展開式戰斗部能量吸收鉸鏈結構*

趙宇哲,寧建國,許香照,馬天寶

(北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京 100081)

展開式戰斗部能量吸收鉸鏈結構*

趙宇哲,寧建國,許香照,馬天寶

(北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京 100081)

基于展開式戰斗部動力學展開原理及理論模型，設計一種具有能量吸收特性的限位鉸鏈，并對不同輔助裝藥量下展開式戰斗部的展開過程進行數值模擬，對比分析了普通鉸鏈和能量吸收鉸鏈的展開過程，重點研究了限位角度時的受力與能量吸收情況，結果表明能量吸收鉸鏈可以更好地降低碰撞力及提高吸能效果。對兩種鉸鏈裝配的展開式戰斗部結構進行了靜爆實驗，結果顯示普通鉸鏈發生不同程度的破壞，而能量吸收鉸鏈結構完整，證明能量吸收鉸鏈達到限位角度時能有效保證戰斗部及鉸鏈的完整性，進而驗證了能量吸收鉸鏈設計的合理性以及數值模擬的可靠性。

固體力學；吸能緩沖特性；非線性計算；限位鉸鏈；展開式戰斗部；靜爆實驗

隨著現代科技的發展，可變形戰斗部演變為一種新型高效毀傷戰斗部[1]。展開式戰斗部則是其中破片利用率較高的一種，它通過機械展開動作使戰斗部結構發生變形[2]，從而實現對目標的定向殺傷。20世紀70年代出現這個概念[3]，而典型的展開式戰斗部結構[4]如圖1所示。4個主裝藥部分由具有角度限制功能的鉸鏈固連，預置破片排列在各主裝藥部分表面上。依據動力學展開原理[5]，當導彈確定攻擊目標方位后，遠離目標一側鉸鏈的小聚能裝藥起爆，切開所在起爆位置的鉸鏈，同時起爆輔助裝藥推動主裝藥部分以剩下3對鉸鏈為軸展開，從而使破片全部指向目標方向[6]，進而大幅提高破片利用率。

展開式戰斗部的關鍵技術為，在有效的時間內使破片完全朝向目標。隨著空中目標速度不斷提高，要求戰斗部在極短的時間內完成展開動作，而不同的展開角度將最終影響目標方向的破片密度，分析得知當展開角度為90°時破片利用率最高[7]。限位鉸鏈作為其中關鍵的組成元件，不僅需要保證4個主裝藥部分在展開過程中繞鉸鏈軸轉動的同向同步性，更重要的是使它具備角度限制功能來控制主裝藥展開角度為90°，為主裝藥起爆預留充足的起爆時間。初期實驗測試表明，普通鉸鏈雖然可以保證戰斗部結構在展開過程中的完整性，但在限位時發生嚴重的破壞(見圖2)，這樣將導致主裝藥起爆預留時間短，增加主裝藥的起爆難度。

圖1 展開式戰斗部Fig.1 Evolvable warhead

圖2 損壞鉸鏈結構Fig.2 Failure hinge structure

能量吸收鉸鏈對展開式戰斗部的重要作用逐漸顯現。目前，關于能量吸收方面的研究主要集中在材料與結構兩方面：材料包括薄壁的管材、泡沫鋁、復合材料、聚氨酯泡沫等；結構主要是根據材料在沖擊載荷作用下的塑性變形及吸能的特點進行結構上的改進，包括薄壁吸能結構、波紋板吸能結構等[8]。姚松等[9]、高廣軍等[10]對圓管、方管、多邊形管、錐管等管材進行了沖擊吸能的數值模擬分析，王斌等[11]對泡沫鋁的壓縮性能及其能量吸收進行了研究。結果表明，在軸向或者徑向的正面沖擊和碰撞條件下，所研究的材料和結構均能較好地降低碰撞力峰值及吸收沖擊動能。

本文中，結合已有能量吸收理論，設計一種基于展開式戰斗部的能量吸收鉸鏈；建立普通鉸鏈和能量吸收鉸鏈分別裝配戰斗部的三維模型，通過數值模擬對比分析不同爆炸載荷加載下的兩種鉸鏈受力情況及能量吸收效果；最后，對裝配有兩種鉸鏈的展開式戰斗部實體結構進行不同爆炸載荷加載下的靜爆實驗研究，通過對比不同輔助裝藥量下兩種鉸鏈的破壞情況，驗證能量吸收鉸鏈結構設計的合理性與數值模擬的可靠性。

