一种半穿甲战斗部综合毁伤威力测量装置及评价方法

技术领域

本发明涉及舰船毁伤和防护技术领域，尤其是一种半穿甲战斗部综合毁伤威力测量装置及评价方法。

背景技术

半穿甲反舰导弹依靠动能侵彻进入舰船内部爆炸，形成的多种复合载荷可对舰船结构及设备耦合毁伤，是当前水面舰船面临的主要威胁。与敞开环境相比，舱室内爆对舰船结构的毁伤更为复杂，破坏效应更为明显。一方面舱室内爆过程中形成的载荷种类众多，既包含瞬态的强冲击载荷及壁面反射载荷，又包括由爆轰产物膨胀及后续燃烧引起的准静态压力载荷，还包括战斗部壳体自然破碎形成的高速破片群载荷。另一方面舱室结构的损伤变形又会进一步影响载荷，结构的损伤变形与载荷存在很强的耦合关系。

试验是研究半穿甲战斗部毁伤威力最有效的方式，当前阶段，国内外的学者针对半穿甲战斗部开展了较多的试验研究，针对战斗部的高速破片群载荷，利用破碎性试验开展了战斗部破片速度、质量分布、飞散特性研究；针对战斗部压力载荷，通常开展裸药的舱室内爆试验，研究了冲击波、准静态压力等载荷特性。现有的研究基本将半穿甲战斗部的载荷进行单独研究，鲜有试验装置可同时测量半穿甲战斗部的破片群载荷、冲击波压力载荷、准静态压力载荷等；另一方面，由于半穿甲战斗部形成的载荷种类较多，既有高速破片群的点打击毁伤，又有冲击波压力、准静态压力的面打击毁伤，目前阶段尚未有具体的指标可用于定量比较半穿甲战斗部的综合毁伤威力。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种半穿甲战斗部综合毁伤威力测量装置及评价方法，通过该测量装置可同时将待测战斗部的破片群载荷、冲击波压力载荷、准静态压力载荷的重要参数全部测出，解决了传统试验难以同时测量带壳战斗部多毁伤载荷的大难题。且通过试验与理论相结合的方式提出的评价方法综合考虑了待测战斗部的各个载荷毁伤影响，给出了综合毁伤威力评估模型，解决了现阶段难以比较不同半穿甲战斗部综合毁伤威力定量比较的大难题。

本发明的技术方案如下：

第一方面，本申请提供了一种半穿甲战斗部综合毁伤威力评价方法，包括如下步骤：

根据测量得到的破片群载荷沿轴向方向的初始速度v

根据测量得到的冲击波压力载荷I

将待测战斗部的等效冲击波压力载荷装药量M

根据破片毁伤空间体积半径R

其中，i为传感器测点，k

其进一步的技术方案为，根据测量得到的破片群载荷沿轴向方向的初始速度v

将破片群载荷沿轴向方向的初始速度v

根据爆炸当舱破片分布密集度函数确定爆炸当舱各结构的破片密集分布区域半径r

根据θ＝2arctan(R

式中，v

其进一步的技术方案为，根据测量得到的冲击波压力载荷I

取测量得到的冲击波压力载荷I

参照冲击波冲量计算公式，根据比例爆距

其进一步的技术方案为，根据测量得到的准静态压力载荷P

取测量得到的准静态压力载荷P

参照准静态压力计算公式，根据爆炸当舱舱室体积V

其进一步的技术方案为，将待测战斗部的等效冲击波压力载荷装药量M

假设爆炸当舱的长宽高三个方向的长度均放大α，采用基于能量法建立的冲击波压力载荷、准静态压力载荷耦合作用下爆炸当舱各结构的整体变形计算公式w＝w

其中，w

其进一步的技术方案为，w

w

联立E

式中，E

其进一步的技术方案为，该方法还包括：

逐次改变等效准静态压力载荷装药量M

第二方面，本申请还提供了一种半穿甲战斗部综合毁伤威力测量装置，包括：待测战斗部、舰船靶标舱室、多普勒光纤探针、冲击波压力传感器、准静态压力传感器、破片收集板和计算机；舰船靶标舱室包括上舱室、下舱室，以及沿上舱室上下甲板的横向和纵向延伸设置的过渡段，待测战斗部、多普勒光纤探针、冲击波压力传感器和准静态压力传感器均布置于上舱室内，破片收集板布置在下舱室的下甲板上以及两相对过渡段的外侧，用于收集待测战斗部内爆产生的破片；计算机对测量得到的破片质量、破片群载荷沿轴向方向的初始速度、冲击波压力载荷和准静态压力载荷进行处理时，实现如第一方面所述的方法的步骤；

其中，过渡段的外侧是指与该过渡段垂直连接的舱壁的相对侧。

其进一步的技术方案为，多普勒光纤探针围绕待测战斗部设置，用于测量待测战斗部内爆形成的破片群载荷沿轴向方向的初始速度；冲击波压力传感器布置在舱内四周，且分别位于与待测战斗部距离一致的位置，冲击波压力传感器头均指向待测战斗部并与战斗部轴心处于同一高度位置，用于测量待测战斗部内爆形成的冲击波压力载荷；准静态压力传感器靠近舱内六个面布置，用于测量待测战斗部内爆形成的准静态压力载荷；其中，战斗部轴心与上舱室甲板平行。

