圓弧桿球交錯組合破片戰斗部破片飛散特性數值模擬*

王義磊,董素榮,姜 弛

(中北大學機電工程學院,太原 030051)

圓弧桿球交錯組合破片戰斗部破片飛散特性數值模擬*

王義磊,董素榮,姜 弛

(中北大學機電工程學院,太原 030051)

為了進一步提高戰斗部的毀傷能力,進而比較了同一戰斗部上相同體積的兩種形狀的破片,運用ANSYS/LS-DYNA對該戰斗部進行了飛散特性數值模擬。分析了交錯排列和不同形狀對戰斗部爆炸破片的速率以及破片形成空間狀態的影響。模擬結果表明:圓弧桿破片的平均速率最大,球破片平均速率最小;在任一時刻破片飛散,整體表現均為預制破片球形成的“體”殺傷和圓心角為30°的圓弧桿形成的“體”殺傷組合成的復合“體”殺傷,模擬結果可為戰斗部的設計提供了有益的參考。

交錯式破片戰斗部;爆炸力學;復合“體”殺傷;殺傷戰斗部;預制破片;飛散特性數值模擬

0 引言

交錯式破片戰斗部是破片相互交錯,將破片固定在圓柱形炸藥上的戰斗部,其交錯就是相鄰破片的位置相互錯位或者不同形狀的破片間隔的錯位排列。當炸藥在爆炸后,破片飛散過程中空隙之間能得到相互補充,進而增大了對目標的命中概率。傳統的單段破片戰斗部在破片數量上以及對目標的擊中概率都不能滿足當今武器系統對目標的作戰要求[1]。相對于同體積的單段破片戰斗部而言,該戰斗部破片數量多,對目標命中概率高,因而對目標毀傷概率高。融入錯位技術,在破片總數不變的情況下,可進一步提高破片殺傷密度及殺傷概率。因此交錯式戰斗部對戰斗部的結構設計具有一定的指導意義。

由于這種戰斗部既繼承了傳統的預制破片殺傷戰斗部對有生力量、無裝甲或者輕型裝甲車輛、飛機、導彈、雷達等武器裝備的殺傷和采用離散桿式的防空反導戰斗部對空中目標如飛機、導彈的毀傷能力進一步增大,又繼承了離散桿形式的破片可以達到預制破片球不易達到的毀傷效果[2]。因此,文中給出了一種交錯式破片戰斗部,運用有限元計算軟件ANSYS/LS-DYNA,結合Lagrange和ALE算法,對該戰斗部進行了飛散特性數值模擬,分析了交錯式破片的速度及破片所形成的殺傷環的直徑、破片在空間的距離。研究結果對戰斗部的結構設計提供了一定的依據。

1 交錯式破片戰斗部計算結構模型及材料參數

1.1 計算結構模型

設計的交錯式破片戰斗部結構簡圖如圖1所示,其計算模型如圖2所示。該交錯式破片戰斗部簡化結構是由主裝藥、內襯、圓心角為30°的圓弧桿和預制破片球交錯式破片組成。其中主裝藥的直徑為74 mm,其質量為1 095.9 g;內襯厚為3 mm,其質量為281.4 g;藥柱高為140 mm;其中圓心角為30°的圓弧桿的桿條截面直徑為5 mm,由圓環體的體積計算公式結合該戰斗部來計算該截面直徑為5 mm,由12個圓心角為30°的圓弧桿組成的圓環體的體積為5 243.2 mm3,那么該圓心角為30°的圓弧桿的體積為436.9 mm3;為了便于比較,預制破片球與圓心角為30°的圓弧桿的體積相同,經計算得知,預制破片球的直徑為9.4 mm。圓心角為30°的圓弧桿質量與預制破片球質量均為3.41 g。根據戰斗部的高度及直徑、圓弧桿的截面直徑、球體的直徑,經計算得知該戰斗部有9個交錯式破片,即9個圓環體每個圓環體是由12個圓心角為30°的圓弧桿組成,圓環體與圓環體之間錯位5°排列[3];9層預制破片球,每層預制破片球是由29個預制破片球周向排列組成,相鄰預制破片球的中心與藥柱的中心軸之間的垂直連線之間的夾角為12.4°,以上數據是由計算器計算,并且ANSYS支持這些數據。

圖1 交錯式破片戰斗部結構簡圖

圖2 該戰斗部計算模型

該戰斗部的計算模型由3個部分組成,即3個part。其中part 1為主裝高能炸藥,part 2為鋁內襯,part 3為9個圓環體和9層預制破片球交錯式破片;該戰斗部的計算模型的網格總數為350 784個,其中part 1的網格數為96 000個,part 2的網格數為12 000個,part 3的網格數為242 784個。