1 結構模型

1.1 戰斗部模型

圖3 戰斗部及限位鉸鏈模型Fig.3 Warhead and limit hinge model

戰斗部模型的基本組成分別為主裝藥結構、金屬配重以及限位鉸鏈。其中，破片以等質量的金屬配重替代；限位鉸鏈分為凹凸兩部分，分別與相鄰的主裝藥結構固聯，利用鉸鏈軸將兩部分串聯使4個主裝藥結構依次連接。由于本文中并不研究鉸鏈切割問題，因此只裝配3組鉸鏈，無鉸鏈一側為自由端，具體示意圖如圖3所示。其動力學展開過程可以描述為：(1)輔助裝藥起爆驅動4個主裝藥結構圍繞相鄰各組限位鉸鏈做定軸轉動；(2)主裝藥結構1、4加速展開使它固連的兩組限位鉸鏈到達最佳展開角度；(3)主裝藥結構1、4構帶動主裝藥結構2、3加速展開，固連于主裝藥結構2、3的一組鉸鏈的達到最佳展開角度。

1.2 鉸鏈結構吸能設計

圖4 普通鉸鏈限位Fig.4 Ordinary hinge limit

圖4為普通鉸鏈限位時刻狀態, 圖中鉸鏈凹凸兩部分以內嵌形式通過鉸鏈軸串聯而組成，當到達限位角度時利用鉸鏈兩部分之間的碰撞進行限位控制。此時，可以近似地認為鉸鏈碰撞位置為剛性，主要的變形部分集中在鉸鏈與軸連接處，即圖中A區域。碰撞位置的近似剛性導致A區域受到較高應變率，根據Jaumann應力率模型：

(1)

(2)

(3)

在體積內積分，可以得到總的能量吸收率：

(4)

提高總吸能率即提高積分號中的部分，普通鉸鏈在完全展開限位時刻，碰撞部分的變形很小，導致能量吸收很少。根據懸臂梁結構在沖擊載荷作用下易彎曲變形的特性以及預變形設計，結合鉸鏈的結構特點，設計吸能凸臺，使鉸鏈預先接觸，在它到達限位角度時，相對薄弱的凸臺已經有應力和塑性應變，能量吸收率將會遠高于普通鉸鏈，從而有效降低應變率，保護了A區域。

圖5 能量吸收鉸鏈限位Fig.5 Energy absorption hinge limit

通過對先前戰斗部展開實驗數據分析，針對戰斗部限位時鉸鏈碰撞過程進行等效數值模擬計算，綜合計算結果見表1，確定能量吸收鉸鏈相關參數。圖5中，仰角α=10°，預變形內弧面為由窄到寬的梯形設計，以減小碰撞初期碰撞力載荷，使能量吸收過程相對平穩；有效壓縮行程隨控制碰撞角度變化，當碰撞角度為102.5°時，即有壓縮角度為7.5°時，有效變形行程s=4 mm。凸臺作為主要的吸能部件，當鉸鏈到達90°時凸臺內部已有應力和塑性應變，能量吸收率會大幅提高。

表1 凸臺吸能效率Table 1 Boss energy absorption efficiency

2 數值模擬

2.1 結構及材料模型

圖6為分別裝配兩種鉸鏈結構的展開式戰斗部三維模型。利用非線性計算軟件進行計算，金屬部分均采用拉格朗日單元，炸藥和空氣采用拉格朗日-歐拉多物質單元描述，空氣域邊界為無反射邊界[7]。

圖6 鉸鏈裝配三維模型Fig.6 3D model of hinge assembly

炸藥模型采用高爆燃燒模型和JWL狀態方程描述，參數分別為：ρ=1.85 g/cm3,pCJ=29 GPa,D=0.750 km/s,A=522 GPa,B=7 GPa,R1=4.4,R2=0.87,ω=0.32?？諝獠捎每漳Ｐ秃途€性多項式。殼體與鉸鏈均采用LY12鋁合金，分別采用剛性和動塑性模型描述，具體參數分別為：ρ=2.71 g/cm3,E=73 GPa,σ=325 MPa,γ=0.34。

