1 引言
随着潜艇结构的优化和各种高性能耐压壳体材料的采用，潜艇的防护能力越来越强。为了能够提高我国反潜实力，增强反潜鱼雷对潜艇目标的破坏效果，需要对鱼雷的终点毁伤情况进行研究，评估鱼雷战斗部的毁伤效应。
研究表明：传统爆破型战斗部能量利用率低，而使用聚能型战斗部的鱼雷能够有效毁伤目标[1]，目前其已被广泛应用于各种反潜鱼雷战斗部的工程设计中。李明星[2]采用AUTODYN-2D软件分别研究形成普通射流、杆式射流和爆炸成型弹丸的3种聚能战斗部对核潜艇作用过程的数值仿真并分析了3种战斗部的毁伤效果。李兵[3]利用AUTODYN中的SPH方法研究半球罩聚能战斗部对典型潜艇舱段的毁伤，得到了射流速度衰减规律以及潜艇结构的毁伤特性，并通过试验证明了仿真结果的可信性。刘念念[4]采用AUTODYN中的CEL算法(耦合欧拉-拉格朗日)模拟聚能战斗部侵彻舰船侧舷结构的过程，证明了CEL算法与试验结果能够较好的吻合。周方毅[5]设计了一种双球缺组合药型罩的聚能战斗部，利用LS-DYNA软件数值仿真得到了靶板应变云图以及射流速度曲线，得出其能够增强对目标的破坏。张小静[6]采用AUTODYN-2D中的Euler算法研究药型罩材料对圆锥-球缺组合药型罩射流成型的影响，采用射流速度、长度、射流质量以及侵深作为评价标准，得出铜作为锥罩材料时，射流侵彻能力最好，能够较好的毁伤潜艇目标。
本文基于AUTODYN软件研究反潜鱼雷聚能战斗部对典型潜艇目标的毁伤效应问题，进行了典型潜艇靶板毁伤试验及数值仿真验模，在此基础上分析了3种聚能战斗部结构对典型潜艇目标的毁伤情况，可为反潜鱼雷作战效能评估提供技术支撑，为反潜鱼雷战斗部的设计与研制奠定理论基础。
2 典型潜艇靶板毁伤试验及数值仿真验模
为保证数值仿真研究结果的可信性，首先进行典型潜艇靶板毁伤试验，并针对试验工况进行仿真建模计算，进而验证数值仿真模型的准确性。
2.1 典型潜艇靶板毁伤试验
聚能战斗部对潜艇壳体的毁伤主要表现为壳体局部的聚能穿孔与变形损伤，为反映该毁伤效应特征建立带空气背舱的圆板靶结构如图1所示，迎爆面圆板材料采用921A钢，厚度根据潜艇耐压壳体厚度进行1/4缩比取为9.4 mm，靶体直径为1 m，高1 m。
战斗部结构尺寸为φ 72 mm×134 mm，装药采用注装B炸药，装药量为775 g，药型罩采用球缺型结构，厚度为2.7 mm，材料为紫铜，聚能战斗部实物如图2所示。战斗部前端安装套筒，用来模拟鱼雷战斗部前端的空气舱，套筒垂直固定于靶板迎爆面中央(如图1所示)，以保证炸高及作用方位，炸高取136 mm。
图1 单层靶板实物图
Fig.1 Single-layer target structure
图2 聚能战斗部实物图
Fig.2 Shaped warhead entity
试验采用铝箔片制成的通断靶测试射流头部速度。测速靶实际测得的速度为两靶间的平均速度，由于捕捉射流的测速靶间距较小，安装间距误差会导致测速结果不准确。因此，为提高测试精度，采用4组通断靶测试，并通过最小二乘法对测得的4个时间-位移点进行线性拟合，拟合直线的斜率即为速度。测速靶如图3所示，每组通断靶由两张相互绝缘的铝箔片粘贴而成，4组通断靶通过3块15 mm厚的泡沫板粘接(靶间距即为15 mm)，整个测速靶安装于战斗部套筒底部，可捕捉射流头部触靶前的速度。为了避免试验结果的偶然性，对该工况进行两发试验。
图3 测速靶实物图
Fig.3 Measuring velocity entity
2.2 典型潜艇壳体数值仿真
2.2.1 数值仿真模型
在AUTODYN软件中建立与试验模型尺度、使用材料完全相同的数值仿真模型，为了提高计算效率，首先建立二维数值仿真模型如图4所示，战斗部采用顶端中心起爆，药型罩、装药、水和空气等模型采用欧拉算法，水域设置FLOW-OUT边界条件，在二维仿真计算中，当射流头部接近靶板时，采用AUTODYN软件中的映射技术，提高了计算精度并减少了计算时间，将此时的射流、空气以及爆炸产物映射到三维模型，如图5所示，潜艇靶板厚度为9.4 mm，靶板、射流和水等采用1/4模型，其中靶板和射流采用拉格朗日算法，爆炸产物和水域等采用欧拉算法，采用流固耦合算法保证拉格朗日和欧拉单元能够相互作用。