1.2 破片的理論速率的計算

為了計算破片的理論速率v0,首先對其作以下幾點假設[4]:①假定爆轟是瞬時的;②不考慮爆轟產物沿裝藥軸向的飛散,爆轟產物的徑向流動速率按線性分布;③炸藥能量全部轉化為破片能量和爆轟產物動能;④殼體在爆炸后形成的所有破片具有相同的初速率。對于桿狀和預制破片球,利用修正的大量試驗驗證的Gurney公式[4]:

(1)

β=C/M

(2)

式中:D為炸藥的爆速(m/s);C為裝藥質量(g);M為金屬質量(g)。

1.3 材料參數

建立全模型,為了避免單元發生畸變炸藥和空氣采用多物質ALE算法,鋁內襯、圓弧桿與預制破片球使用拉格朗日算法,并通過CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID關鍵字進行耦合[5-7]。采用cm-g-μs-Mbar單位制建模。其中主裝藥選用炸藥DO-XX[7],模型為HIGH_EXPLOSIVE_BURN,用JWL狀態方程來描述爆炸中爆轟氣體產物的壓力、能量和體積膨脹特性。狀態方程表達式為:

(3)

式中:ρ為炸藥密度;D為爆速;A、B、R1、R2、ω為炸藥的相關常數。炸藥DO-XX材料的主要參數如表1所示。

表1 主裝藥DO-XX的基本材料參數

由于鋁內襯不僅能夠在炸藥爆炸后使破片受到爆轟力均勻,而且材料的吸能少、密度小使得破片的速率得到提高[8]。所以在主裝炸藥和圓心角為30°的圓弧桿與預制破片球之間放置了3 mm厚的鋁內襯,采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型,鋁內襯的基本材料參數見表2。

表2 鋁內襯材料的主要參數

圓弧桿和球的材料采用ST-4130,采用MAT_ELASTIC材料模型,不同形狀破片的基本材料參數見表3空氣采用MAT_NULL空材料模型和EOS_LINEAR_POLYNOMIAL線性多項式狀態方程。取密度為1.293×10-3g/cm3。

表3 圓弧桿和球材料ST-4130的主要參數

1.4 起爆方式

兩端點起爆[9],即主裝藥的兩底面中心點為兩端點的起爆點。

2 模擬結果及分析

2.1 兩端點起爆方式下破片部分時刻的飛散情況

圖3中在兩端點起爆方式下該組合戰斗部的殺傷元破片從起爆到破片趨于平衡35 μs內的幾個時刻分別為10 μs、15 μs、25 μs、35 μs的正視圖以及在100 μs、150 μs時刻下的空間飛散情況的正、俯視圖。

圖3 戰斗部的殺傷元部分時刻空間飛散分布圖

2.2 分析

圖3為該戰斗部在兩端點起爆方式下的部分時刻的破片飛散的空間分布圖。破片在爆炸驅動作用下,發生了徑向平動和轉動的合成運動。由圖3中可知10 μs時刻戰斗部上端起爆點剛剛起爆,使上端及附近的破片賦予一定的能量,即動能,于此同時爆轟波開始沿著戰斗部的中心軸線向下端傳播,隨著時間的增長,破片的能量開始逐漸增大,在15 μs時刻,戰斗部的上端及附近有一定的膨脹,下端沒有反應;經過計算得出爆轟波沿著戰斗部的中心軸線從上端點傳到下端點的時間大約為15.766 μs,即對應的時刻為15.766 μs剛剛引爆戰斗部下端的起爆點,隨著時間的增長,戰斗部下端及附近的破片的能量開始增大,即戰斗部下端及附近開始膨脹,如25 μs、35 μs以及100 μs、150 μs等時刻戰斗部下端及附近均表現已膨脹。當戰斗部的殺傷元趨于恒定時,戰斗部膨脹結束,即戰斗部以一定的速度和膨脹殺傷域即帶有很大速率的“體”殺傷域來殺傷目標;以最終時刻預制破片球形成的殺傷環為基準,可得該戰斗部每一層殺傷元的殺傷環直徑及每兩環中心之間在y向上的距離如表4所示

由表4可見,該組合戰斗部每一層的圓弧桿破片的殺傷環明顯大于預制破片球的殺傷環,圓弧桿殺傷環的平均直徑為164.714 cm,預制破片球的殺傷環的平均直徑為105.756 cm。因此,整個戰斗部最終表現為內層為預制破片球組成的“體”殺傷域和圓心角為30°的圓弧桿組成的“體”殺傷域結合形成的雙層“體”殺傷域,由圖3可見。這對目標的命中概率和殺傷密度、毀傷效果有顯著的提高。由表4還可知,殺傷環的直徑隨著層數的增大,呈現為先增大后減小的趨勢,并且層與層之間的殺傷環直徑相差不是很大,這是形成緊密的殺傷區域來提高對目標的毀傷效果的有利優勢。而且最終形成的殺傷環,環與環中心之間在y方向上的距離不超過13 cm。因此,可推知多段破片戰斗部對目標的命中概率、殺傷密度、毀傷效果較之單段破片戰斗部高,并且能更有效的攔截打擊目標。

