一種離散與預制組合破片戰(zhàn)斗部的數(shù)值模擬

王義磊，吳 越

(中北大學 機電工程學院，太原 030051)

【裝備理論與裝備技術】

一種離散與預制組合破片戰(zhàn)斗部的數(shù)值模擬

王義磊，吳 越

(中北大學 機電工程學院，太原 030051)

離散與預制組合破片戰(zhàn)斗部的殺傷元為圓弧桿破片與球破片，破片的不同形狀和不同參數(shù)都影響戰(zhàn)斗部的殺傷效果。運用ANSYS/LS-DYNA對該戰(zhàn)斗部進行了數(shù)值模擬。分析了破片的錯位排列和不同形狀對戰(zhàn)斗部爆炸形成破片的速率及形成破片的空間狀態(tài)的影響。模擬結果表明:圓弧桿破片的平均速率最大，球破片平均速率最??；由于破片的錯位排列及形狀的不同使戰(zhàn)斗部爆炸在有限的時間內任一時刻破片形成連續(xù)的不同半徑殺傷環(huán)的空間分布，即形成了類似于大碗倒扣在小碗上的 “體”殺傷。模擬結果可為戰(zhàn)斗部的設計提供有益的參考。

離散與預制組合破片戰(zhàn)斗部；圓弧桿；“體”殺傷；數(shù)值模擬

對于各類來襲的中、高空目標，最有效的防御武器是防空導彈，其精度高、射程遠、威力大。而防空導彈非核常規(guī)戰(zhàn)斗部有爆破式、多聚能裝藥、連續(xù)桿式、離散桿式、定向式、子母式、破片式等，而組合式破片戰(zhàn)斗部就是把幾種單一式破片組合形成一種戰(zhàn)斗部。這種戰(zhàn)斗部集中了幾種單一式破片戰(zhàn)斗部的優(yōu)勢。如破片式與離散桿式組合的戰(zhàn)斗部，這種組合戰(zhàn)斗部既繼承了破片式戰(zhàn)斗部對有生力量、輕、無裝甲目標等武器裝備的殺傷優(yōu)勢，又繼承了采用離散桿式防空反導戰(zhàn)斗部對空中大型目標(如飛機、導彈)毀傷能力進一步增大的優(yōu)勢。由于傳統(tǒng)的單段破片戰(zhàn)斗部在破片數(shù)量上以及對目標的擊中概率都不能滿足當今武器系統(tǒng)對目標的作戰(zhàn)要求，文中設計了一種離散與預制組合破片戰(zhàn)斗部，離散破片采用圓弧桿，預制破片采用球；并且圓弧桿破片位于該戰(zhàn)斗部上半部和預制破片位于該戰(zhàn)斗部下半部。同時融入了錯位技術，在破片總數(shù)不變的情況下，可進一步提高破片殺傷密度及殺傷概率。

運用有限元計算軟件ANSYS/LS-DYNA，結合Lagrange和ALE算法，對離散與預制組合破片戰(zhàn)斗部進行了數(shù)值模擬，分析了破片的速度及破片所形成的殺傷環(huán)的直徑、破片在空間的距離。數(shù)值模擬研究結果對防空反導戰(zhàn)斗部的結構設計可提供一定的依據(jù)。

1 離散與預制組合破片戰(zhàn)斗部計算結構模型及材料參數(shù)

