非正常著靶彈體結構動力學響應數值仿真*

楊曉紅，韓珺禮，徐豫新，唐 宏

(1 63961部隊，北京 100000;2北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京 100081 3國營743廠，太原 030051)

0 引言

彈藥作用時可能因機械故障等原因無法實現既定的戰術功能和作戰使命，為了不將失效彈藥的內部構成等秘密泄漏給敵方，往往通過在戰斗部處加裝自毀裝置實現非正常作用彈藥的自毀。彈藥自毀裝置設計時通常需要回答1個問題:自毀裝置的啟動過載閾值是多少?該問題的回答若通過試驗獲得消耗大、周期長，且難以窮舉所有非正常作用情況，在工程實踐中可操作性差，新技術途徑的提出有著強力的現實需求。通過試驗獲取正常著靶條件下彈體結構動力學響應數據，標定數值仿真用材料模型、參數和算法，通過同參數設置條件下數值仿真研究彈體非正常著靶條件下的動力學響應特征，分析極端條件下彈體非正常著靶的過載信息，并以此為基礎設置自毀裝置的啟動過載閾值，可為彈藥自毀裝置的設計提供技術支撐。已有彈體結構侵徹過程中的數值模擬研究多關注大長徑比彈體的結構強度[1－2]，為彈體結構的形狀和強度設計提供幫助，通過數值仿真研究彈體非正常著靶狀態下自毀裝置的啟動過載閾值尚未見文獻報告。

以典型殺爆火箭彈為例，進行非正常著靶彈體結構動力學響應數值仿真，獲得發動機未正常分離全彈著地、發動機正常分離降落傘未及時打開帶控制艙戰斗部著地兩種情況下戰斗部處的最大過載，為火箭彈自毀裝置啟動過載閾值的設定提供參考和借鑒。

1 數值仿真模型

1.1 模型假定

在研究中，首先對結構進行如下假定:

1)同一種材料內任一點在各個方向上具有相同的性質;

2)考慮各種結構的損傷、變形或破壞，結構破壞符合Von Mises強度準則;

3)炸藥在侵徹過程中不考慮爆炸效應，僅將其與導彈殼體等部件一樣看作侵徹體;

4)忽略空氣阻力對導彈侵徹靶板過程的影響，在侵徹過程中，導彈僅受到土壤阻力的作用。

1.2 彈體等效模型建立

根據實際問題，建立相應的等效模型，并進行幾何建模。對于殺爆彈丸侵徹典型土壤介質來講，主要的研究問題是彈藥不同著靶姿態在侵徹土壤介質過程中，彈丸整體與其分部件的動態力學響應及其結構特征的變化情況。通常殺爆火箭彈由控制艙、戰斗部艙、傘艙、發動機艙，共4部分幾百個零件構成。在數值仿真中難以把每個零件均建立出來。因此，針對所關注的結構整體動力學響應問題，在不影響數值仿真結果的情況下，對彈體結構進行等質量、等壁厚簡化。根據彈丸外形幾何尺寸，并依照各部分的質量特征，分別對上述艙段內部進行了配重處理，構建了一些相應的配重部件。通過簡化獲得典型殺爆火箭彈彈體結構如圖1所示。

圖1 典型殺爆火箭彈的簡化模型

1.3 彈靶有限元模型

根據上述簡化模型，采用 cm-μs-g-Mbar單位制，根據彈體的結構簡化模型，通過TureGrid軟件進行離散化建立彈體有限元模型如圖2所示。同時，通過TureGrid軟件采用網格疏密漸變方法，建立靶體有限元模型，如圖3所示，整個仿真模型共劃分有單元326833個，節點355737個。

