炸动力学问题，目前这方面的理论研究还很不成熟[1-2]，人们对装药沉底爆炸压力场特性认识不清。对于沉底水雷等装药沉底爆炸时，Zamyshlyayev[3]认为反射波与入射波分不清，不能用水底反2射理论进行分析，一般把它简化为无限场来处理，等效为1.70倍药量在无限场爆炸，这样处理对不靠近水底的测点在压力峰值上有一定精度，但对近水底的测点精度很低。本文利用数值仿真手段对装药沉底爆炸后水中冲击波传播规律、水下压力场分布特性等进行了研究，并将实际测量值和理论计算值进行了对比分析。1水下爆炸冲击波装药水中爆炸后在水介质中形成冲击波，水中冲击波的初始参数取决于炸药特性和水的特性，描述冲击波最主要的表征量是冲击波压力峰值[4]。对于炸药量为Q的装药在水中爆炸时，到爆心距离为R的最大压力峰值mP有如下表达式(,,,,,,,)meeewwPfQEBR（1）式中Q为炸药量，e为装药密度，eE为装药单位质量化学能，e为装药膨胀指数；w为水的密度，B为压力系数，w为水膨胀指数；R为爆距。根据定理，选择Q，e，eE为基本量，则有13/()(,/,(),,(/))meeeweeewePEfBERQ（2）当模型试验与实际试验采用相同材料时，就有13/()((/))meeePEfRQ（3）对于TNT球形装药，当各参数单位Q为kg，R为m，mP为2/kgfcm时有（4）当06/12RR时，449k，1.5；012/240RR时，533k，1.13。水中冲击波波阵面的压力随时间衰减很快，压力随时间关系有（5）式中tP为冲击波压力，单位Pa；mP为冲击波压力峰值，单位Pa；为冲击波衰减时间常数，单位ms；pt为冲击波最大正压作用时间，单位ms。由于水为密实介质，球形装药在中心起爆时，冲击波形一般不是一条光滑曲线，而是会有多个振荡峰。产生这种现象的原因是当炸药爆炸后，冲击波向外扩散，而稀疏波则向球心聚中，当各方向稀疏波会聚后就形成压缩波，进一步加强后又形成冲击波，这个冲击波向外传播追赶第一个击波（firstshock），与之叠加后形成驼峰(secondshock)，在有利条件下还能形成多次驼峰(thirdshockormore)。因此对球形装药的压力测量通常会有多个振荡峰。13()mQPkR1.3,0.3681(),tmtmppPetPtPtttt32水下爆炸冲击波数值模拟2.1炸药爆轰产物的状态方程在AUTODYN软件中，炸药采用JWL状态方程[5]1212(1)(1)RVRVEPAeBeRVRVV（6）式中E为单位质量内能；V为比容；A、B、1R、2R、为常数。其中，公式右端第一项在高压段起主要作用，第二项在中压段起主要作用，第三项代表低压段。在爆炸产物膨胀的后期，方程式前两项的作用可以忽略，为了加快求解速度，将炸药爆炸产物JWL状态方程转换为更为简单的理想气体状态方程（绝热指数1）。2.2水的状态方程炸药水下爆炸后，水中冲击波压力很快就衰减到2.5GPa以下，属于中等强度冲击波。这时爆炸冲击波通过介质后熵值变化很小，接近于等熵过程，可以采用多项式状态方程来模拟水中压力与密度和比内能的关系[5]。多项式状态方程，材料受压时（7）材料受拉或空化时状态方程为（8）式中1A、2A、3A、0B、1B、1T、2T为常数，/1refu，E为单位质量内能，E的计算方法为（9）式中是水的密度，h是水深，0P是大气压力。2.3边界条件在自由场工况下，AUTODYN计算中一般采用压力流出边界条件（flow-out），使冲击波在边界处能够透射出去，使用边界条件可以大大减小计算规模。但在计算中发现，因为计算水域与装药半径比值较大，压力流出边界条件不起作用，物质、压力在边界处堆积，冲击波会反射回来。为了解决这个问题，计算中采用透射边界条件（transmit）来替代压力流出边界条件。在模型中定义了透射边界条件、压力流入/流出边界条件后，材料就可以经过边界流入或流出，增加或带走部分能量，计算程序可能因能量不守恒而终止计算，因此在本计算中将能量守恒误差的容许值设为8%。在水面边界上定义了空物质，对水底沙采用AUTODYN软件自带的Sand材料模型。