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基于SPH方法的舱室内爆毁伤效应数值分析

张镇国1,郭洪2

1.中国航天科技集团第四研究院第四十一所,西安710025;

2.中国特种设备检测研究院，北京，100029

摘要:为了分析穿甲武器在击穿舰船防护结构后，在舱室内部爆炸产生的毁伤效应，运用

ABAQUS有限元软件对舱室内爆毁伤过程进行了数值模拟。分析了炸药质量、炸点位置、舱

壁厚度以及舱室形状对毁伤效应的影响。模拟结果表明：不同舱室形状对毁伤效果影响较大，

半球形舱室的毁伤较为均匀；随着舱壁厚度的增加，舱室抵抗毁伤效应的能力增强；炸药质

量越大，爆炸产生的冲击作用越强，对舱室的毁伤更加严重；炸点位置不在舱室中心时，舱

室各部分的毁伤程度明显不同，距离炸点距离越近则毁伤更加严重。可为舰船防护及导弹炸

点位置的确定提供相应参考。

关键词:内爆；毁伤；ABAQUS；舱室；sph方法

1引言

随着导弹武器的发展，导弹战斗部可能穿透舰船的舱室防护板进入舱室内部爆炸，进而造

成严重的毁伤后果。为了指导舰船舱室防护装置的设计以及反舰导弹战斗部的设计，相关学者对

舱室内爆的毁伤效应做了广泛的研究。李伟等[1]进行了舱室内部爆炸的缩小模型试验，分析了告

诉破片和爆炸冲击波对舱室结构的联合毁伤效应。朱建方等[2]通过数值模拟，对比了有加强筋和

无加强筋下舱壁的毁伤特性。吴林杰等[3]研究了爆点位置对空中接触爆炸下加筋板破坏的影响。

目前的研究以试验形式为主，但试验成本高昂且周期较长，基于此本文采用ABAQUS软件对舱

室内爆炸产生的毁伤效应进行了模拟，ABAQUS软件具有强大的非线性分析能力，且可以方便

地采用sph粒子方法对爆炸这种大变形问题进行模拟。

2数值仿真模型建立

2.1几何模型及边界条件的建立

本文探讨了炸药质量、炸点位置、舱壁厚度以及舱室形状对毁伤效应的影响。舱室形状分

别选用圆形、圆柱形和方形，舱壁厚度采用10mm、20mm和30mm，对于炸药质量通过控制炸

药的体积变化来实现炸药质量的变化，炸点位置通过对炸药进行移动来实现。舱壁厚度、炸药质

量

图1.几何模型示意图

及炸点位置对毁伤效应的影响均采用下图1所示的几何模型来进行有限元仿真。在不影响计算结

果的条件下，为了建模方便和降低计算成本，采用完整模型的一半来进行仿真。由于本文采用

sph（光滑粒子动力学）方法模拟炸药在爆炸的极端瞬间时具有的大变形和高度非均匀的动力学

极端情形，在abaqus中模型需要设置通用接触条件，接触属性保持默认。边界条件采用对称边

界条件，设置U3=UR1=UR2=0。

2.2材料模型选取及参数设定

舱室选取材料为普通碳钢，材料损伤模型采用J-C本构，该模型可以很好的体现爆炸冲击效

应对舱室的影响，碳钢的密度设置为7850Kg/m3，弹性模量设置为200GPa，泊松比为0.3，J-C

本构参数设置为d1=0.25，d2=4.38，d3=2.68；材料塑性基于J-C本构参数A=376E6；B=525E6；

n=0.457。

炸药采用JWL状态方程来描述其力学行为，炸药在爆轰过程中的压力p为：

?=?[1+

?

]???1?1+?[1+

?1?1

?

]???2?1+

?2?2

?

?1

?0（1）

式中：p为爆轰压力；A,B,R1;R2,w为炸药材料常数；V1为相对体积；E0为单位体积内能。这

里我们设置炸药密度为1690Kg/m3，JWL本构参数设置为A=542.2GPa，B=7.678GPa，R1=4.2，

R2=1.1，Omega=0.34。

3数值仿真结果分析

3.1舱室内爆炸毁伤过程分析

根据有限元模型，对191.13KgTNT炸药在舱室中心爆炸进行模拟，舱室结构简化为半圆柱

型，其壁厚为0.04m。计算总时长设置为1??，得到舱室在不同时刻的毁伤效果如下如所示，

图示为Mises应力图。

a.t=0.22??b.t=0.25??

c.t=0.34??b.t=1.0??

图2.不同时刻的舱室Mises应力变化过程

由舱室内爆炸的全过程Mises应力变化图可以看出，炸药在舱室中心位置起爆后，大约经过

0.2??，爆炸产生的冲击波传播到舱室板壁上，受冲击之处的舱室板壁的Mises应力迅速增大到

7GPa以上，并且已经出现了材料损伤，一部分材料在冲击后脱落，如上图a所示，被冲击波影

响的区域已经出现了材料脱落导致的凹坑。随着冲击波与舱室板壁的相互作用，舱室的Mises

应力逐渐增大，变形损伤范围与变形程度也越来越大，可以看到冲击波强度已经超过材料的应力

极限，材料出现了大面积凹坑毁伤，随着冲击波与舱壁的反复作用，冲击波在