基于環形切割器的串聯戰斗部隔爆結構的優選

呂　進，王偉力，李永勝，傅　磊（海軍航空工程學院.兵器科學與技術系；.研究生管理大隊，山東煙臺264001）

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基于環形切割器的串聯戰斗部隔爆結構的優選

呂進b，王偉力a，李永勝a，傅磊b
（海軍航空工程學院a.兵器科學與技術系；b.研究生管理大隊，山東煙臺264001）

摘要：硬質聚氨酯具有剛度小、材質松散、易于吸收爆炸能量的特點，是一種很好的隔爆材料。為了設計環形切割器與后級隨進戰斗部之間的隔爆裝置，利用LS-DNA分別進行了圓柱型、圓錐型、球缺型3種聚氨酯隔爆體的數值模擬研究。通過研究得出結論：球缺型結構既節省材料，又可以更有效地降低前級產生的沖擊波對后級戰斗部的影響。該結論有助于帶環形切割器串聯戰斗部的隔爆設計。

關鍵詞：聚能裝藥；數值模擬；環形切割器；隔爆

近年來，我們對環形聚能裝藥的串聯戰斗部原理進行了數值仿真和原理驗證試驗研究[1-2]。宋之勇等人通過對前級環形切割器的優化設計，在保證了環形射流對前級的毀傷效果前提下，基本消除了環形切割器中心侵徹體對后級戰斗部的影響[3]。在不考慮環形聚能裝藥的串聯戰斗部兩級間隔爆的情況下，前級裝藥爆炸會對后級隨進戰斗部產生顯著的影響：前級裝藥爆炸后形成的沖擊波超壓、破片和爆轟產物對后級隨進戰斗部的作用，一方面可能損壞或引爆后級隨進戰斗部；另一方面可能使后級隨進戰斗部的速度降低或姿態改變，從而使其不能順利穿進由前級戰斗部爆炸在目標上產生的孔洞內。因此，必須對環形聚能裝藥的串聯戰斗部進行前后兩級間的隔爆材料以及結構進行研究[4-9]。前期通過研究，已經確定了選用硬質聚氨酯這種剛度小、材質松散、易于吸收爆炸能量的材料作為前后級隔爆材料[10]。

1　有限元模型

1.1串聯戰斗部結構模型

本文在環形切割器結構和隔爆體材料確定的前提下建立串聯戰斗部隔爆模型，模型由環形切割器的裝藥、藥型罩、殼體、空氣、后級隨進戰斗部和隔爆體組成。為簡化計算，采用1/4模型，結構如圖1所示。

圖1　串聯戰斗部隔爆模型示意圖Fig.1 Diagram of tandem warhead eplosion model

隔爆體分別選擇圓柱型、圓錐型、球缺型3種結構，1/4模型結構如圖2所示。

圖2　不同形狀隔爆體結構示意圖Fig.2 Different shapes of plame-proof bod

環形切割器的裝藥、藥型罩、空氣和隔爆體采用Euler網格單元劃分。在計算中，單元使用多物質ALE算法；后級隨進戰斗部和環形切割器殼體采用Lagrange網格單元劃分。為保證計算精確和可靠性，在空氣域四周設置透射邊界，以避免沖擊波在空氣域邊界反射造成的誤差。對整個模型，在對稱面上施加對稱約束，環形切割器裝藥起爆方式為頂端環形起爆。

1.2材料模型及主要參數

前級環形切割器的裝藥選用Comp.B炸藥，采用High-Eplosive-Burn模型和JWL狀態方程；藥型罩材料為紫銅，采用Steinberg材料模型和Grüneisen狀態方程；殼體和后級隨進戰斗部為鋼，采用Johnson-cook材料模型和Grüneisen狀態方程；空氣采用Null材料模型和Linear-Polnomial狀態方程。主要參數見表1和表2[11]。聚氨酯選用Null材料模型和Grüneisen狀態方程進行模擬。硬質聚氨酯的材料參數見表3[12]。

表1　金屬材料參數Tab.1 Parameters of metallic materials

表2　Comp.B炸藥的材料參數Tab.2 Material parameters of Comp.B eplosive

表2　Comp.B炸藥的材料參數Tab.2 Material parameters of Comp.B eplosive

材料Comp.B炸藥密度/（g/cm3）1.70爆速/（m/s）8 300爆壓/GPa 30.0

表3　聚氨酯的基本材料參數Tab.3 Material parameters of polurethane

表3　聚氨酯的基本材料參數Tab.3 Material parameters of polurethane

ρ/(kg?m-3) 320 Grüneisen Eos Cg/(m?s-1) 2 540 S1 1.57 S20 γ0 1.07 E0/GPa 0 V01

2　數值模擬結果及分析

2.1圓柱型聚氨酯隔爆

圖3給出了圓柱型爆炸過程的數值模擬結果。選取了彈頭表面不同位置的單元，見圖4，其時間-應力歷程曲線如圖5所示。

圖3　爆轟波壓力云圖以及隨進戰斗部上的應力云圖（圓柱型隔爆）Fig.3 Detonation wave pressure nephogram and following warhead on the stress nephogram（clindrical）