1.1 計算結構模型

設計的離散與預制組合破片戰(zhàn)斗部結構簡圖見圖1，其計算模型見圖2。該離散與預制組合破片戰(zhàn)斗部簡化結構是由主裝藥、內襯、30°[1]的圓弧桿與球破片組成。其中主裝藥的直徑為74 mm，質量為1 095.9 g；內襯厚為3 mm，質量為281.4 g;藥柱高為140 mm；其中30°的圓弧桿的桿條截面直徑為5 mm，由圓環(huán)體的體積計算公式結合該戰(zhàn)斗部計算該截面直徑為5 mm，由12個30°的圓弧桿組成的圓環(huán)體的體積為5 243.2 mm3，那么該30°的圓弧桿的體積為436.9 mm3。為了便于比較，球體破片與30°的圓弧桿破片的體積相同，經(jīng)計算得知，球體破片的直徑為9.4 mm。30°的圓弧桿質量與球質量均為7.9 g。根據(jù)戰(zhàn)斗部的高度及直徑、圓弧桿的截面直徑、球體的直徑，經(jīng)計算得知該戰(zhàn)斗部上半部由14個圓環(huán)體組成，即每個圓環(huán)體是由12個30°的圓弧桿組成，圓環(huán)體與圓環(huán)體之間錯位5°排列[1]；由于球與30°的圓弧桿是相同體積根據(jù)戰(zhàn)斗部下半部的高度，則該戰(zhàn)斗部的下半部只能由7層球組成，每層球是由29個球周向相互錯位排列組成，相鄰球的中心與藥柱的中心軸之間的垂直連線之間的夾角為12.4°，相鄰球與球周向相互錯位角度為3.0°。

圖1 離散與預制組合破片戰(zhàn)斗部結構

圖2 該戰(zhàn)斗部計算模型

該戰(zhàn)斗部的計算模型由3個部分組成，即3個part。其中part 1為主裝高能炸藥，part 2為鋁內襯，part 3為14個圓環(huán)體和7層球破片；該戰(zhàn)斗部的計算模型的網(wǎng)格總數(shù)為310 272個，其中part 1的網(wǎng)格數(shù)為96 000個，part 2的網(wǎng)格數(shù)為12 000個，part 3的網(wǎng)格數(shù)為202 272個。

1.2 材料參數(shù)

建立全模型，為了避免單元發(fā)生畸變炸藥和空氣采用多物質ALE算法，鋁內襯、圓弧桿與球破片使用拉格朗日算法，并通過CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID關鍵字進行耦合。采用cm-g-μs單位制建模。其中主裝藥選用高能炸藥，模型為HIGH_EXPLOSIVE_BURN，采用JWL狀態(tài)方程描述爆炸中爆轟氣體產物的壓力、能量和體積膨脹特性。狀態(tài)方程表達式為

(1)

式中：ρ為炸藥密度；D為爆速；A、B、R1、R2、ω為炸藥的相關常數(shù)。以下表中相關參數(shù)RO為參數(shù)的密度，PCJ為Chapman-Jouget壓力，BETA為硬化參數(shù)，SIGY為屈服應力，E為彈性模量，PR為泊松比，DA為軸向阻尼因子，DB為撓度阻尼因子，K為粘滯模量，CP為空化壓力。炸藥材料的主要參數(shù)如表1所示。

表1 主裝藥的基本材料參數(shù)

在主裝炸藥與圓弧桿和球之間放置了3 mm厚的鋁內襯，采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型，鋁內襯的基本材料參數(shù)如表2所示。

表2 鋁內襯材料的主要參數(shù)

圓弧桿和球的材料采用鎢，采用MAT_ELASTIC材料模型，圓弧桿與球破片的基本材料參數(shù)如表3所示。

表3 圓弧桿和球材料的主要參數(shù)

空氣采用MAT_NULL空材料模型和EOS_LINEAR_POLYNOMIAL線性多項式狀態(tài)方程。取密度為1.293×10-3g/cm3。

1.3 起爆方式

兩端點起爆[4],即主裝藥的兩底面中心點為起爆點。

2 模擬結果及分析

2.1 兩端點起爆方式下破片部分飛散過程時刻狀態(tài)

圖3(a)～圖3(e)分別為在兩端點起爆方式下該組合破片戰(zhàn)斗部的殺傷元破片在15 μs、30 μs、45 μs、100 μs、145 μs時刻下的空間飛散狀態(tài)不同角度的視圖。

圖3 兩端點起爆破片部分飛散過程時刻狀態(tài)

