戰(zhàn)斗部破片形成的正交優(yōu)化研究

劉 鵬，李偉兵，李文彬，彭正午，劉永剛

(南京理工大學(xué)智能彈藥技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，南京 210094)

自然破片的形成與裝藥性能、殼體材料及起爆方式密切相關(guān)，其匹配的合理性，直接決定了破片數(shù)量以及破片的質(zhì)量分布。因此，研究裝藥、殼體材料及起爆方式的匹配關(guān)系，找到不同炸藥對(duì)應(yīng)的殼體材料和起爆方式的關(guān)系，對(duì)于提高榴彈戰(zhàn)斗部的殺傷威力至關(guān)重要。

國內(nèi)現(xiàn)有的殺傷爆破彈，其裝藥多采用TNT，根據(jù)TNT炸藥的相關(guān)性能，設(shè)計(jì)的殼體結(jié)構(gòu)參數(shù)(包括殼體材料性能、壁厚等)基本能滿足殺爆戰(zhàn)斗部的要求。隨著裝藥技術(shù)的發(fā)展，黑索金、奧克托金等二代炸藥將廣泛應(yīng)用于殺爆戰(zhàn)斗部，CL20等三代炸藥也將逐步應(yīng)用于殺爆戰(zhàn)斗部。嚴(yán)翰新等［1］通過仿真研究了預(yù)制破片戰(zhàn)斗部在不同起爆方式下破片的飛散特性，得出偏心起爆能使破片速度增益20.3%，飛散角和方向角基本一致;王樹山等［2－3］通過實(shí)驗(yàn)研究了偏心多點(diǎn)起爆戰(zhàn)斗部破片徑向飛散規(guī)律;陳朗等［4－6］采用非線性有限元流體動(dòng)力學(xué)方法對(duì)152 mm榴彈爆炸過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了在TNT和TNT/RDX兩種裝藥下殼體變形，破片速度和破片飛散距離，結(jié)果表明，TNT/RDX裝藥下的殼體破片速度比TNT裝藥提高大約18.5%。尚未有人用正交優(yōu)化法分析過殼體材料、裝藥種類、起爆方式對(duì)破片分布規(guī)律的影響。

本文運(yùn)用AUTODYN－3D軟件和基于Mott破片分布理論的Stochastic隨機(jī)破碎模型對(duì)自然破片戰(zhàn)斗部進(jìn)行了仿真研究來模擬彈丸爆炸形成破片的過程，使用給定的彈體材料，炸藥材料和起爆方式，運(yùn)用正交優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，研究這些因素對(duì)破片分布規(guī)律的影響以及優(yōu)化一種殺爆彈。

1 仿真模型及仿真方案

本文采用的仿真模型為圓筒模型，如圖1所示，圓柱形的戰(zhàn)斗部分為兩部分，殼體和炸藥。殼體的基本尺寸為:內(nèi)徑100 mm，外徑112 mm，厚度6 mm，軸向長度200 mm。仿真中各部分均采用Lagrange算法。在仿真計(jì)算中各部分的材料參數(shù)以及計(jì)算模型如表1所示。

圖1 戰(zhàn)斗部數(shù)值仿真模型

表1 殼體材料、炸藥及其狀態(tài)方程

2 仿真方案的正交優(yōu)化設(shè)計(jì)

要從3×3的影響因素里選出最佳匹配關(guān)系，一共要做27組仿真，不僅試驗(yàn)的次數(shù)多、費(fèi)時(shí)費(fèi)事，而且無法區(qū)分各因素對(duì)相應(yīng)指標(biāo)的影響的主次順序。因此本文選擇了能夠大幅度減少試驗(yàn)次數(shù)而且并不會(huì)降低試驗(yàn)可行度的正交實(shí)驗(yàn)法來進(jìn)行優(yōu)化。將形成的0.1～0.5 g的破片占破片總數(shù)的百分比、破片的平均速度、破片的最大速度和飛散角作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的的4個(gè)指標(biāo)。仿真選用三因素三水平正交表，根據(jù)殼體材料、裝藥種類和起爆方式，建立正交表2。

表2 正交設(shè)計(jì)各因素水平取值表

3 仿真結(jié)果及其分析

采用正交表L9來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，正交表的構(gòu)造及仿真計(jì)算結(jié)果如表3。