圖4　不同單元編號示意圖（圓柱型隔爆）Fig.4 Diagram of different numbers of units（clindrical）

圖5　不同單元的時間-應力歷程曲線（圓柱型隔爆）　Fig.5 Different unit of time-stress curve（clindrical）

從圖5可以看出：后級隨進戰斗部最大應力值出現在彈頭表面，達到1.24 GPa。彈頭頂部出現了微小變形，說明彈頭最大應力值已經超過鋼的屈服強度，也說明圓柱型聚氨酯雖然對后級戰斗部起到了一定的保護作用，但是作用并不明顯。

通過觀察圓柱型聚氨酯隔爆數值模擬過程，可以看出，爆轟波在戰斗部中心形成了匯聚作用，形成了壓力集中區。為進一步提高隔爆效果，提高材料利用率，設計了圓錐型隔爆體與球缺型隔爆體，進行數值模擬研究。

2.2圓錐型聚氨酯隔爆

圓錐型爆炸過程的數值模擬結果見圖6。圖7為選取的彈頭表面不同位置的單元，其時間-應力歷程曲線見圖8。從圖8可以看出：后級戰斗部最大應力值出現在彈頭表面，達到1.05 GPa。沖擊波經過隔爆體后強度有所衰減，彈頭未出現變形，說明圓錐型隔爆體對后級隨進戰斗部起到了很好的保護作用。

圖6　爆轟波壓力云圖以及隨進戰斗部上的應力云圖（圓錐型隔爆）Fig.6 Detonation wave pressure nephogram and following warhead on the stress nephogram（conical）

圖7　不同單元編號（圓錐型隔爆）Fig.7 Diagram of different numbers of units（conical）

圖8　不同單元的時間-應力歷程曲線（圓錐型隔爆）Fig.8 Different unit of time-stress curve（conical）

2.3球缺型型聚氨酯隔爆

球缺型爆炸過程的數值模擬結果見圖9。圖10為選取的彈頭表面不同位置的單元，其時間-應力歷程曲線如圖11所示。從圖11可以看出：后級戰斗部最大應力值出現在彈頭表面，達到1.02 GPa。沖擊波經過隔爆體后強度有所衰減，彈頭未出現變形，說明球缺型隔爆體型對后級隨進戰斗部起到了很好的保護作用。

2.4數值模擬結果分析

通過數值計算，分別計算出3種隔爆結構的體積，并通過以上3組數值仿真研究，得到不同隔爆結構情況下沖擊波到達時間、后級隨進戰斗部表面最大應力、隨進戰斗部加速度以及速度變化曲線等參數，見表4。表4中，V表示隔爆體體積；t表示沖擊波到達后級戰斗部頭部時間；σma表示后級戰斗部頭部表面最大應力值；ama表示后級戰斗部加速度最大值；Δvma表示后級戰斗部速度增量。

圖9　爆轟波壓力云圖以及隨進戰斗部上的應力云圖（球缺型隔爆）Fig.9 Detonation wave pressure nephogram and following warhead on the stress nephogram（hemispherical）

圖10　不同單元編號（球缺型隔爆）Fig.10 Diagram of different numbers of units（hemispherical）

圖11　不同單元的時間-應力歷程曲線（球缺型隔爆）Fig.11 Different unit of time-stress curve（hemispherical）

表4　仿真結果數據統計對比表Tab.4 Simulation results of statistical data comparison

3　結束語

通過對比仿真結果可以看出：圓柱型隔爆體雖然隔爆體積最大，但是隔爆性能卻最不理想，后級隨進戰斗部頭部出現了微小變形。而圓錐型和球缺型隔爆體的隔爆性能都優于圓柱型隔爆體。通過比較后級隨進戰斗部的加速度最大值及速度增量可以看出：球缺型隔爆體在減小了材料體積的同時隔爆效果是最為明顯的，是綜合隔爆能力最好的隔爆結構。

