一种反舰导弹战斗部爆炸缩比模型构建方法与流程

1.本发明涉及一种反舰导弹战斗部缩比模型构建方法，属于爆炸毁伤、防护技术领域。


背景技术：

2.反舰导弹一直以来具有高度隐蔽和精准打击的特点。在近些年的发展过程中，反舰导弹已经可以实现掠海飞行和避开雷达探测，其战斗部的装药当量也在不断提高。反舰导弹的破坏性非常强烈，战斗部爆炸后通常会产生冲击波和高速破片这两种毁伤性载荷。这种爆炸冲击通常能够对舰船产生灾难性破坏，造成设备毁坏、舰船沉没、人员伤亡等严重的后果。
3.反舰导弹主要类型为半穿甲类型，该类型的导弹进入到大型水面舰艇舱室内部爆炸毁伤的物理过程和相关的防护机理非常复杂。该过程涉及炸药爆轰、燃烧、材料动态复杂应力状态下的失效、舱室结构在耦合载荷下的动塑性响应、水的碎裂相变等多学科交叉问题，具有非常重要的科研价值。
4.目前的一些研究主要为反舰导弹战斗部舱内爆炸是通过电磁加载等方式研究低速膨胀碎裂规律和柱壳结构在内爆情况下的破片质量分布规律以及壳体膨胀断裂的应变率规律等。这些研究都为反舰导弹战斗部舱内爆炸导弹缩比模型构建方法提供了理论基础。目前的舰船舱内爆炸载荷冲量测量装置通常为机械传感器、冲击波超压测量系统和最大压力传感器系统。通过反舰导弹战斗部舱内爆炸实验得到传感器测量数据，通过计算机处理计算快速评估得到爆炸载荷冲量，为该方法提供设计依据。
5.由于反舰导弹具有结构复杂、成本高昂的特点，对于防护设计和导弹打击设计等问题来说，将会导致无法多次实验来获取数据改善性能。最好的解决方案是通过计算机模拟仿真。在计算机模拟仿真过程中，反舰导弹本身结构过于复杂，涉及壳体材料、炸药数量、和空气等多种介质的流体固体耦合问题，在建模和有限元分析的过程中将会耗费大量的计算资源和时间，并且由于有限元方针的过程中受到网格大小的影响较大，其精确度和可靠性很难得到验证。因此急需一种方案来实现反舰导弹既能够简便地通过计算机仿真又能保持其原有的各项特性。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种反舰导弹战斗部爆炸缩比模型构建方法，基于战斗部等效裸装炸药的大小，根据能量守恒计算得到战斗部极限膨胀半径，以及根据不同温度下的材料实验得出材料的泊松比参数，从而确定材料选型；根据所述参数进行等效缩比计算，根据等效缩比计算结果构建反舰导弹战斗部爆炸缩比模型。本发明能够实现在仿真模拟中简化导弹模型的同时保持原有特性，减弱一些非必要因素对仿真预测的影响，使仿真预测更加简便，结果更加准确。本发明能够节约实验成本，提高人员安全性，能够为相关武器战斗部或防护结构等设计及优化提供方便快捷且可靠的参考依据。
7.本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
8.本发明公开的一种反舰导弹战斗部爆炸缩比模型构建方法，包括如下步骤：
9.步骤一，战斗部装药爆炸后，爆轰产物的内能和动能及高速破片动能最终均转化为准静态气压作用到结构上，通过测量准静态压力计算等效裸装药大小；
10.步骤二，忽略爆炸产物的绕流效应导致的能量损失，通过能量守恒原理，计算得到战斗部的极限膨胀半径；
11.步骤三，根据战斗部的失效形式来确定壳体的径厚比；
12.步骤四，根据不同温度、不同应变率、多种应力下的材料断裂实验选择合适的材料模型；
13.步骤五，依据步骤一得到的等效裸装药大小、步骤二得到的极限膨胀半径、步骤三得到的壳体的径厚比、步骤四确定的材料，以及根据舱内爆炸载荷的特征参数冲击波超压峰值δp、冲量i和准静态压力p
qs
与炸药自身特性、空气特性、结构与材料和位置参数，通过冲量相似律和比例定律、量纲分析法来完成反舰导弹战斗部爆炸缩比模型构建。
14.还包括步骤六：根据步骤五构建的反舰导弹战斗部爆炸缩比模型，预测反舰导弹战斗部爆炸缩比模型爆炸的力学特性，支撑相关武器战斗部或防护结构设计及优化。
15.步骤一所述通过测量准静态压力计算等效裸装药大小的方法为；
[0016][0017]
式中：m
ebc
为战斗部冲击波压力载荷计算等效tnt当量，kg；m
charge
为战斗部实际装药量的tnt当量，kg；m
case
为战斗部壳体质量，kg。
[0018]
高速破片初始速度v0计算公式为：
[0019][0020]
式中：m
s
为战斗部壳体质量，e为战斗部装药的特征能量。
[0021]
战斗部的装药的特征能量e为：
[0022][0023]
d为战斗部的装药爆速；
[0024]