計(jì)算各水平下的K1、K2、K3、K4及極差值 S填入表4、5、6、7，其中極差S為同一列K/4中最大數(shù)減去最小數(shù)的值，即

為了便于綜合分析，現(xiàn)將各指標(biāo)隨因素水平變化的情況及用圖形表示出來，如圖2所示。

表3 正交表構(gòu)造及仿真計(jì)算結(jié)果

圖2 破片各指標(biāo)隨各因素的變化曲線

表4 方案及計(jì)算結(jié)果

從極差S可以得出:

1)裝藥對(duì)破片的平均初速以及最大初速影響最大，對(duì)飛散角以及0.1～0.5 g破片占破片總數(shù)的百分率影響都最小。由于要求提高破片的初速，所以選用爆速最大的8701炸藥;

2)殼體材料對(duì)破片飛散角以及0.1～0.5 g破片占破片總數(shù)的百分率影響最大，可以看到殼體材料選擇對(duì)破片的破碎性影響較大，所以選擇破碎性較好的4340鋼材料;

3)起爆方式對(duì)破片飛散角以及0.1～0.5 g破片占破片總數(shù)的百分率都是第二重要因素，對(duì)破片的平均初速以及最大初速為第三重要因素，但是要求要定向增加破片數(shù)，所以選取兩端起爆。

綜上所述，圓柱型戰(zhàn)斗部最優(yōu)方案為殼體為4340鋼，裝藥為8701炸藥以及起爆方式為兩端起爆。

4 優(yōu)化方案仿真計(jì)算分析

上述優(yōu)化方案并不在9組試驗(yàn)中，優(yōu)化方案的破片分布規(guī)律需要再次建模計(jì)算獲得。優(yōu)化方案為裝藥是8701炸藥，殼體材料為4340鋼和起爆方式為兩端起爆。破片分布選取是破片分布最佳的時(shí)候，破片分布如圖3所示，破片環(huán)向和軸向均破碎的較好，而且破片在中心處產(chǎn)生了一個(gè)明顯的環(huán)狀突起。經(jīng)計(jì)算破片的飛散角為43.58°。

對(duì)輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和計(jì)算得到破片的速度沿軸向的分布，如圖4，經(jīng)計(jì)算破片的平均速度為1 929 m/s，最大速度為2 573 m/s。然后根據(jù)破片的質(zhì)量，統(tǒng)計(jì)出破片數(shù)量的質(zhì)量分布，如圖5，可以看到1 g以下的破片的數(shù)量較多，0.1～0.5 g破片數(shù)占破片總數(shù)的百分比為30.77%。

圖3 破片分布

圖4 破片沿軸向的速度分布

圖5 破片質(zhì)量的分布

比較9組試驗(yàn)和優(yōu)化方案可知，優(yōu)化方案的戰(zhàn)斗部定向的增加了中心處的破片數(shù)和破片初速。

5 結(jié)束語

利用正交設(shè)計(jì)和數(shù)值仿真相結(jié)合的方法對(duì)圓柱型裝藥戰(zhàn)斗部形成的破片各參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果表明正交優(yōu)化方法是戰(zhàn)斗部優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效方法;通過極差分析，得到了殼體材料、裝藥種類、起爆方式3種因素對(duì)破片的質(zhì)量分布、平均速度、最大速度和飛散角的影響主次關(guān)系，結(jié)果表明殼體材料是確定質(zhì)量分布的主要因素，而裝藥類型是確定破片的平均速度、最大速度和飛散角的主要因素;正交優(yōu)化得到了殼體為4340鋼，裝藥為8701炸藥以及起爆方式為兩端起爆時(shí)形成的破片各指標(biāo)最佳，仿真結(jié)果可為今后的圓柱型戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

［1］ 嚴(yán)翰新，姜春蘭，李明，等.不同起爆方式對(duì)聚焦戰(zhàn)斗部性能影響的數(shù)值模擬［J］.含能材料，2009，17(2):143－146.

［2］ 王樹山，馬曉飛，隋樹元，等.偏心多點(diǎn)起爆戰(zhàn)斗部破片飛散實(shí)驗(yàn)研究［J］.北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，21(2):177－179.

［3］ 李翔宇，盧芳云.三種類型戰(zhàn)斗部破片飛散的數(shù)值模擬［J］.火炸藥學(xué)報(bào)，2007，30(1):44 －48.

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［6］ 梁斌，盧永剛，楊世全，等.不同殼體裝藥爆炸威力的數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究［J］.火炸藥學(xué)報(bào)，2008，31(1):6－15.

［7］ 侯曠怡，何正文，張新偉.戰(zhàn)斗部破片群初速、壓力測試方法［J］.四川兵工學(xué)報(bào)，2012(4):28－30.

(責(zé)任編輯周江川)