其进一步的技术方案为，上舱室、下舱室均包含上下甲板、四周舱壁和加筋；对于上舱室，其上甲板厚度大于下甲板厚度，且上下甲板的纵向加筋间距为横向加筋间距的2.5倍，前后舱壁的加筋间距与上下甲板的纵向加筋间距一致，左右舱壁的加筋间距与上下甲板的横向加筋间距一致；过渡段长度不低于上舱室的纵向加筋间距。

本发明的有益技术效果是：

1)本申请通过试验与理论相结合的方式提出的评价方法综合考虑了待测战斗部的各个载荷毁伤影响，给出了综合毁伤威力评估模型，可为后续战斗部综合毁伤威力的定量比较提供支撑；

2)本申请设计的综合毁伤威力测量装置可同时测量待测战斗部的破片群载荷的初始速度、冲击波压力载荷、准静态压力载荷等重要参数，有效提高了试验效率；

3)本申请设计的综合毁伤威力测量装置中上舱室的变形可不受其他结构的干扰，并保证了边界的连续性，上舱室的变形毁伤充分反映了待测战斗部的综合毁伤效果，试验结果的可信度高。

附图说明

图1是本申请提供的半穿甲战斗部综合毁伤威力测量装置示意图。

图2是本申请提供的半穿甲战斗部综合毁伤威力评价方法流程图。

图3是本申请提供的爆炸当舱结构破片击穿孔痕迹处理示意图。

图中：1-待测战斗部，21-上舱室，22-下舱室，23-过渡段，3-多普勒光纤探针，4-冲击波压力传感器，5-准静态压力传感器，6-破片收集板，201-舱室上甲板，202-舱室下甲板，203-舱室左舱壁，204-舱室右舱壁，205-加筋。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

如图1所示，本实施例提供了一种半穿甲战斗部综合毁伤威力测量装置，包括待测战斗部1、舰船靶标舱室、多个多普勒光纤探针(DPS)3、冲击波压力传感器4、准静态压力传感器5、破片收集板6和计算机。

其中，舰船靶标舱室为双舱室结构，包括上舱室21、下舱室22，以及沿上舱室21上下甲板的横向和纵向延伸设置的过渡段23，待测战斗部1、多普勒光纤探针3、冲击波压力传感器4和准静态压力传感器5均布置于上舱室21内，破片收集板6布置在下舱室22的下甲板202上以及两相对过渡段23的外侧，用于收集待测战斗部内爆产生的破片，从而得到破片群载荷的质量分布；其中，过渡段23的外侧是指与该过渡段23垂直连接的舱壁的相对侧。具体的，上舱室21、下舱室22均包含上甲板201、下甲板202、前后舱壁(图中未示出)、左舱壁203、右舱壁204和加筋205，加筋205安装在甲板及舱壁上。对于作为爆炸当舱的上舱室201，为了防止待测战斗部内爆造成上甲板201破坏，设计上甲板厚度大于下甲板厚度，前后舱壁厚度一致，左右舱壁厚度一致，舱室纵向长度为舱室高度的6倍，横向宽度为舱室高度的4倍，上下甲板的纵向加筋间距为横向加筋间距的2.5倍，前后舱壁的加筋间距与上下甲板的纵向加筋间距一致，左右舱壁的加筋间距与上下甲板的横向加筋间距一致；还设计过渡段长度不低于上舱室21的纵向加筋间距。

可选的，舰船靶标舱室结构为船用钢加工制作，优选945钢、921钢；破片收集板6优选松木板。

其中，多普勒光纤探针3围绕待测战斗部1设置，主要围绕战斗部壳体柱身一定距离处布置多个轴向测点，用于测量待测战斗部内爆形成的破片群载荷沿轴向方向的初始速度。冲击波压力传感器4布置在舱内四周，且分别位于与待测战斗部1距离一致的位置，冲击波压力传感器头均指向待测战斗部1并与战斗部轴心处于同一高度位置，用于测量待测战斗部内爆形成的冲击波压力载荷，以计算带壳战斗部的等效冲击波压力载荷装药量M

可选的，试验时将待测战斗部1放置在上舱室1正中心，战斗部轴心与上舱室甲板平行，战斗部头部可以随意指向任何位置。

计算机对测量得到的破片群载荷的破片质量、初始速度、空间及密度分布，还有冲击波压力载荷和准静态压力载荷进行处理，执行半穿甲战斗部综合毁伤威力评价方法，以获取待测战斗部1的综合毁伤威力指标。