23123010PAuAuAuBBuE21200PTuTuBE00/()EghPB43数值计算结果分析3.1仿真计算工况及模型3.1.1自由水下爆炸自由场仿真计算工况如图3所示，1.5g炸药位于中心，周围是水，下部为沙，上部为空气，左右定义为透射边界条件，仿真计算有限元模型见图4所示。在实际建模中，考虑到模型的对称性，只需要建二分之一模型，然后进行映射。为验证仿真计算有效性及考察水下爆炸中冲击波传播特性及压力场分布情况，取40个点作为考察点，其中1到10号和11到20号考察点分别位于距爆源半径0.5m、0.7m的圆环上，从右边水平线开始，每个点相差10度；21到30号考察点和31到40号考察点分别位于水下0.3m和0.15m水平线上，每个考察点相距0.1m。图1自由场爆炸尺寸及测点布设Fig.1Dimensionandgaugepointsoffreefieldexplosion图2仿真计算的有限元图及考察点Fig.2FEMmodelforsimulationandthedistributionofgaugepoints3.1.2沉底爆炸沉底爆炸仿真计算工况炸药位于底部，周围是水，下部为沙，上部为空气，左右边及沙底定义为透射边界条件，仿真计算工况如图5所示，考察点的选取同自由场工况，有限元模型见图6。图3沉底爆炸尺寸及测点布设Fig.3Dimensionandgaugepointsof图4沉底爆炸考察点Fig.4Gaugepointssetinmodelforground5groundexplosionexplosion3.2仿真计算结果分析3.2.1水下自由场爆炸图5为炸药自由场爆轰后冲击波传播过程。从图中可以看出，在自由场情况下，冲击波沿各方向同性传播，在t=0.7ms时刻到达水面，发生水面反射。t=0.1mst=0.3mst=0.4mst=0.5mst=0.6mst=0.7ms图5炸药爆炸后冲击波传播过程Fig.5Propagationofshockwaveinthewaterafterexplosion图6为10号考察点的冲击波压力数值模拟时程曲线，图7为同等工况下该点的实测压力时程曲线。从两图中可以看出，计算结果和实测值衰减趋势相同；仿真计算压力峰值为9.38MPa、实测峰值为9.96MPa、理论计算峰值为10.28MPa，三者数值接近，可见仿真计算具有较高精度。实测的水下爆炸冲击波的波阵面是一个强间断面，因仿真计算中加入了人工粘性系数，因此仿真计算的冲击波前沿一般有一定的斜率；同时仿真计算有一定的能量耗散，使仿真计算结果比实测和理论值都要偏小[6-7]。图5显示，在水下自由场爆炸中，当冲击波到达水面前，冲击波沿各向同性传播。图8和图9进一步显示，1到10号、11到20号各考察点冲击波压力大小和到达时间基本相同，波形相似，即装药在自由场爆炸中，距爆源相同距离的半圆上各点冲击波到达时间与压力大小基本相同，波形相似，冲击波传播没有方向性。从图10、11可以看出，21到30号考察点随着爆距的增加，冲击波压力到达时间也增加，并且压力峰值也逐渐减少；31到40考察点也有相同规律，且随着爆距与爆深比值的增加逐渐出现了明显的水面截断效应。图610号考察点仿真计算冲击波Fig.6Pressurehistoryin#10gaugepoint图71.5g球形装药0.5m实测图Fig.7Pressurehistoryrecordedinexperimentof1.5gballcharge0.5mfaraway6图81到10号点仿真冲击波压力Fig.8Comparisonofpressurehistoryofgaugepointsfrom#1to#10insimulation图911到19号点仿真冲击波压力Fig.9Comparisonofpressurehistoryofgaugepointsfrom#11to#19insimulation图1021到30号点冲击波压力曲线Fig.10Comparisonofpressurehistoryofgaugepointsfrom#21to#30insimulation图1131到40号点冲击波压力曲线Fig.11Comparisonofpressurehistoryofgaugepointsfrom#31to#40insimulation3.2.2水下沉底爆炸图12为炸药沉底爆轰后