表4 殺傷環的參數

3 兩端點起爆方式下破片的速度分析

為了便于分析,按戰斗部從左到右的順序,選擇戰斗部最右端各個破片上的一個單元,每一個單元代表一層破片的平動初速度,如圖4所示。通過LS-PREPOST繪制出兩端點起爆方式下破片的速度-時間歷程曲線,如圖5所示。

圖4 戰斗部最右端各個破片上的一個單元

該戰斗部在炸藥的爆轟驅動下,其殺傷元破片最終的速度時間歷程曲線,如圖5所示,再結合圖4可知,最先穩定為預制破片球,其次為圓弧桿破片。它們最終穩定的時間都不到35 μs。由圖4、圖5見,可得兩端點起爆方式下該戰斗部每層破片平動初速率參數,如表5所示。

圖5 兩端點起爆下破片的速度-時間歷程曲線

表5 兩端點起爆下破片的平動初速率參數

由表5可知,破片速率是隨著層數的增加,呈先增大后減小的趨勢,并且各層的破片速率相差不多。由于該炸藥是鈍感奧克托今其爆速很高,因此表5中桿條的速率和預制破片球的速率都很大。經計算圓心角為30°的圓弧桿條的平動平均速率為1 424.8 m/s,預制破片球的平動平均速率為926.3 m/s。由第一節的破片速率的Gurney公式(1)得出的兩種形狀的破片理論平動初速率:圓弧桿為1 348.58 m/s,預制破片球為1 066.80 m/s。由模擬所得破片平均速率和公式計算對比可知,對于圓弧桿破片模擬結果與公式計算相對誤差為5.6%,預制破片球模擬結果與公式計算相對誤差為13.1%,破片的速率在理論與模擬計算上符合的較好,因此,文中使用的結構模型和材料參數、計算方法值得可信,可為戰斗部的工程設計提供一定的理論指導。

4 結論

文中利用有限元計算軟件ANSYS/LS-DYNA在兩端點起爆方式下,對該交錯式破片戰斗部進行了數值模擬。模擬結果與理論分析基本一致。通過計算模型和數值模擬研究得出:在兩端點起爆下,破片飛散分布均勻,炸藥爆轟波的傳輸比較均勻,破片的受力比較平衡,圓心角為30°的圓弧桿的平均速率較預制破片球的平均速率大,并且組合破片數量相對單一破片數量多。從破片速率上講,對同一目標的毀傷效果而言,圓心角為30°的圓弧桿相對預制破片球較好且殺傷威力大;從破片的數量上講,組合破片的數量多于相同體積的單一破片的數量,組合破片對擊中目標的概率明顯較高;并且各個時刻的破片飛散,整體上均表現為一個復合“體”殺傷,由于兩種形狀的破片平均速率不同,外層總是為圓心角為30°的圓弧桿組成的“體”殺傷,內層為預制破片球組成的“體”殺傷,從而明顯增大了對目標的命中概率和殺傷密度以及對目標的毀傷效果的增大。因此,在戰斗部的結構設計中,組合破片及破片的空間排列位置是值得探討的。

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NumericalSimulationofFragmentScatteringCharacteristicsforaArcRod-SphericalStaggeredFragmentWarhead

WANG Yilei,DONG Surong,JIANG Chi

(School of Mechatronics Engineering,North University of China,Taiyuan 030051,China)

In order to improve damaging ability of warhead,two different shapes of fragments with the same volume in a warhead were compared.The warhead was simulated and analyzed by ANSYS/LS-DYNA on scattering characteristics.The effects of alternate permutation and different shapes of fragment on velocity of the fragments formed by warhead explosion and fragment spatiality were analyzed.Simulation shows that average speed of arc-shaped lever is the fastest and the spherical-debris is the lowest; The scattering fragment at any moment can be preformed as a composite “volume” damage that consist of the “volume” damage by premade spherical fragment and premade arc rod fragment with central angle of 30°.The result of numerical simulation can provide a useful reference for design of discrete rod combined warhead.

staggered fragment warhead; explosive mechanics; composite “volume” damage; damaging warheads; premade fragment; numerical simulation of scattering characteristics

10.15892/j.cnki.djzdxb.2017.02.020

2016-05-20

王義磊(1985-),男,安徽宿州人,碩士研究生,研究方向:戰斗部毀傷技術。

TJ760.3

A