新型雙層離散桿戰(zhàn)斗部桿條飛散的數(shù)值研究

魯修國，陳英萍，李玉生

(重慶長安工業(yè)有限責(zé)任公司， 重慶 401120)

【裝備理論與裝備技術(shù)】

新型雙層離散桿戰(zhàn)斗部桿條飛散的數(shù)值研究

魯修國，陳英萍，李玉生

(重慶長安工業(yè)有限責(zé)任公司， 重慶 401120)

針對多段離散桿戰(zhàn)斗部各段桿環(huán)間隙大的問題，提出了一種新型雙層離散桿戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)，利用非線性有限元軟件進(jìn)行了爆炸載荷下雙層離散桿戰(zhàn)斗部桿條飛散過程的數(shù)值模擬分析。研究結(jié)果表明，新型雙層離散桿戰(zhàn)斗部能夠形成兩個相互交叉且獨(dú)立的殺傷環(huán)，可對目標(biāo)產(chǎn)生網(wǎng)狀切割作用及二次毀傷，有效提高對目標(biāo)關(guān)鍵部位的殺傷密度及毀傷概率。

戰(zhàn)斗部；雙層離散桿；數(shù)值模擬

離散桿戰(zhàn)斗部是一種特殊的預(yù)制破片戰(zhàn)斗部，采用金屬桿條作為殺傷元素。當(dāng)戰(zhàn)斗部裝藥爆炸后，驅(qū)動金屬桿條向外高速飛行。由于桿體具有較大的質(zhì)量和速度，因而具有較高的侵徹能力，可對武裝直升機(jī)、導(dǎo)彈等目標(biāo)實(shí)現(xiàn)“線切割”毀傷[1]。近年來，可控旋轉(zhuǎn)離散桿戰(zhàn)斗部已經(jīng)成為防空戰(zhàn)斗部的重要類型之一，由于兼顧了連續(xù)桿戰(zhàn)斗部(連續(xù)切割)和離散桿戰(zhàn)斗部(初速高)的優(yōu)點(diǎn)備受國內(nèi)外的關(guān)注[2-5]，更有人提出了針對細(xì)長桿狀目標(biāo)的雙束旋轉(zhuǎn)式[6-7]與三段可控離散桿戰(zhàn)斗部[8]，以增加桿條密度，保證離散桿毀傷效果，但該類戰(zhàn)斗部離散桿環(huán)間的軸向間距較大，與單層可控離散桿戰(zhàn)斗部相比，軸向單位距離的桿條數(shù)量與對目標(biāo)的毀傷效果無明顯優(yōu)勢。為此，本文提出一種新型雙層離散桿戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用有限元軟件對其桿條飛散過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，可為離散桿戰(zhàn)斗部設(shè)計提供一種新的選擇。

1 新型雙層離散桿戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)描述

新型雙層離散桿結(jié)構(gòu)簡圖如圖1，其幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有7個，即戰(zhàn)斗部直徑Dd，主裝藥直徑D，藥柱高H，桿條直徑Dr，桿條長度L，桿條斜置角θ，內(nèi)襯壁厚hn。它是在可控旋轉(zhuǎn)離散桿戰(zhàn)斗部原有桿環(huán)外側(cè)再添加一層具有與內(nèi)層桿環(huán)傾斜方向相反而角度相等的斜置角的桿環(huán)。在炸藥裝藥起爆后，爆轟作用使與戰(zhàn)斗部軸線具有一定斜置角的桿條的兩端形成不同的速度矢量，使其在徑向飛散的同時，也伴隨側(cè)向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。隨著桿條不斷旋轉(zhuǎn)調(diào)整姿態(tài)，桿條在特定殺傷半徑處形成一個準(zhǔn)連續(xù)的“殺傷環(huán)”，產(chǎn)生類似于連續(xù)桿的切割作用。由于該結(jié)構(gòu)具有兩層斜置角方向相反的離散桿，故而會形成兩個相互交叉的“殺傷環(huán)”，進(jìn)而對目標(biāo)產(chǎn)生網(wǎng)狀切割作用。

圖1 新型雙層離散桿結(jié)構(gòu)簡圖

本文討論的模型結(jié)構(gòu)參數(shù)為：戰(zhàn)斗部直徑為100 mm；主裝藥采用B炸藥，裝藥直徑為74 mm，藥柱高140 mm；離散桿材料為10號鋼，采用圓柱形桿條結(jié)構(gòu)，尺寸為φ5 mm×140 mm；內(nèi)、外層桿條與戰(zhàn)斗部軸線的斜置角為6°和-6°，錯位排放(即各桿對應(yīng)另一層相鄰桿的中間位置)，每層排布52根；內(nèi)層桿條與裝藥之間放置鋁內(nèi)襯，壁厚3 mm。起爆方式為中心軸線起爆。

2 算法和計算模型的建立

為了更好的模擬炸藥爆轟和離散桿飛散的過程，本文采用LS-DYNA中的多物質(zhì)ALE算法，其中，主裝藥和空氣采用Euler單元，用六面體實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分；兩層桿環(huán)及內(nèi)襯均采用單點(diǎn)積分Lagrange體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并置入主裝藥和空氣域的Euler場中，采用流固耦合方式求解Lagrange網(wǎng)格和Euler網(wǎng)格之間的相互作用，而Lagrange介質(zhì)之間則采用程序自帶的自動面面接觸算法(CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_ TO_SURFACE)。在模型的邊界節(jié)點(diǎn)上采用壓力流出邊界條件，避免壓力在邊界上的反射。

