相對速度對隨進戰斗部影響的仿真研究

張樂源，李永勝，王偉力，宋之勇，白連建，王海生

(1.海裝重慶局，重慶 402760;2.海軍航空工程學院 兵器科學與技術系，山東 煙臺 264001;3.中國人民解放軍92514部隊，山東 煙臺 264001)

0 引言

串聯戰斗部的毀傷機理是利用前級成型裝藥壓潰藥型罩，形成金屬射流或EFP對目標進行毀傷;后級戰斗部隨進侵徹與爆破，從而對硬目標、艦艇、人員、裝備等造成高效的毀傷。對于串聯戰斗部，第1級裝藥量較大，2級間距較小，第1級爆炸會對第2級產生重要的影響［1－5］。這些影響主要包括以下幾方面:

1)爆炸后形成的空氣沖擊波超壓對第2級戰斗部的作用，沖擊波超壓可能損壞第2級彈體，甚至可能引爆第2級裝藥;

2)空氣沖擊波和爆轟產物直接作用在第2級彈體上，產生較大的沖量，結果會使第2級戰斗部的速度降低，并且可能引起第2級戰斗部姿態的改變，從而使第2級戰斗部不能順利穿進由第1級戰斗部爆炸在目標靶上所侵徹的孔洞內。

本文針對王偉力、李永勝［1－2］等設計的用于串聯戰斗部的環形切割器，運用ANSYS/LS－DYNA軟件，對在不同的前后級相對速度條件下，該環形切割器對隨進戰斗部的影響進行數值仿真，為串聯戰斗部隔爆結構設計提供依據。

1 環形切割器和隨進戰斗部結構和材料模型

1.1 環形切割器和隨進戰斗部結構模型

環形切割器和隨進戰斗部的結構設計如圖1所示。數值計算時不考慮由于零件制造、裝配等造成的不對稱性，不考慮其他部件的影響。模型假設:1)環形切割器的炸藥、藥型罩、殼體，空氣和隨進戰斗部的殼體、炸藥為均勻連續介質;2)整個爆炸過程為絕熱過程;3)忽略重力的作用。

圖1 環形切割器和隨進戰斗部結構設計Fig.1 The structural design of annular cutter and following warhead

為研究處于不同隨進狀態的隨進戰斗部受環形切割器起爆后空氣沖擊波作用的響應規律，根據實際需要采用ANSYS/LS－DYNA軟件，建立“環形切割器+隨進戰斗部”的串聯戰斗部模型，根據對稱性，為簡化計算采用1/4模型，如圖2所示。其中隨進戰斗部與環形切割器的相對速度v分別為0 m/s，300 m/s，600 m/s。

模型由環形切割器的炸藥、藥型罩、殼體、空氣、隨進戰斗部殼體及炸藥6部分組成。將環形切割器炸藥、藥型罩、殼體和空氣4種材料采用Euler網格單元劃分，在計算中單元使用多物質ALE算法，克服了單元嚴重畸變引起的數值計算困難的問題。隨進戰斗部的殼體和裝藥2種材料采用Lagrange網格單元劃分。

為保證計算的精確可靠性，在空氣域四周設置透射邊界，避免沖擊波在空氣域邊界反射造成的誤差。對于整個模型，在對稱面上施加對稱約束。空氣域四周設置透射邊界，起爆方式為環形起爆，爆轟波按非直線方式傳播。計算時間為200 μs，并記錄環形切割器及周圍空氣域和隨進戰斗部加速度、速度、壓力等參數。

圖2 環形切割器和隨進戰斗部仿真模型Fig.2 The simulation model of annular cutter and following warhead

1.2 環形切割器和隨進戰斗部材料模型

表1 空氣材料參數Tab.1 Air material parameters

表2 B炸藥材料參數Tab.2 B explosive matlrial parameters

表3 殼體鋼材料的參數Tab.3 The case steel material parameters

表4 藥型罩紫銅材料參數Tab.4 Liner copper material parameters

2 不同相對速度對隨進戰斗部影響的數值計算結果

探討環形切割器起爆后對不同相對速度 (v=0 m/s，v=300 m/s，v=600 m/s)的隨進戰斗部加速度、速度、壓力等的影響。

2.1 v=0 m/s時

1)隨進戰斗部加速度曲線如圖3所示。從圖中可以看出，隨進戰斗部受到前級聚能裝藥產生的加速度從沖擊波到達隨進彈頭部開始，當沖擊波陣面到達隨進戰斗部錐體中段時，戰斗部加速度最大值為3.18×105m/s2;當沖擊波陣面掃過隨進戰斗部錐體和柱體結合部附近時，加速度逐漸下降，加速度持續作用時間較長，約為60 μs。

圖3 隨進戰斗部加速度變化曲線 (v=0 m/s)Fig.3 The acceleration curve of following warhead(v=0 m/s)

2)隨進戰斗部速度變化曲線如圖4所示。從圖中可以看到，隨進戰斗部受沖擊波作用為120 μs達到向后運動的最大速度為12.6 m/s。

圖4 隨進戰斗部速度變化曲線 (v=0 m/s)Fig.4 The velocity curve of following warhead(v=0 m/s)