圖2 全彈有限元模型

圖3 靶體有限元模型

1.4 數值仿真用材料模型

彈體和靶板撞擊所產生的現象與彈體撞擊速度、撞擊角度、彈體和靶板介質的形體和尺寸(特別是靶板厚度方向)、彈體和靶板的材料性能等有關。隨著撞擊速度由低至高，彈體和靶板材料依次發生彈性變形、塑性變形、流體彈塑性變形、斷裂、甚至相變、粉碎、爆炸。由于所研究問題的速度不是很高，控制艙殼體、戰斗部殼體、傘艙殼體、傘、燃燒室、噴管等均采用彈塑性隨動硬化模型。此外，根據文獻[4]土壤材料也可認為是塑性可壓縮材料。根據文獻[5]獲得數值仿真用材料模型參數見表1。

表1 材料模型計算參數

2 仿真結果及分析

2.1 正常著靶數值仿真

針對硬土，進行彈體正常著靶條件下90°落角的數值仿真，如圖4所示。因自毀裝置和戰斗部殼體固聯，通過調整仿真中的接觸參數，獲得戰斗部殼體的最大過載為528g，與試驗結果486g相差8.6%，表明數值仿真結果具有可靠性，通過仿真獲得的各部分過載曲線如圖5所示。

2.2 非正常著靶數值仿真

針對發動機未正常分離全彈著地、發動機正常分離降落傘未及時打開帶制導艙戰斗部著地兩種情況進行彈體非正常著靶條件下的數值仿真，具體工況如下:

1)發動機未正常分離全彈著地:根據彈道分析確定發動機未正常分離條件下彈體以400m/s的著速，65°的落角著地;

圖4 戰斗部垂直著靶仿真模型

圖5 仿真計算獲得彈體各部分過載

2)降落傘未及時打開帶制導艙戰斗部著地:因可能出現帶制導艙戰斗部空中翻滾情況，選取水平、倒落兩種極端條件仿真，通過彈道分析估算，彈體著速為100m/s。

根據上述工況，建立數值仿真模型如圖6所示，采用上述仿真中的材料模型和接觸控制參數進行計算。獲得的典型計算結果如圖7所示，獲得戰斗部殼體的最大過載列于表2中。

圖6 仿真計算工況

圖7 典型計算結果

表2 不同工況下戰斗部殼體的最大過載

根據自毀裝置的功能，為保證自毀裝置在彈體正常著靶時不作用，在非正常著靶時作用，自毀裝置的啟動過載閾值應大于彈體正常著靶作用時的過載值，小于非正常著靶作用時的過載值。根據表2中的仿真結果，自毀裝置的啟動過載閾值應大于528.0g，小于1465.0g，為提高可靠性，增加20%的余量。因此，可設定火箭彈自毀裝置啟動過載閾值在800～1000g之間，便可實現彈藥失效后自毀的戰術功能。

3 總結

自毀裝置啟動過載閾值設定關系到彈藥在因機械故障等原因無法實現既定的戰術功能和作戰使命情況下的適時自毀，是彈藥研制中的關鍵環節。但因彈藥機械故障失效后多數情況下為彈體的非正常著靶，試驗研究較為困難，且周期長、耗資大。文中采用數值仿真方法，通過彈體正常著靶試驗數據標定數值仿真材料及接觸控制參數，通過有限元仿真獲得彈體非正常著靶情況下結構的動力學響應特征，并綜合分析獲得自毀裝置啟動過載閾值。該方法可為彈藥自毀裝置的設計提供技術支撐。

[1]徐培德，譚東風.武器系統分析[M].長沙:國防科技大學出版社，2001:94－150.

[2]皮愛國，黃風雷.大長細比彈體斜侵徹混凝土靶的動力學響應[J]. 爆炸與沖擊，2007，27(4):331－337.

[3]皮愛國，黃風雷.大長細比結構彈體侵徹2024-O鋁靶的彈塑性動力響應[J].爆炸與沖擊，2008，28(3):252－259.

[4]時黨勇，李裕春，張勝民.基于 ANSYS/LS-DYNA 8.1進行顯式動力分析[M].北京:清華大學出版社，2005.

[5]才鴻年，趙寶榮.金屬材料手冊[M].北京:化學工業出版社，2011.