图4 二维数值仿真模型示意图
Fig.4 Two-dimensional numerical simulation model
图5 映射后的三维数值仿真模型示意图
Fig.5 Three-dimensional numerical simulation model after mapping
2.2.2 数值仿真材料
数值仿真采用的材料如表1所示，其中潜艇壳体采用Principal Strain失效模型，且包含随机失效模型。
2.3 结果对比分析
聚能战斗部毁伤潜艇靶板的试验与数值仿真结果如图6、图7所示。
从图6中可以看出，聚能战斗部对潜艇壳体的毁伤表现在壳体中心形成穿孔破坏，之后在爆炸产物和水压等共同作用下，能够加剧潜艇壳体的破坏使靶板产生向内的凹陷变形，最大的变形挠度位于靶板中心处，靶板边缘翘起，出现褶皱。对比图6和图7可以发现，数值仿真中靶板的破坏形态与试验的破坏形态近似相同。
表1 仿真计算应用的材料模型参数
Table 1 Material model for simulation calculation application
名称材料密度/(g·cm-3)状态方程强度模型潜艇壳体921A[7]7.8SHOCKJohnson-Cook药型罩COPPER8.93SHOCKSteinberg Guinan装药COMP B1.717JWL空气AIR0.001 225Ideal Gas水WATER1.0Polynomial
图6 聚能战斗部对单层靶标破坏的试验结果实物图
Fig.6 Test result of damage to single-layer target board by shaped warhead
图7 聚能战斗部对单层靶标破坏的仿真结果图
Fig.7 Simulation result of damage to single-layer target board by shaped warhead
对靶板毁伤效应特征参数进行测量，在试验中2次靶板的穿孔孔径平均为26.2 mm，而仿真中测量的穿孔孔径为27.8 mm，以圆靶中心为坐标原点，测量得到靶板变形挠度如图8所示。
图8 试验和数值仿真中靶板变形挠度曲线
Fig.8 Curve of deformation and deflection of target plate in experiment and numerical simulation
从图8中可以看出，在试验中，靶板圆心处产生的变形挠度最大为150.3 mm，距离靶板圆心越远，其产生的变形挠度越小，数值仿真结果中靶板凹陷挠度的变化规律与试验类似，但仿真中靶板圆心挠度略小于试验数值为138.5 mm，两者的误差在15%的范围内。
在试验中采用4组断通靶用3个等厚度的泡沫板粘在一起，测量得到了4个时间数据，采用最小二乘法对4个测点数据的时间与距离关系进行线性拟合，得到的拟合直线斜率即为测试的射流头部速度。试验和数值仿真中得到的射流头部距离和时间的关系曲线如图9。
图9 试验和仿真结果中射流头部距离和 时间关系曲线
Fig.9 The relationship curve between jet head position and time in test and simulation results
从图9中可以看出，试验测得的射流头部速度为3 987 m/s，仿真得到射流头部速度为3 863 m/s，两者的误差在15%范围内。
综上所述，综合对比试验和数值仿真中靶板的毁伤形态以及破口尺寸、凹陷挠度以及射流头部速度等数据，可以得出毁伤试验和数值仿真的结果吻合较好，建立的数值仿真模型及选取的仿真参数具有较高的可信性，可以用于研究反潜鱼雷战斗部对潜艇目标毁伤的数值仿真研究。
3 反潜鱼雷战斗部对潜艇毁伤的数值仿真