2.2 分析

圖3為該戰(zhàn)斗部在兩端點起爆方式下的部分時刻的破片的空間分布圖。破片在爆炸驅動作用下，發(fā)生了徑向平動和轉動的合成運動。由圖3中的各個時刻的破片的空間分布圖可見隨著破片的飛散，戰(zhàn)斗部逐漸膨脹，在任一時刻戰(zhàn)斗部的破片都處于連續(xù)的不同半徑的殺傷環(huán)的空間分布，在圖3(a)時刻圖可見，兩起爆點剛剛起爆時不久戰(zhàn)斗部稍微膨脹并且破片周向比較密集的排列；而在圖3 (b)時刻圖可見戰(zhàn)斗部膨脹明顯，破片也開始沿徑向飛散，并且破片周向排列的密集度稍微變小。隨著時間的增大，破片的速度也逐漸增大，戰(zhàn)斗部也逐漸膨脹，并且破片周向排列的密集度逐漸變稀，如圖3(c)、圖3(d)、圖3(e)。當破片的速度達到某一速度不變，戰(zhàn)斗部膨脹到一定的程度時即達到一定的“體”殺傷域。以破片的速率不變?yōu)榛鶞?，破片的各種參數(shù)如表4所示。

表4 殺傷環(huán)的參數(shù)

由圖3結合表4分析可知，戰(zhàn)斗部中圓弧桿殺傷環(huán)直徑最小值為圓弧桿第一層，圓弧桿殺傷環(huán)直徑是隨著時間的增大先增大后減??；對于預制破片球的殺傷環(huán)直徑最小值為戰(zhàn)斗部最底一層球，由圖3也可知預制破片球的殺傷環(huán)直徑也是隨著時間的增大先增大后減??；圓弧桿殺傷環(huán)直徑的平均值大于預制破片球殺傷環(huán)直徑的平均值。由表4破片中心在y方向的距離范圍可知，破片在y方向距離不超過6 cm，則戰(zhàn)斗部近似表現(xiàn)為各層之間連續(xù)緊挨著半徑不同的空間分布體，這顯然增大了對目標的擊中概率和殺傷密度。由圖3還可知，與等體積的單段圓弧桿或者球破片戰(zhàn)斗部相比，無論從破片數(shù)量上還是從破片飛散的空間位置分布，該組合戰(zhàn)斗部都能更有效地攔截打擊目標，進一步提高對目標的命中概率及對目標的毀傷效果。

3 兩端點起爆方式下破片的速度分析

為了便于分析，按戰(zhàn)斗部從左到右的順序，選擇該戰(zhàn)斗部最右端各個破片上的一個單元，如圖4所示。通過LS-PREPOST繪制出兩端點起爆方式下破片的速度-時間歷程曲線，如圖5所示。

圖4 戰(zhàn)斗部最右端各個破片上的一個單元

圖5 兩端點起爆下破片的速率-時間歷程曲線

該戰(zhàn)斗部在炸藥的爆轟驅動下，其殺傷元破片最終的速率時間歷程曲線，如圖5所示，再結合圖4可知，最先穩(wěn)定破片為圓弧桿破片，其次為球破片；并且穩(wěn)定的時間都不到25μs；由圖4、圖5可見，可得兩端點起爆方式下該戰(zhàn)斗部破片速率參數(shù)，如表5所示。

表5 兩端點起爆下破片的速率參數(shù)

分析圖4、圖5及表5可知，圓弧桿、預制破片球的速率隨著時間的增大以及層數(shù)的增大先增大后減?。挥钟杀?中的平均值可知，圓弧桿的殺傷范圍大于預制破片球的殺傷范圍，圓弧桿對目標的毀傷效果強于預制破片球。