进一步地，步骤一中所需要的的战斗部等效裸装药大小w为：
[0025][0026]
式中：e
fk
为破片的总动能，e
total
为战斗部装药总内能。
[0027]
步骤二所述的战斗部极限膨胀半径r0通过下列等式解出：
[0028][0029]
式中：ρ
f
和h
f
分别为战斗部材料密度和壳体厚度，ρ
e
为装药密度，r0为战斗部壳体
的初始半径。
[0030]
步骤三所述根据战斗部的失效形式来确定壳体的径厚比：
[0031][0032]
根据战斗部内部膨胀环变形后期的应力状态和微观损伤断裂机理，
[0033]
以及产生的拉伸和剪切破坏形式来确定步骤三所需要的径厚比：
[0034][0035]
式中：r和r分别为战斗部膨胀后的外径和内径。通常情况下破坏包括延性颈缩破坏、复合损伤和剪切损伤。
[0036]
步骤四，根据不同温度、不同应变率、多种应力下的材料断裂实验选择合适的材料模型；
[0037]
进一步地，材料变形通常分为四个典型阶段，整体塑性阶段、稳定径缩阶段、局部径缩发展阶段、最终碎裂阶段。根据这四个阶段的变形得到材料的弹性极限、抗拉强度、屈服应力参数，从而计算得到材料的杨氏模量或泊松比，进而确定步骤四所需要的材料。
[0038]
步骤五，依据步骤一得到的等效裸装药大小、步骤二得到的极限膨胀半径、步骤三得到的壳体的径厚比、步骤四确定的材料，以及根据舱内爆炸载荷的特征参数冲击波超压峰值δp、冲量i和准静态压力p
qs
与炸药自身特性、空气特性、结构与材料和位置参数，通过冲量相似律和比例定律、量纲分析法反舰导弹战斗部爆炸缩比模型构建。
[0039]
(1)炸药方面参数：炸药质量w、炸药密度ρ
e
、单位质量炸药爆炸释放的能量e、膨胀产物绝热指数γ
e
；
[0040]
(2)空气参数：初始状态压力p0、空气密度ρ
a
、空气绝热指数γ
a
；
[0041]
(3)结构参数：舱室长l、宽b、高h；
[0042]
(4)位置参数：迎爆面与炸药的距离r。
[0043]
以长度l、质量m和时间t为基本量纲、各物理参数的量纲如表1。
[0044]
表1舱内爆炸载荷特征量量纲
[0045][0046]
进一步地，根据π定律，冲击波压力与有关影响因素的表达式为：
[0047]
δp＝f(w,ρ
e
,e,γ
e
,p0,γ
a
,l,b,h,ρ
a
,r)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0048]
去除无量纲量等因素影响，简化为：
[0049]
δp＝f(w,ρ
e
,e,p0,l,b,h,ρ
a
,r)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0050]
以w、ρ
e
和e为基本量，(8)表达成无量纲式
[0051][0052]
缩比模型和原模型的炸药类型、战斗部壳体材料和空气的参数均相同，则
[0053]
(γ
e
,γ
a
,ρ
e
,e,p0,ρ
a
)＝const
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0054]
则式(9)简化为
[0055][0056]
根据相似率，若要使战斗部缩比模型爆炸超压δp
m
与原模型爆炸超压δp
p
相等，则要满足：
[0057][0058]
式中，下标p表示原型，下标m表示模型。由比例定律可知压力满足如下关系
[0059]
δp
p
＝δp
m
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0060]
冲量的相似率为：
[0061][0062]
同样地，根据比例定律可以得到
[0063][0064]
采用相似的分析方法，通过量纲分析的方法得到
[0065]
p
qsp
＝p
qsm
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)
[0066]
完成反舰导弹战斗部爆炸缩比模型构建。
[0067]
有益效果
[0068]
1、反舰导弹仿真分析中的准确性和真实性很难得到保证，但是全尺寸的反舰导弹实验成本高昂，难度较大，耗时久。本发明公开的一种反舰导弹战斗部爆炸缩比模型构建方法，通过理论推导计算得到反舰导弹战斗部炸药的等效和壳体的等效模型，实现通过缩比模型的试验取代全尺寸导弹的试验，降低实验成本和难度，缩短实验周期。
[0069]