參考文獻：

[1]李永勝，王偉力，江濤.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. LIONGSHENG，WANG WEILI，JIANG TAO. Ptimum design annular cutter of tandem warhead[J]. Journal of Projectiles，Rockets，Missiles and Guidance，2010，30 （2）：93-96.（in Chinese）

[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，2011，4（2）：39-43. WANG WEILI，LIONGSHENG，TIAN CHUANONG. Optimization and test on front annular cutter of tandem warhead[J]. Chinese Journal Eplosives and Propellants，2011，4（2）：39-43.（in Chinese）

[3]宋之勇，王偉力，李永勝.前級環形切割器對后端靶板影響的數值仿真[J].海軍航空工程學院學報，2012，27 （6）：684-688. SONG ZHIONG，WANG WEILI，LIONGSHENG. Numerical simulation on the effect of annular cutter tofollowing target[J]. Journal of NavAeronautical and Astronautical Universit，2012，27（6）：684-688.（in Chinese）

[4]張彤，陽世清，徐松林，等.串聯戰斗部的技術特點及發展趨勢[J].飛航導彈，2006（10）：51-54. ZHANG TONG，ANG SHIQING，U SONGLIN. Technical features and development trend of tandem warhead [J]. Aerodnamic Missle Journal，2006（10）：54-54.（in Chinese）

[5]王樹有，陳惠武，趙有守.串聯攻堅戰斗部前級爆轟場對后級影響分析[J].火炸藥學報，2006，29（2）：4-6. WANG SHUOU，CHEN HUIWU，ZHAOOUSHOU. Analsis of following projectile effected bprecursorcharge of tandem warhead[J]. Chinese Journal Eplosives and Propellants，2006，29（2）：4-6.（in Chinese）

[6]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（1）：162-166. ZENG BIQIANG，JIANG CHUNLAN，AN HANIN. Analsis for effects of precursordetonation field on projectile following course in tandem warhead[J]. Acta Armamentar，2010，31（1）：162-166.（in Chinese）

[7]張先鋒，陳惠武.破爆型串聯戰斗部前級對后級影響數值模擬[J].彈箭與制導學報，2006，26（2）：66-68. ZHANGIANFENG，CHEN HUIWU. A computational studof blast effect on travelling projectile of tandem warhead[J]. Journal of Projectiles，Rockets，Missiles and Guidance，2006，26（2）：66-68.（in Chinese）

[8]段建，楊黔龍，周剛，等.串聯戰斗部前級聚能裝藥和隔爆結構設計與實驗研究[J].高壓物理學報，2006，20（2）：202-206. DUAN JIAN，ANG QIANLONG，ZHOU GANG. Structural design and eperimental studon forward shaped charge and eplosion-proof bodfor tandem warhead[J]. Chinese Journal of High Pressure Phsics，2006，20（2）：202-206.（in Chinese）

[9]徐全軍，唐丙文，李裕春.聚氨酯泡沫材料的隔爆作用[J].解放軍理工大學學報：自然科學版，2007，8（1）：77-81.U QUANJUN，TANG BINGWEN，LIUCHUN. Polurethane foam material’s gap effects[J]. Journal of PLA Universitof Science and Technolog，2007，8（1）：77-81.（in Chinese）

[10]石少卿，張湘冀.硬質聚氨酯泡沫塑料抗爆炸沖擊作用的研究[J].振動與沖擊，2005，24（5）：56-58. SHI SHAOQING，ZHANGIANGJI. Studies on the properties of anti-detonation and anti-penetration of rigid polurethane foam[J]. Journal of Vibration and Shock，2005，24（5）：56-58.（in Chinese）

[11]張先鋒，陳惠武.三種典型聚能射流侵徹靶板數值模擬[J].系統仿真學報，2007，19（19）：4399-4401. ZHANGIANFENG，CHEN HUIWU. Computational studof three tpical shaped charge jets[J]. Journal of Sstem Simulation，2007，19（19）：4399-4401.（in Chinese）

[12]SCHWALBE L A，WINGATE C A，STOFLETH J H，et al. Eperiment and computation studies of rod- deploment mechanisms[C]//16thInternational Smposium on Ballistics. 1996：347.

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（NavAeronautical and Astronautical Universita. Department of Ordnance Science and Technolog; b. Graduate Students’Brigade,antai Shandong 264001, China）

作者簡介：呂進（1989-），男，碩士生。

基金項目：部委技術研究基金資助項目（40107）

收稿日期：2014-07-10；

DOI:10.7682/j.issn.1673-1522.2015.02.013

文章編號：1673-1522（2015）02-0156-05

文獻標志碼：A

中圖分類號：TJ55

修回日期：2014-12-02