根据目前典型反潜鱼雷战斗部结构[8]，建立其二维数值仿真模型，在此基础上设计2种新型战斗部结构分别为：圆锥+球缺药型罩结构的战斗部和双球缺药型罩结构的战斗部如图10所示，3种战斗部均装填B炸药，装药量相同为35 kg，药型罩材料为紫铜，厚度为8 mm，鱼雷战斗部前端的自导系统保证了聚能战斗部的炸高，在其内部填充空气，3种战斗部炸高相同为320 mm。
采用验证后的数值仿真材料参数，分别进行3种聚能战斗部对典型潜艇目标的毁伤数值仿真计算。仿真结果表明：在炸高一致时，3种聚能战斗部的侵彻体接触到目标时侵彻体的速度分布和形态如图11所示、质量分布如图12所示。
图10 3种药型罩结构的反潜鱼雷战斗部仿真结果图
Fig.10 Anti-submarine torpedo warheads with three types charge liner structure
图11 3种侵彻体的速度分布和形态仿真结果图
Fig.11 Velocity distribution and morphology of the three infiltrating bodies
从图11和图12可以发现，圆锥+球缺组合药型罩形成的侵彻体头部速度最大为4 608 m/s，双球缺组合次之，球缺最慢为4 040 m/s。圆锥+球缺组合形成的侵彻体前部细长，容易拉断，后部杵体质量大，但没有侵彻能力，导致药型罩的利用率不高，有效射流转化率仅为16.4%，而对于双球缺组合药型罩来说，侵彻体的速度梯度不大，射流不易拉断，质量分布较为均匀，药型罩利用率最高，有效射流转化率为19.2%。3种聚能战斗部均能穿透典型潜艇目标的壳体，侵彻体头部速度随时间的变化规律如图13所示。
图12 3种侵彻体的质量分布曲线
Fig.12 The mass distribution of the three infiltrating bodies
图13 3种侵彻体头部速度曲线
Fig.13 The head velocity of three infiltrating bodies changes with time
对于组合药性罩来说，小药型罩形成的侵彻体能够为大药型罩形成的侵彻体开辟空间，增大对壳体的破坏效果，从图13中可以看出，在侵彻耐压壳过程中，射流头部速度不断呈减小趋势，之后趋于一个稳定值，圆锥+球缺组合和双球缺组合药型罩聚能战斗部侵彻靶板后的速度明显大于球缺药型罩的聚能战斗部，因此组合药型罩可增强侵彻后的后效，进而提高毁伤能力。同时圆锥+球缺组合药型罩头部速度衰减的最大近700 m/s，而球缺药型罩速度衰减的最小仅为400 m/s，可见侵彻体在侵彻过程中，组合药型罩的侵彻体在侵彻过程中损耗较大。
采用破孔尺寸和变形挠度表征潜艇毁伤时，含有球缺药型罩的聚能战斗部使潜艇壳体产生破孔直径为102.4 mm，且在破口中心处产生最大的挠度变形为202.5 mm。3种战斗部中，圆锥+球缺组合使潜艇壳体产生的破孔直径最小为87.5 mm，而双球缺组合药型罩与球缺药型罩产生破孔直径相当，但潜艇壳体在3种战斗部的爆炸产物及水压作用下所产生凹陷变形量几乎一致。
4 结论
1) 建立了反潜鱼雷对典型潜艇毁伤的数值仿真模型。该模型仿真结果与经典型潜艇靶板毁伤试验结果吻合度较好，有较高的可信度。
2) 数值仿真结果表明：反潜鱼雷聚能战斗部可以使潜艇壳体产生直径为102.4 mm侵彻孔，并在水下爆破作用下使壳体产生大面积凹陷变形，在破孔处产生最大变形挠度为202.5 mm，可为评估反潜鱼雷对典型潜艇目标的毁伤效应提供参考。
3) 与球缺型药型罩相比，相同装药量下，圆锥+球缺组合药型罩形成的侵彻体头部速度最大，但杵体质量大，药型罩利用率低；双球缺组合药型罩质量分布均匀，射流形态好，有效射流转化率高。
4) 本文研究结论对新型鱼雷聚能战斗部设计具有重要参考价值，为提高反潜鱼雷作战能力提供了新的研究思路。
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