彈丸殼體和身管破壞效應仿真

王鑠，李東陽，劉海濤，朱洪濤，趙然，翟宏昌

（1.軍械工程學院，石家莊 050003；2.軍械技術研究所，石家莊 050003；3.中國人民解放軍66440部隊，石家莊 050081；4.中國人民解放軍75407部隊，廣東 湛江 524100）

膛炸是指火炮在發射過程中，由于發射系統自身的原因，使炮身和彈藥受到嚴重破壞的現象。它不僅毀壞武器，而且還傷及武器的使用者。由于膛炸事故的特殊性，很難通過試驗的方法再現。

LS-DYNA 作為世界上著名的通用顯式動力分析程序，特別適合求解各種二維、三維非線性結構的高速碰撞、爆炸和金屬成形等非線性動力沖擊問題。由于LS-DYNA程序具有強大的數值模擬功能，在國防領域有廣泛的應用，比如侵徹過程與爆炸成坑模擬分析、軍用結構和設備受碰撞和沖擊加載的結構動力分析、介質中爆炸及爆炸作用的全過程模擬分析等。

國內學者利用試驗、仿真等手段，對內部炸藥爆轟加載下金屬圓柱殼的破壞效應進行了研究[1—2]，對不同起爆方式下，戰斗部的威力進行了實驗和模擬研究[3—4]，但是大多數的研究重點在于提高戰斗部威力等方面。

筆者采用ANSYS/LS-DYNA 有限元程序，建立簡易膛炸模型，分別采用不同的裝藥和起爆方式對膛炸的破壞效應進行了三維仿真。

1 計算模型與算法

1.1 計算模型的建立

仿真模型如圖1 所示，彈丸殼體內徑為40 mm，壁厚為5 mm，長為200 mm；身管內徑為60 mm，壁厚為5 mm，長為200 mm；TNT 炸藥模型直徑為40 mm,長為150 mm（如圖1a 所示），分為2 段時，各段長為70 mm（如圖1b 所示）；空氣模型直徑為300 mm，長為200 mm。為了直觀地觀察到彈丸殼體和身管各部分變形情況，將所有的物體都選擇為三維實體單元，建立1/4 實體模型，采用映射法進行網格劃分，并對整個模型加載軸向約束，采用cm-g-μs單位制建模。

1.2 計算方法

膛炸屬于接觸爆炸問題，模擬過程中使用固流耦合方法計算炸藥對彈丸殼體和身管的破壞作用，炸藥和空氣使用歐拉算法，彈丸殼體和身管使用拉格朗日算法，二者通過耦合的方式產生作用。該算法的優點是炸藥和流體材料（空氣）在歐拉單元網格中流動，不存在單元的畸變問題，并且通過流固耦合方式來處理相互作用，能方便地建立爆炸模型。彈丸殼體和身管之間采用侵蝕面面接觸。

2 材料模型

2.1 炸藥

炸藥使用*MAT_HIGN_EXPLOSIVE_BURN 和*EOS_JWL 關鍵字定義；炸藥的起爆點和起爆時間用*INITIAL_DETONATION 關鍵字定義。炸藥的相關參數為：密度（ρ）、爆速（D）、爆壓（p）。JWL狀態方程如式（1）：

式中：e為爆轟產物比內能；V為爆轟產物比容；A，B，R1，R2，ω為描述JWL方程必須的5個獨立物理常數。炸藥有關參數見表1（采用cm-g-μs單位制，下同）。

表1 TNT炸藥相關參數Table 1 Parameter of TNT

2.2 空物質

炸藥爆炸時，需要通過介質才能形成爆炸沖擊波并進行傳播，因此，在進行爆炸分析時，必須給炸藥提供能量傳輸的介質，才能對金屬圓柱殼做功。筆者采用空氣作為能量傳輸的介質，使用*MAT_NULL 和 *EOS_LINERA_POLYNOMIAL 關 鍵字定義。空氣材料模型中相關參數為：密度（ρ）、初始比內能（e0）、初始比容（V0）。空氣狀態方程見下式：

式中：p 為空氣壓力；ρ0為初始密度；C0—C6為空氣狀態方程中的7個獨立物理常數。空氣相關材料參數見表2。

表2 空氣相關參數Table 2 Parameter of air

2.3 彈丸殼體和身管

文中彈丸殼體和身管材料均采用45 鋼，使用*MAT_JOHNSON_COOK 和 *EOS_GRUNEISEN 關 鍵字定義，相關參數見表3。

表3 45鋼相關參數Table 3 Parameter of 45#steel

3 結果分析

用圖1中a，b所示仿真模型，按以下4種方案進行仿真：1）150 mm 1 段裝藥、端面中心點起爆；2）150 mm 1段裝藥、中心點起爆；3）70 mm 2段裝藥、炸藥中間兩端面中心點順次起爆；4）70 mm 2 段裝藥、炸藥由端面中心點起爆。圖2 為4 種方案中彈丸和身管的破壞過程仿真結果。

由于裝藥和起爆方式不同，彈丸和身管的破壞過程和最終破壞效應存在著差異。破壞過程的差別主要表現在膨脹起始位置、斷裂起始位置、裂紋擴展方向以及橫向斷裂位置等方面；破壞效應的差別主要表現在彈丸和身管破片數量和大小等方面。由于膛炸事故的主要危害在于對人員和裝備的破壞，而且裝備損壞情況是對膛炸事故原因進行分析的重要依據。因而，文中將著重對身管的破壞效應進行分析。

圖3 為4 種方案中身管的破壞效應仿真結果。從圖3中可以看出，由于裝藥和起爆方式不同，身管破片的大小、數目和形狀有很大的不同。利用仿真得到的身管破片單元信息，通過編制破片統計程序，對4 種方案中破片質量分布進行了統計，統計結果見表4。

表4 身管破片質量分布Table 4 Mass distribution of the gun barrel piece

通過對比4種方案中身管破片的質量分布可以得出：身管破壞程度主要取決于參加爆轟的炸藥質量，而起爆位置對破壞程度的影響作用較小。因此，可以通過身管破壞程度判斷膛炸事故中炸藥爆轟是否完全，即判斷膛炸類型是全爆還是半爆，從而為膛炸事故原因分析提供依據。

4 結論

1）建立了合理的模型，采用ANSYA/LS-DYNA程序對膛炸現象進行了仿真。

2）仿真結果表明，彈丸殼體和身管在不同裝藥和起爆條件下，開始斷裂的位置、斷裂狀態、破片大小和數量等破壞效應之間存在差別。

3）裝藥量相同時，中間起爆比端面起爆破壞嚴重、破片數量多、小質量破片數量多；起爆位置相同時，裝藥不挖空比挖空破壞嚴重。

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