爆炸拋撒方式對FAE近場拋撒影響的數(shù)值模擬研究

賈 飛，李向東，白強(qiáng)本，劉天宋

（南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京210094）

0 引言

二次起爆型云爆戰(zhàn)斗部的作用原理是在內(nèi)部爆炸載荷的作用下，將裝填在戰(zhàn)斗部內(nèi)的云爆劑拋撒在目標(biāo)上空的一定高度，與空氣混合形成可爆云霧團(tuán)，利用二次引信將云霧團(tuán)起爆，形成云霧爆轟。根據(jù) Gardner D R［1］和 Glass M W［2］用數(shù)值模擬的方法對云爆劑拋撒的研究，將云爆劑的拋撒分為2個階段，其中一個為以中心拋撒裝藥爆炸作用為主導(dǎo)的“近場拋撒”階段，另一個為以空氣阻力為主導(dǎo)的“遠(yuǎn)場拋撒”階段。爆炸拋撒及其效果對云爆劑分散、可爆云霧團(tuán)的形成和毀傷威力等方面具有重要的影響。

針對爆炸拋撒方式對云爆劑拋撒的影響，張?zhí)盏龋?］利用實驗研究了同等條件下，中心單點起爆爆炸拋撒和多點徑向輔助起爆爆炸拋撒對FAE爆轟特性及威力影響，結(jié)果得出采用2種爆炸拋撒方式形成的云霧覆蓋面積和起爆形態(tài)相差不大，但是后者在云霧的均勻型、火球溫度和沖擊波超壓方面均優(yōu)于前者。張奇等［4］采用高速運(yùn)動分析系統(tǒng)，觀測云爆劑的拋撒過程，研究中心拋撒裝藥對云霧體積的影響規(guī)律，結(jié)果得云爆劑的拋散過程和云霧最終體積與中心拋撒裝藥有關(guān)。但是目前爆炸拋撒方式對FAE近場拋撒影響的數(shù)值模擬研究還不多見。

在此，利用LS－DYNA軟件模擬同質(zhì)量云爆劑和拋撒裝藥的情況下，中心單點起爆爆炸拋撒方式和多點徑向輔助起爆爆炸拋撒方式對云爆劑近場拋撒過程，分析2種拋撒方式對云爆劑近場拋撒的影響，為云爆戰(zhàn)斗部的設(shè)計提供參考。

1 計算模型及材料參數(shù)

1．1 有限元模型及算法

單點中心起爆云爆戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)如圖1a所示，有限元模型如圖1b所示。外殼體包括端蓋和戰(zhàn)斗部外殼，單點中心起爆戰(zhàn)斗部模型沿軸線幾何對稱。為了減少運(yùn)算量，取1／4模型建模。

圖1 單點中心起爆拋撒云爆戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)及有限元模型

單點中心起爆云爆戰(zhàn)斗部有限元模型的主要尺寸：戰(zhàn)斗部殼體長為408 mm，內(nèi)徑為160 mm，殼體厚為3 mm；中心拋撒裝藥長為400 mm，內(nèi)徑為64 mm，殼體厚為1 mm；空氣域的上邊界距端蓋50 mm，左右邊界距戰(zhàn)斗部殼體70 mm。

多點徑向輔助起爆云爆戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)如圖2a所示，有限元模型如圖2b所示。外殼體包括端蓋和戰(zhàn)斗部外殼，多點徑向起爆戰(zhàn)斗部模型關(guān)于Y軸對稱。為了減少運(yùn)算量，取1／2模型建模。

圖2 多點徑向起爆云爆戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)及其有限元模型

多點徑向起爆云爆戰(zhàn)斗部有限元模型的主要尺寸：戰(zhàn)斗部殼體長為408 mm，內(nèi)徑為160 mm，殼體厚為3 mm；拋撒裝藥長為400 mm，內(nèi)徑為42 mm，殼體厚為1 mm；徑向拋撒裝藥共6根，均勻分布在中心拋撒裝藥的周圍，內(nèi)徑為20 mm，殼體厚為1 mm；空氣域的上邊界距端蓋50 mm，左右邊界距戰(zhàn)斗部殼體70 mm。

計算時，空氣、云爆劑和拋撒裝藥采用Euler六面體單元劃分網(wǎng)格，殼體均采用單點積分Lagrange六面體單元劃分網(wǎng)格。戰(zhàn)斗部殼體外面空氣層的外邊界為非反射邊界，以模擬無限空氣域，

1．2 材料模型及參數(shù)

2種云爆戰(zhàn)斗部拋撒裝藥采用MAT＿HIGH＿EXPLOSIVE＿BURN材料模型和JWL狀態(tài)方程描述，主要材料參數(shù)如表1所示。

表1 2種戰(zhàn)斗部拋撒裝藥主要的參數(shù)

炸藥周圍的空氣介質(zhì)采用MAT＿NULL材料模型和LINEAR＿POLYNOMIAL狀態(tài)方程來描述，其材料參數(shù)如表2所示。

表2 空氣的基本參數(shù)

2種云爆戰(zhàn)斗部殼體為鋼，均采用MAT＿JOHNSON＿COOK材料模型和GRUNEISEN狀態(tài)方程來描述，主要參數(shù)如表3所示。

表3 2種云爆戰(zhàn)斗部殼體的基本材料參數(shù)

