周向毀傷線性聚能戰斗部威力的仿真＊

付 璐，尹建平，王志軍，劉 敏

（1中北大學機電工程學院，太原030051；2國營732廠，山東淄博255201）

0 引言

線性成型裝藥是聚能裝藥的一種。線性成型裝藥起爆后，金屬罩在爆轟產物作用下，形成高速的平面金屬射流切割刀，實現對目標的切割，故又稱為聚能切割器。這種技術從20世紀60年代開始被廣泛應用于宇航和軍事領域，用于目標的鏟除或精確破壞，如摧毀建筑物、反車輛、排雷等[1]。在戰場上，利用線性爆炸成型彈丸破壞并炸毀一定距離內相互連接的帶刺鐵絲網、通電防護墻等防護設施達到削弱對方防御能力的目的[2]。基于此應用，文中開展了線性聚能裝藥結構的研究，提出一種能夠實現周向毀傷的戰斗部結構。

1 戰斗部結構

文中所述新型戰斗部結構如圖1所示，其主要結構參數有5個，即藥型罩內曲率半徑R1、外曲率半徑R2、裝藥高度h、裝藥長度b和裝藥寬度L。它是在傳統的線性成型裝藥的基礎上，通過改變裝藥結構，由殼體通過釬焊、粘合或者邊緣嚙合而互鎖的方法將4個獨立的藥型罩沿著它們的邊緣裝配到一起組合而成。

文中討論的結構模型參數：藥型罩采用變壁厚設計，內曲率半徑R1＝52mm，外曲率半徑R2可變；裝藥高度h＝60mm；裝藥長度b＝60mm；裝藥寬度L＝14mm；起爆方式為裝藥中心線起爆。

圖1 戰斗部結構

2 仿真計算及算法

圖2為戰斗部結構的有限元模型，采用多物質流固耦合格式來模擬裝藥的爆轟、藥型罩的壓垮和線性爆炸成型彈丸的形成過程，且Euler網格范圍足以覆蓋爆轟產物和爆炸成型彈丸流動的空間。網格單元選用Solid164八節點六面體單元，模型共劃分了343281個節點，323600個單元。單元算法采用多物質ALE算法[3]，計算中采用的單位制為 mm－kg－ms。

圖2 戰斗部結構有限元模型

2.1 藥型罩和殼體的材料模型

藥型罩和殼體材料選用紫銅，采用Johnson－Cook模型和Gruneisen狀態方程來描述動態響應過程以及高應變下的材料變形問題。材料參數[4]見表1。

表1 藥型罩和殼體材料參數

2.2 炸藥材料模型及狀態方程

裝藥選用 HIGH＿EXPLOSIVE＿BURN高能炸藥材料模型和JWL狀態方程。JWL狀態方程精確描述了在爆炸驅動過程中爆轟氣體產物的壓力、體積、能量特性，表達式為：

式中：peos為來自于狀態方程的炸藥爆轟產物壓力；P為炸藥單元所釋放的壓力；F為炸藥燃燒質量分數；V為爆轟產物相對體積；E為爆轟產物單位體積的內能；A、B、R1、R2和w 為輸入參數。采用8701炸藥，材料參數[4]見表2。

表2 炸藥材料參數

2.3 空氣材料模型及狀態方程

空氣材料選用流體模型MAT＿NULL，狀態方程為線性多項式：EOS＿LINEAR＿POLYNOMIAL，并在邊界節點上施加壓力流出邊界條件，避免壓力在邊界上的反射。材料參數[4]見表3。

表3 空氣材料參數

3 數值模擬及方案優化

3.1 線性EFP成型的數值模擬

當主裝藥起爆以后，前進的爆轟波陣面在炸藥外廓所提供的空穴處漸漸壓垮金屬藥型罩，隨后傳入藥型罩內在其內表面反射拉伸。t＝20μs時，空腔內的材料相互擠壓、碰撞，使得它們的平均速度得到提高，促使罩體翻轉；t＝40μs時，罩體金屬向軸線聚集，出現徑向收縮；t＝60μs時，由于罩體上靠近軸線處與邊緣處部位存在著速度梯度，使罩體不斷變形，產生徑向收縮和軸向拉長。隨著爆轟波的繼續推進，藥型罩兩端面繼續向軸向收攏，最終罩體在軸向拉伸及徑向擠壓作用下形成密實的線性爆炸成型彈丸，如圖3所示。