2.2 結果與分析

圖7為兩種鉸鏈裝配下戰斗部最終展開時刻應力分布云圖，普通鉸鏈在碰撞位置接觸部分應力最高，而能量吸收鉸鏈高應力區域均勻分布于凸臺中，使受力更加分散，有效保護鉸鏈。

圖7 應力分布云圖Fig.7 Stress distribution

能否降低碰撞力是吸能裝置重要的衡量指標，不同輔助藥量下A、B兩組鉸鏈碰撞力峰值見表2。吸能鉸鏈的碰撞力峰值明顯比普通鉸鏈的低，并隨著裝藥量增加降低幅度增大。B組鉸鏈碰撞力峰值明顯高于A組鉸鏈，所以B組鉸鏈更容易發生破壞。相同裝藥量所產生的化學能相同，忽略爆轟產物及摩擦消耗的能量，大部分能量轉化為主裝藥部分展開的動能，鉸鏈在限位碰撞過程中將部分動能不可逆地轉化為塑性變形能即鉸鏈所吸收的能量，變形越大則能量吸收越多，從而滿足限位時結構完整性的要求。各組鉸鏈在不同輔助藥量下吸能見表2，由于數值模擬中對鉸鏈軸無相對位移約束，無法反映碰撞過程中材料達到屈服極限發生斷裂情況，所以數據為鉸鏈完整情況下提取?？梢钥闯?，能量吸收鉸鏈明顯提升了吸能效果，并且隨著裝藥量的增加能量吸收率提高更明顯。

表2 不同藥量下鉸鏈的碰撞力峰值和能量吸收Table 2 Impact peak value and energy absorption of hinge with different charges

圖8 不同裝藥量下主裝藥結構展開角度Fig.8 Evolving angles of main charge structure with different auxiliary charges

圖8為不同輔助藥量下各主裝藥部分之間展開角度，隨著裝藥量的增加，主裝藥達到限位角度的時間大幅提前，θ最終展開角度增幅較明顯。普通鉸鏈裝配結構兩個角度都超過了90°，最大甚至達到110°，實際工況下B組鉸鏈將發生嚴重破壞。能量吸收鉸鏈裝配結構的最終展開角度基本維持在90°左右，滿足最佳展開角度限位要求，理論上可以保證鉸鏈的完整性，為主裝藥提供更好的起爆條件，以完成對目標的高效毀傷。

3 靜爆實驗

3.1 實 驗

展開式戰斗部以及兩種限位鉸鏈結構均按照三維模型1∶1比例尺寸加工裝配，選用黑索金為輔助裝藥， 8號雷管引爆，通過高速攝影設備記錄主裝藥部分的展開時間以及展開過程，圖9為展開式戰斗部及普通鉸鏈裝配示意圖。不同藥量下兩種鉸鏈裝配的戰斗部靜爆展開實驗的具體數據,見表3。

圖9 實驗結構Fig.9 Experiment structure

表3 實驗數據Table 3 Experiment data

考慮戰斗部結構自身重力因素以及鉸鏈在展開過程中的摩擦力因素影響，表中實驗展開時間比數值模擬的計算展開時間長。隨著輔助藥量的增加，這些因素的影響基本可以忽略，同時依據引戰配合計算，展開時間基本需在10 ms以內[14]。普通鉸鏈在限位過程中均發生了嚴重的破壞，而能量吸收鉸鏈則有效保證了鉸鏈結構的完整性，使戰斗部到達最佳展開姿態時，破片在一定范圍內穩定朝向目標，提高主裝藥起爆后的破片利用率，達到高效毀傷效果。

3.2 結果對比

圖10為裝藥量15g 時兩種鉸鏈裝配戰斗部結構回收后的鉸鏈部分狀態對比。B組普通鉸鏈出現了明顯的斷裂情形，模擬結果顯示出展開角度過大，但整體結構相對保存完整；而能量吸收鉸鏈則沒有破壞，模擬結果也顯示戰斗部結構在這個藥量下還有展開余量，說明還可以繼續增加載荷強度。

圖10 15 g裝藥量下鉸鏈狀態的數值模擬與實驗結果對比Fig.10 Simulation and experimental results of status of hinges with 15 g charge