3)隨進戰斗部殼體最大主應力為1164 MPa，如圖5所示。最大應力出現在戰斗部頂端附近一個面區域內;隨進戰斗部裝藥最大壓力出現在裝藥的頂端，且最大壓力為690.7 MPa。

2.2 v=300 m/s時

圖5 隨進戰斗部殼體和裝藥表面最大壓力 (v=0 m/s)Fig.5 The maximum pressure of following warhead and charge surface(v=0m/s)

1)隨進戰斗部加速度曲線如圖6所示。從圖中可以看出，隨進戰斗部受到前級聚能裝藥產生的加速度從沖擊波到達隨進彈頭部開始，當沖擊波陣面到達隨進戰斗部錐體中段時，戰斗部加速度最大，最大值為4.08×105m/s2，當沖擊波陣面掃過隨進戰斗部錐體和柱體結合部附近時，加速度逐漸下降，加速度持續作用時間較長，約為50 μs。

圖6 隨進戰斗部加速度變化曲線 (v=300 m/s)Fig.6 The acceleration curve of following warhead(v=300m/s)

2)隨進戰斗部速度變化曲線如圖7所示。從圖中可以看到，隨進戰斗部受沖擊波作用為100 μs，運動速度最后降為285.2 m/s。

圖7 隨進戰斗部速度變化曲線 (v=300 m/s)Fig.7 The velocity curve of following warhead(v=300 m/s)

3)隨進戰斗部殼體最大主應力為1153 MPa，如圖8所示，最大應力出現在戰斗部頂端附近的一個區域內;隨進戰斗部裝藥最大壓力出現在頂端，為911.3 MPa。

圖8 隨進戰斗部殼體和裝藥表面最大壓力 (v=300 m/s)Fig.8 The maximum pressure of following warhead and charge surface(v=300 m/s)

2.3 v=600 m/s時

1)隨進戰斗部加速度曲線如圖9所示。從圖中可以看出，隨進戰斗部受到前級聚能裝藥產生的加速度從沖擊波到達隨進彈頭部開始，當沖擊波陣面到達隨進戰斗部錐體中段時，戰斗部加速度最大，最大值為5.08×105m/s2;當沖擊波陣面掃過隨進戰斗部錐體和柱體結合部附近時，加速度逐漸下降，加速度持續作用時間較長，約為50 μs。

圖9 隨進戰斗部加速度變化曲線 (v=600 m/s)Fig.9 The acceleration curve of following warhead(v=600 m/s)

2)隨進戰斗部速度變化曲線如圖10所示。從圖中可以看到，隨進戰斗部受沖擊波作用為100 μs，運動速度最后降為582.7 m/s。

圖10 隨進戰斗部速度變化曲線 (v=600 m/s)Fig.10 The velocity curve of following warhead(v=600 m/s)

3)隨進戰斗部受力情況如圖11所示。其中殼體主應力最大為1155 MPa;裝藥最大壓力為1287 MPa，出現在距裝藥頂端5.2 cm處;隨進戰斗部的速度降為18 m/s。

圖11 隨進戰斗部殼體和裝藥表面最大壓力 (v=600 m/s)Fig.11 The maximum pressure of following warhead and charge surface(v=600 m/s)

3 結語

通過利用ANSYS/LS－DYNA軟件進行環形切割器對隨進戰斗部影響的數值仿真，對仿真結果分析得到如下結論:

1)隨著2級戰斗部間相對速度的增加，隨進戰斗部受前級環形切割器爆炸沖擊作用時的加速度逐漸增大，速度落差也逐漸增大。最終在600 m/s時，將引爆隨進戰斗部的裝藥，進而導致串聯戰斗部失去其價值。

2)隨進戰斗部殼體頂端附近區域處主應力最大，后端圓柱段主應力較小;當隨進戰斗部以低于300 m/s速度隨進時，裝藥最大壓力低于1.0 GPa;而當隨進戰斗部以600 m/s速度隨進時，裝藥最大壓力超過1.0 GPa。通常認為，隨進戰斗部裝藥壓力不超過1.0 GPa就不足以引爆炸藥［5］，因此串聯戰斗部要添加必要的隔爆結構設計。

［1］李永勝，王偉力，姜濤.用于串聯戰斗部的環形切割器優化設計［J］.彈箭與制導學報，2010，30(2):93－96.

［2］王偉力，李永勝，田傳勇.串聯戰斗部前級環形切割器的設計與試驗［J］.火炸藥學報，2011，34(2):39－43.

［3］王健，阮文俊.串聯隨進戰斗部前后級影響數值仿真［J］.系統仿真學報，2010，22(9):2231 －2234.

［4］曾必強，姜春蘭，嚴翰新，等.串聯攻堅戰斗部前級爆轟場對隨進彈隨進影響分析［J］.兵工學報，2010，31(S1):162－166.

［5］涂侯杰，惲壽榕，趙衡陽.破爆型串聯戰斗部第一級對第二級影響的研究［J］.兵工學報，1994(3):18－22.