2、本发明公开的一种反舰导弹战斗部爆炸缩比模型构建方法，基于战斗部等效裸装炸药的大小，根据能量守恒计算得到战斗部极限膨胀半径，以及根据不同温度下的材料实验得出材料的泊松比参数，从而确定材料选型；后根据所述参数进行等效缩比计算，根据等效缩比计算结果构建反舰导弹战斗部爆炸缩比模型。
[0070]
3、本发明公开的一种反舰导弹战斗部爆炸缩比模型构建方法，能够实现在仿真模拟中简化导弹模型的同时保持原有特性，减弱一些非必要因素对仿真预测的影响，使仿真预测更加简便，结果更加准确。本发明能够节约实验成本，提高人员安全性，能够为相关武器战斗部或防护结构等设计及优化提供方便快捷且可靠的参考依据。
附图说明
[0071]
图1是本发明的一种反舰导弹战斗部爆炸缩比模型构建方法的流程图。
[0072]
图2是根据本构建方法构建的缩比战斗部模型实物图。
具体实施方式
[0073]
结合附图1可以直观了解本缩比模型的具体步骤，按照其中步骤进行实施就可以完成反舰导弹战斗部舱内爆炸导弹缩比模型构建。下面结合半穿甲单舰导弹实例解释说明本发明，实例仅用于解释，并不限定于本发明。
[0074]
本实施例，一种半穿甲单舰导弹战斗部舱内爆炸导弹缩比模型构建，首先通过测量和实验获得一些列所需要的参数，通过五个步骤一步一步计算说明。首先将空气简化为理想媒介，声波在空气传播中不存在耗散，空气声速与密度始终保持不变，分别假设为346m/s、1.185kg/m3。参照原有的模型分别建立1/2、1/3、1/4、1/5、1/6、1/8、1/10缩比的模型。以1/3缩比比例的缩比模型为例。
[0075]
如图1所示，本实施例公开的一种反舰导弹战斗部爆炸缩比模型构建方法，具体实现步骤如下：
[0076]
步骤1，根据战斗部装药爆炸后，爆轰产物的内能和动能及高速破片动能最终均转化为准静态气压作用到结构上，通过测量准静态压力计算等效裸装药大小；战斗部爆炸破片质量为0.055kg，战斗部爆炸破片初速2000m/s，战斗部破片飞散角度3.5
°
，从而计算出战斗部等效tnt当量200kg，冲击波压力载荷计算tnt当量125kg。
[0077]
步骤2，膨胀碎裂过程中假定膨胀初速度为100m/s，整个膨胀过程包括了四个阶段，(1)整体塑性阶段(0～18.03μs)：随着膨胀环膨胀，整体均匀变形，并发生产生较大塑性，塑性温升可达到204k。(2)稳定颈缩阶段(18.03μs～25.2μs)：局部区域塑性变形急剧增加，并形成一系列颈缩；非颈缩区域的塑性变形停止，温度不再升高(3)局部颈缩发展阶段(25.2μs～29.4μs)：随着时间的推移，部分颈缩区域快速发展，温度升高进一步加快；一部分颈缩则由于相邻快速发展颈缩区形成的卸载波，使得塑性变形受到抑制(arrested necking)，并最终成为破片中的残余颈缩；(4)最终碎裂阶段(29.4μs以后)，局部断口形成，碎裂形成阶段。忽略爆炸产物的绕流效应导致的能量损失，通过能量守恒原理，计算得到战斗部的极限膨胀半径为0.8m；
[0078]
步骤3，战斗部的失效形式主要为剪切失效，损伤形式为复合损伤，材料发生延性扩孔破坏和剪切损伤均存在的复合损伤，从而来确定壳体的径厚比为0.33；
[0079]
步骤4，选定为室温下材料模型，根据已经给定的材料参数可以得到半穿甲单舰导弹长度为0.9m，杨氏模量为200gpa，泊松比为0.25，将这些参数设定导入abaqus，用于仿真分析测试。
[0080]
步骤5，将所得到的参数带入冲量相似律公式和比例公式中，通过计算可以将模型缩小为0.2m，比之前尺寸缩小三倍，误差约为3.5％。各个比例的缩比模型实验结果如附图2所示，实验结果与仿真结果基本吻合。考虑到实验测试的精度误差，计算结果与文献中的实验值吻合较好，能够满足工程应用的需要。理论上来说该方法提供的缩比准则可以适用于任何缩比比例下的模型试验，缩比倍数越大，节省的费用越多。但是在实际试验和仿真分析中，随着缩比倍数增加，外界参数变化较大，这将会影响试验精度，增大误差。而且随着缩比倍数的增加，模型尺寸逐渐减小，加工制造的难度将会增加，材料的强度等参数也会受到影响，因此在实际试验中还是要选择合适的缩比比例。
[0081]
步骤6：根据步骤5构建的反舰导弹战斗部爆炸缩比模型，预测反舰导弹战斗部爆炸缩比模型爆炸的力学特性，支撑相关武器战斗部或防护结构设计及优化。
[0082]
本发明能够简化较为复杂实验，现有的缩比构型检验、搜集相关实验参数用于其他研究等。
[0083]
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。