在模擬研究中，液體云爆劑密度在1．0 g／cm3左右，采用物理性能與其接近的水來代替，材料模型和狀態(tài)方程與空氣相同，主要參數(shù)如表4所示。

表4 水的主要參數(shù)

1．3 2種云爆戰(zhàn)斗部爆炸拋撒過程

利用上述戰(zhàn)斗部模型結(jié)構(gòu)、材料模型和材料參數(shù)，對2種拋撒方式的云爆戰(zhàn)斗部模型的爆炸拋撒過程進(jìn)行模擬，如圖3和圖4所示。

圖3 單點中心起爆戰(zhàn)斗部云爆劑近場拋撒過程

圖4 多點徑向起爆戰(zhàn)斗部云爆劑近場拋撒過程

2 計算結(jié)果與討論

拋撒裝藥起爆后，云爆劑在內(nèi)部爆炸載荷的作用下開始運(yùn)動，云爆劑逐漸被加速，在戰(zhàn)斗部殼體破裂以前，受到戰(zhàn)斗部殼體的束縛，云爆劑在戰(zhàn)斗部殼體內(nèi)受到擠壓，當(dāng)戰(zhàn)斗部殼體破裂以后，云爆劑開始做宏觀意義上的加速運(yùn)動，當(dāng)云爆劑的拋撒速度大于爆炸產(chǎn)物的膨脹速度，云爆劑加速過程結(jié)束。

為了研究2種爆炸拋撒方式對云爆劑近場拋撒的影響，對于單點中心起爆云爆戰(zhàn)斗部，在云爆劑上取距中心軸80 mm，距上端蓋100～300 mm，間隔100 mm，共3個觀察點，如圖5a所示；對于多點徑向輔助起爆云爆戰(zhàn)斗部，在云爆劑上取距中心軸80 mm，距上端蓋100～300 mm，間隔100 mm，分別在2個徑向輔助拋撒裝藥之間和徑向拋撒輔助裝藥之上取3個觀察點，如圖5b所示。它們的起爆位置都在靠近C點的一端。2種拋撒方式云爆戰(zhàn)斗部模型各個觀察點在100μs的速度如圖6所示。

由圖6可知，2種拋撒方式云爆戰(zhàn)斗部離起爆點較遠(yuǎn)的觀測點測得的拋撒速度較大，而離起爆點

圖5 2種拋撒方式戰(zhàn)斗部計算模型觀測點

圖6 2種戰(zhàn)斗部速度隨時間的變化曲線

相對較近的觀測點測得的拋撒速度較小。多點起爆云爆戰(zhàn)斗部位于2個徑向輔助拋撒裝藥之間的觀測點的拋撒速度，小于位于徑向輔助裝藥之上的觀測點的速度。

由表5可知，單點起爆云爆彈計算裝置的在各個觀察點的最大速度，要比多點徑向輔助起爆的各個觀察點的速度都大，單點起爆拋撒方式的云爆戰(zhàn)斗部觀測點的最大速度（觀測點A的最大速度），比多點徑向輔助起爆拋撒方式的云爆戰(zhàn)斗部觀測點的最大速度（觀測點D的最大速度）高26．2%。這是由于多點徑向輔助拋撒方式的云爆劑受到的壓力較大，液體云爆劑容易霧化，霧化后的云爆劑動量減小，阻力增大，從而導(dǎo)致速度降低。

但是在相對位置相同的觀察點，單點起爆云爆戰(zhàn)斗部觀測點的最大壓力小于多點徑向輔助起爆云爆戰(zhàn)斗部觀測點最大壓力，最大壓力降低61．2%。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知［3］，云爆劑在較大的壓力作用下容易破碎成霧。

表5 最大壓力和最大徑向拋撒速度

3 結(jié)束語

利用相關(guān)軟件，對不同爆炸拋撒方式下，云爆劑近場拋撒進(jìn)行了研究，可得出如下結(jié)論：

a．同一種云爆戰(zhàn)斗部距起爆點較遠(yuǎn)的觀測點的拋撒速度，比距起爆點近的觀測點的拋撒速度高。

b．單點中心起爆拋撒方式的云爆戰(zhàn)斗部近場拋撒速度，比多點徑向輔助起爆拋撒方式的云爆戰(zhàn)斗部近場拋撒速度高，有利于提高云霧團(tuán)的體積。

c．多點徑向輔助起爆云爆戰(zhàn)斗部作用于近場云爆劑的壓力，比單點中心起爆拋撒方式的云爆戰(zhàn)斗部的大，有利于云爆劑的霧化。

d．在云爆戰(zhàn)斗部要求的毀傷范圍一定的條件下，合理選擇云爆戰(zhàn)斗部的拋撒方式，有利于提高云爆劑的利用率。

［1］ Gardner D R．Near－field dispersal modeling for liquid fuel－air－explosive［R］．USA：DE91000079（SAND－90－0686），1990．

［2］ Glass M W．Far－field dispersal modeling for liquid fuelair－explosive devices［R］．USA：DE91000476 （SAND－9020528），1990．

［3］ 張 陶，於 津，惠君明．爆炸拋撒方式對FAE云霧爆轟特性及威力影響的實驗研究［J］．彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2010，30（1）：137－140．

［4］ 張 奇，覃 彬，白春華，等．中心裝藥對FAE燃料成霧特性影響的試驗分析［J］．含能材料，2007，15（5）：447－450．