圖3 線性爆炸成型彈丸成型過程仿真結果

從圖4可以清楚看出藥型罩內壁質點先于藥型罩外壁質點被加速，而后者速度幅值比前者大，速度的變化反應了擠壓與拉伸共同作用過程。在t＝80μs以后內外壁質點速度趨于一致，線性爆炸成型彈丸成型過程基本結束。形成的線性爆炸成型彈丸能夠完成預期設想，沿著4個方向穩定飛行，達到周向毀傷的目的，如圖5所示。

圖4 藥型罩內外壁質點速度歷程曲線

3.2 線性爆炸成型彈丸的優化設計

圖5 戰斗部成型整體結果

文中在固定藥型罩內曲率半徑、裝藥長度、裝藥高度和裝藥寬度的條件下，對藥型罩罩頂厚和外曲率半徑參數進行數值仿真計算。數值仿真計算得到了藥型罩外曲率半徑、罩頂厚兩參數對爆炸成型彈丸速度影響規律，從中獲得5個線性爆炸成型彈丸方案，將仿真計算得到的線性爆炸成型彈丸速度和動能作為優化設計評定指標。表4給出了5個線性爆炸成型彈丸方案的結構參數和速度穩定時刻（t＝80μs）的結果數據。

表4 戰斗部結構參數及結果數據表

對于爆炸成型彈丸在裝藥長度、裝藥高度和裝藥寬度一定時，爆炸成型彈丸對目標的侵徹威力主要由其自身動能大小決定[5]，由上表可以看到，隨著外曲率半徑的增大，藥型罩頂厚在增加，同時線性爆炸成型彈丸的速度在減小，動能在降低。方案1中，形成的線性爆炸成型彈丸頭部和尾部由于速度梯度的原因，出現斷裂現象，如圖6所示，影響了對目標的毀傷效能；方案2～5中，形成的線性爆炸成型彈丸均未出現斷裂現象，飛行穩定時速度相比方案1有所降低。綜合考慮線性爆炸成型彈丸成型和動能最大準則，確定方案2為優化方案，如圖7所示。

圖6 方案1線性爆炸成型彈丸飛行姿態

圖7 方案2線性爆炸成型彈丸飛行姿態

從計算結果可以看出藥型罩曲率半徑、壁厚與線性爆炸成型彈丸成型之間的關系：

1）藥型罩曲率半徑的變化將引起爆轟波陣面作用于藥型罩位置的改變，導致藥型罩材料流動方向的變化，從而影響線性爆炸成型彈丸的成型。

2）對于藥型罩壁厚，直接影響線性爆炸成型彈丸頭部速度大小，而且罩壁厚不宜太薄或太厚，太薄會使線性爆炸成型彈丸出現拉斷現象，太厚會使藥型罩翻轉困難，速度降低，得不到形態良好的線性爆炸成型彈丸，這些在設計時需要加以重視。

4 結論

1）與傳統的線性聚能裝藥相比，在爆炸載荷作用下，該新型戰斗部形成線性爆炸成型彈丸的破壞效應可以作用到相同距離的四個方向，實現周向毀傷，進而提高了目標的破壞率。該戰斗部可用來摧毀建筑物、破壞防護網、反車輛等目標，并具有一定的毀傷效果。

2）綜合考慮線性爆炸成型彈丸成型和動能最大準則，該戰斗部在爆炸載荷作用下形成的線性爆炸成型彈丸形態良好，具有很好的氣動性且穩定時具有一定的速度，有利于侵徹目標。

3）藥型罩曲率半徑、壁厚對線性爆炸成型彈丸的成型和速度影響較大。在內曲率半徑一定的情況下，隨著外曲率半徑的增大，藥型罩頂厚在增加，形成的線性爆炸成型彈丸的速度在減小，動能在降低。

[1]A C Robinson，M G Vigil.An analytical－experimental comparison of 150and 220grain per foot liner shaped charge performance，DE87－014217[R].1987.

[2]Alford Roland，Alford Sidney.Explosive charge，US 2010／0018427A1[P].2010.

[3]時黨勇，李裕春，張勝明.基于 ANSYS／LS－DYNA 8.1進行顯示動力分析[M].北京：清華大學出版社，2005.

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[5]王樹有，蔣建偉，門建兵.準球形爆炸成形彈丸形成過程的仿真計算與實驗驗證[J].系統仿真學報，2009，21（15）：4863－4865.