上述测量装置能同时测量待测战斗部内爆炸形成的破片群载荷、冲击波压力载荷、准静态压力载荷，可用于定量比较半穿甲战斗部的综合毁伤威力，为后续战斗部综合毁伤威力的定量比较提供支撑。其中，破片群载荷的初始速度分布通过DPS测量得到、质量分布通过松木板收集的破片质量获取、空间及密度分布通过爆炸当舱的破片击穿孔洞获取，冲击波压力载荷和准静态压力载荷则分别通过冲击波压力传感器、准静态压力传感器获取。

如图2所示，本实施例还提供了一种半穿甲战斗部综合毁伤威力评价方法，包括如下步骤：

步骤1：根据测量得到的破片群载荷沿轴向方向的初始速度v

步骤1.1：战斗部破片群载荷数据分析。

获取破片群载荷沿轴向方向的初始速度v

破片群载荷的空间及密度分布是通过勘测爆炸当舱各结构的破片击穿孔洞与战斗部相对位置获取，如图3所示，破片的空间分散角度计算如下：

其中，i为传感器测点，n为测点总数，d为战斗部与爆炸当舱结构之间的垂直距离，h为破片击穿孔洞与战斗部投影到爆炸当舱结构位置之间的距离；爆炸当舱各结构包括舱室的上下甲板和四周舱壁，共六个结构。

以待测战斗部在爆炸当舱各结构的投影位置为圆心，统计各结构面上的破片分布数量与对应的分布区域半径r，通过拟合得到两者之间的关系作为爆炸当舱破片分布密集度函数。

对收集回收的破片进行称重，采用Weibull公式拟合得到破片的质量分布模型，从而得到破片质量m

步骤1.2：将测点平均值v

式中，d

步骤1.3：根据爆炸当舱破片分布密集度函数确定爆炸当舱各结构的破片密集分布区域半径r

步骤1.4：如图3所示，针对垂向的击穿范围，可假设外围的甲板按照与爆炸当舱参数一致的甲板进行等间距分布，左右舱壁(即纵向舱壁)可按照与前后舱壁的间距进行分布，前后舱壁(即横向舱壁)可按照左右舱壁的间距进行分布，根据θ＝2arctan(R

步骤2：根据测量得到的冲击波压力载荷I

取测量得到的冲击波压力载荷I

参照冲击波冲量计算公式，根据比例爆距R反推等效TNT装药量，作为待测战斗部的等效冲击波压力载荷装药量M

步骤3：根据测量得到的准静态压力载荷P

取测量得到的准静态压力载荷P

参照准静态压力计算公式，根据爆炸当舱舱室体积V

步骤4：将待测战斗部的等效冲击波压力载荷装药量M

步骤4.1：基于能量法建立冲击波载荷、准静态压力载荷耦合作用下爆炸当舱各结构的整体变形计算公式。

a.在冲击波压力载荷作用下，爆炸当舱各结构的整体变形计算公式如下：

联立式(1)、(2)求解出冲击波压力载荷作用下爆炸当舱各结构的整体变形最大挠度，记为w

b.在准静态压力载荷作用下，爆炸当舱各结构的整体变形计算公式如下：

联立式(3)、(4)求解出准静态压力载荷作用下爆炸当舱各结构的整体变形最大挠度，记为w

c.将w

式(1)-(4)中，E

步骤4.2：对等效准静态压力载荷装药量M

若爆炸当舱的甲板、舱壁出现整体撕裂破坏，逐次改变等效准静态压力载荷装药量M

步骤4.3：假设爆炸当舱的长宽高三个方向的长度均放大α，采用步骤4.1中建立的两种载荷耦合作用下的爆炸当舱各结构的整体变形计算公式，计算爆炸当舱各个结构的整体变形刚好达到临界撕裂破坏的放大系数α′，结构的临界撕裂破坏的条件为：当叠加后的整体变形最大挠度总和w超过结构短边跨距b的20％时，视为该结构边界发生撕裂破坏。

取六个方向发生临界撕裂破坏时的长度平均值作为结构毁伤空间体积半径R

其中，L

步骤5：根据破片毁伤空间体积半径R

P＝k

其中，k

则各个半穿甲战斗部的综合毁伤威力可定量通过P进行比较。

下面给出上述装置及方法的具体实施例，上舱室21结构中的上甲板厚度为12mm，横向加筋间距为0.5m，纵向加筋间距为1.25m，加筋尺寸为

待测战斗部1：战斗部壳体质量为150kg，装药量为100kgTNT，弹径为400mm，壳体厚度为20mm；

待测战斗部2：战斗部壳体质量为100kg，装药量为150kgTNT，弹径为400mm，壳体厚度为16mm。

战斗部1破片平均质量m

战斗部2破片平均质量m

破片毁伤空间体积计算：战斗部1形成的破片毁伤空间体积半径R

结构毁伤空间体积计算：战斗部1内爆下结构毁伤空间体积半径R

半穿甲战斗部综合毁伤威力评估，其中战斗部1内爆下综合毁伤指标为：

P

其中战斗部2内爆下综合毁伤指标为：

P

综合对比可看出，待测战斗部2的综合毁伤威力相较待测战斗部1更强。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。