4 結論

利用有限元計算軟件ANSYS/LS-DYNA在兩端點起爆方式下，對離散與預制組合破片戰(zhàn)斗部進行了數(shù)值模擬。得出以下結論：

1) 該組合戰(zhàn)斗部的破片密度大，動能大，對目標的毀傷效果增大及對目標的擊中概率大，并且戰(zhàn)斗部中部對目標的擊中概率及毀傷效果最大。

2) 在兩端點起爆方式下，戰(zhàn)斗部在破片速率達到穩(wěn)定以后的任一時刻，均表現(xiàn)為類似于大碗倒扣小碗的“體”殺傷。

3) 兩端點起爆方式下，相同體積的兩種形狀破片的平均速率不同，最大的為圓弧桿破片；其次為球破片。破片速率大的，對命中目標的殺傷威力大。

4) 在兩端點起爆下，破片中心在y方向上之間的距離都不大于6 cm，這使形成的“體”殺傷縱向排列緊密，進一步增強了對目標的毀傷效果和殺傷密度。

[1] 梁增友,丁方超，陳智剛,等.桿條參數(shù)對聚焦式桿條戰(zhàn)斗部毀傷效能的影響[J].兵工學報,2013,33(S2):92-95.

[2] 阮喜軍，梁爭鋒，程淑杰.離散桿戰(zhàn)斗部相關技術研究進展[J].四川兵工學報，2014,35(10):52-56.

[3] 高淑萍，王志軍，孫華，等.結構參數(shù)對離散桿戰(zhàn)斗部效能的影響[J].兵器材料科學與工程，2013，36(3):80-83.

[4] 李龍俊,董素榮,陳秀文,等.不同起爆方式下離散桿戰(zhàn)斗部爆炸驅動桿條的數(shù)值研究[J].彈箭與制導學報,2009,29(4):103-105.

[5] 趙海鷗.LS-DYNA動力分析指南[M].北京：兵器工業(yè)出版社,2003:80-90.

[6] 時黨勇,李裕春，張勝民.基于ANSYS/LS-DYNA 8.1進行顯示動力學分析[M].北京：清華大學出版社,2005:184-199.

[7] 尹建平，王志軍.彈藥學[M].北京：北京理工大學出版社，2014:347-348.

(責任編輯周江川)

Numerical Simulation of Discrete and Prefabricate Compositedly Fragmentation Warhead

WANG Yi-lei, WU Yue

(School of Mechanical Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

The kill element of discrete and prefabricated combination fragment warhead are arc-shaped lever and spherical-debris. The wounding effects of the warhead is influenced by the fragment with its shapes and parameters. The warhead was simulated and analyzed by ANSYS/LS-DYNA. We analyzed the effects of derangement and different shapes of fragment to the velocity of the fragment formed by the warhead explosion and the fragment spatiality. Simulation shows that the average speed of arc-shaped lever is the fastest and the spherical-debris is the lowest; As derangement and various of shapes of the fragment, after explosion of the warhead, that will take shape continuous kill rings with different semi-diameters at any time within a set period of time. Then there reforming a “volume” wounding seems like a bigger upturned bowl on a smaller one. The result of numerical simulation can provide a useful reference for the design of the discrete rod combined warhead.

discrete and prefabricated fragment warhead; arc rod; “volume” wounding; numerical simulation

2016-07-22；

國家自然科學基金資助項目“爆炸作用下鋼箱梁縮尺模型響應特征及破壞機理研究”(51408558)

王義磊(1985—)，男，碩士研究生，主要從事戰(zhàn)斗部毀傷與技術研究。

吳越(1973—)，男，博士，副教授，主要從事高效毀傷與目標防護技術研究。

10.11809/scbgxb2016.12.009

王義磊,吳越.一種離散與預制組合破片戰(zhàn)斗部的數(shù)值模擬[J].兵器裝備工程學報，2016(12):38-41.

format:WANG Yi-lei, WU Yue.Numerical Simulation of Discrete and Prefabricate Compositedly Fragmentation Warhead[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(12):38-41.

TJ760.3

A

2096-2304(2016)12-0038-04

修回日期：2016-08-23