圖11 20 g裝藥量下鉸鏈狀態的數值模擬與實驗結果對比Fig.11 Simulation and experimental results of status of hinges with 20 g charge

圖11為裝藥量20 g時兩種鉸鏈裝配戰斗部結構回收后的鉸鏈部分狀態對比。普通鉸鏈徹底斷裂，模擬結果顯示展開角度完全超出了限位90°，實驗結果與模擬結果發生破壞的位置相同。同時，模擬結果和實驗結果均可以反映：普通鉸鏈在發生限位時主裝藥部分將依靠慣性繼續展開，并使B組鉸鏈軸最終斷裂；而能量吸收鉸鏈則保證了結構的完整性，數值模擬結果也表明最終展開角度為90°，塑性變形集中在凸臺處。

綜合實驗結果與數值模擬結果，能量吸收鉸鏈不僅可以滿足展開式戰斗部主裝藥部分展開時間的要求，而且能保證戰斗部在最佳姿態時鉸鏈結構及戰斗部整體結構的完整性，在一定時間范圍內確保主裝藥部分在最佳展開角度的穩定性，降低后續主裝藥的起爆難度。這為進一步優化引戰配合設計提供參考。

4 結 論

對展開式戰斗部中鉸鏈結構進行限位動作時出現的斷裂現象，從受力與能量吸收兩方面進行分析，對普通鉸鏈進行了吸能優化，設計了一種能量吸收鉸鏈結構。通過數值模擬分析以及戰斗部靜爆實驗，研究了不同輔助裝藥量下兩種鉸鏈的限位效果與結構完整性，得出以下結論。

(1)能量吸收鉸鏈設計合理可靠，保證了展開式戰斗部在達到限位角度時結構的完整性，再優化參數可以進一步提高展開速度，最大限度滿足引戰配合對于展開時間的需求。

(2)展開式戰斗部及鉸鏈結構的三維模型計算方法清晰反映了，能量吸收鉸鏈限位過程中塑性變形集中在吸能凸臺部分，A、B兩組鉸鏈能量吸收率分別提高了36%和17%，碰撞力峰值分別降低了34%和50%，充分體現了能量吸收鉸鏈降低碰撞力峰值與提高能量吸收的特性。

(3)靜爆實驗證明了，展開式戰斗部在不同輔助裝藥量下到達限位角度時，能量吸收鉸鏈在提高展開速度的前提下有效保護了戰斗部結構限位時的完整性，驗證了數值模擬計算方法的可靠性與鉸鏈設計方案的合理性。

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(責任編輯 丁 峰)

Energy absorption hinge of evolvable warhead

Zhao Yuzhe, Ning Jianguo, Xu Xiangzhao, Ma Tianbao

(StateKeyLaboratoryofExplosionScienceandTechnology,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China)

The limit hinge is one of key technologies in the design of evolvable warheads, and its damage efficiency is determined by keeping its integrity in the deploying process of the warhead. In this paper, a novel hinge with energy absorption properties was designed based on dynamic principles and theoretical models of evolvable warheads, and the evolving process of the evolvable warhead with charges of varying sizes was numerically simulated, and the different performances of the ordinary hinge and the energy absorption hinge compared and examined, with a particular focus on the status of force and energy absorption undergone by the warhead when the limit angel was reached. The results show that the energy absorption hinge can reduce the impact force and improve energy absorption. The results of the experiment carried out on the evolvable warhead structure equipped with the two kinds of hinges show that the traditional hinge suffers damage in varying degrees, while our novel hinge with energy absorption keeps the structural integrity, proving that the energy absorption hinge will ensure the integrity of the warhead and the hinge when reaching the limit angel, and verifying the rationality of the energy absorption hinge design plan and the reliability of the numerical simulation.

solid mechanics; energy absorption and buffer property; nonlinear calculation; nenergy absorption hinge; evolvable warhead; static explosion experiment

10.11883/1001-1455(2016)06-0811-08

2015-04-27； < class="emphasis_bold">修回日期：2015-07-05

2015-07-05

國家自然科學基金項目(11390363,11372046)

趙宇哲(1986— )，男，博士研究生;

馬天寶,madabal@bit.edu.cn。

O342;TG410.3 <國標學科代碼：1301565 class="emphasis_bold"> 國標學科代碼：1301565 文獻標志碼：A國標學科代碼：1301565

A