由于結(jié)構(gòu)模型的非對稱性，計算中采用全模型。戰(zhàn)斗部的有限元幾何模型如圖2所示，共6個Part。其中Part1～Part2為內(nèi)層桿條，Part3為內(nèi)襯，Part4～Part5為外層桿條，Part6為主裝藥。內(nèi)、外層桿條Part的劃分示意圖如圖3所示。離散桿采用ELASTIC材料模型，鋁內(nèi)襯采用PLASTIC_ KINEMATIC材料模型，炸藥采用HIGH_ EXPLOSIVE_BURN材料模型和JWL狀態(tài)方程來描述，離散桿、鋁內(nèi)襯和炸藥材料計算中所用參數(shù)參見文獻(xiàn)[9]；空氣域采用NULL材料模型和LINEAR_ POLYNOMIAL狀態(tài)方程來描述，空氣的具體參數(shù)值參見文獻(xiàn)[10]。計算時間500 μs。計算中所采用的單位為cm-g-μs。

圖2 有限元模型

圖3 桿條Part劃分示意圖

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 離散桿桿條分布情況

如圖4所示為爆炸載荷下，在t為30 μs、100 μs、230 μs、260 μs、300 μs、360 μs、410 μs、460 μs時刻雙層離散桿戰(zhàn)斗部桿條飛散分布圖像。

由圖4～圖5可以看出，炸藥起爆后，雙層離散桿由于受到主裝藥爆轟產(chǎn)物的強(qiáng)烈沖擊和鋁內(nèi)襯的推動力開始徑向膨脹變形，獲得一定的加速度，兩層離散桿的桿條徑向方向飛散，且產(chǎn)生了彎曲變形。由于主裝藥和桿條之間有鋁內(nèi)襯的作用，內(nèi)層桿條受力均勻，保證了爆轟波不至于過早的通過內(nèi)層桿條間的間隙滲漏，而外層桿條則受內(nèi)襯與內(nèi)層桿條綜合推力向外擴(kuò)散，并在12 μs時與內(nèi)層桿條脫離接觸，形成兩個相對獨(dú)立的離散桿環(huán)。在進(jìn)行到50 μs時，主裝藥的爆轟能量趨于0，如圖6所示，此時，鋁內(nèi)襯完全失效，喪失對桿條的推動力，內(nèi)、外層桿條因慣性作用繼續(xù)沿戰(zhàn)斗部的徑向方向向外擴(kuò)張，因此在其后的計算過程中刪除內(nèi)襯與主裝藥繼續(xù)求解。

圖4 雙層離散桿飛散過程典型時刻狀態(tài)

圖5 雙層離散桿飛散過程典型時刻側(cè)視圖

圖6 炸藥能量隨時間變化

當(dāng)t為100 μs、230 μs、260 μs時，兩層斜置角方向相反的桿條由于慣性繼續(xù)向外飛散，并在飛散過程中同時在垂直于徑向運(yùn)動方向的平面內(nèi)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，各根桿條與戰(zhàn)斗部軸線的夾角逐漸增大，內(nèi)、外各層的桿條之間的距離也明顯被拉開，各自形成帶小間隙的“殺傷環(huán)”。從圖5可以看出，在內(nèi)、外兩層離散桿形成殺傷環(huán)的過程中，同時形成網(wǎng)狀布局，在410μs時，兩層離散桿各個獨(dú)立的桿條首尾相連，形成兩個封閉的圓，達(dá)到各自封閉狀態(tài)時的最大圓，且兩圓組成“×”形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，形成2個準(zhǔn)連續(xù)殺傷環(huán)，對周圍目標(biāo)進(jìn)行毀傷。隨著時間的推移，兩個桿環(huán)將被進(jìn)一步拉開，但內(nèi)層桿和外層桿周向重疊，增加了作用于目標(biāo)的桿條密度，避免了單層離散桿向外飛散造成相鄰桿條間距大而產(chǎn)生的不利因素，有效地增強(qiáng)了殺傷威力。表1為雙層離散桿戰(zhàn)斗部在410 μs時形成“殺傷環(huán)”的環(huán)參數(shù)。

表1 殺傷環(huán)參數(shù)

從表1中可以看出，在炸藥爆轟驅(qū)動下，雙層離散桿桿條的飛散會形成兩個準(zhǔn)連續(xù)“殺傷環(huán)”，兩個“殺傷環(huán)”的間距為4.6 cm。與單層單束離散桿相比，無論是從桿條數(shù)目還是桿條的空間位置分布，雙層離散桿都能更有效的打擊目標(biāo)的關(guān)鍵部位。

3.2 爆轟驅(qū)動下桿條的時間歷程曲線分析

由于雙層離散桿戰(zhàn)斗部的桿條是在鋁內(nèi)襯外側(cè)呈內(nèi)、外圓周排布，且桿條合速度不是一個簡單的衰減或增加的算術(shù)過程，而是x，y，z三個方向的速度矢量的疊加。分別選取內(nèi)、外層的特征桿條Part1和Part5為研究對象，繪制了桿條飛散全過程的速度與動能隨時間變化曲線如圖7所示。

從圖7可以看出，炸藥起爆4 μs后，內(nèi)層桿條獲得加速度開始加速，在6 μs時，外層桿條受內(nèi)層桿條的驅(qū)動也開始加速運(yùn)動，內(nèi)層桿條速度略有降低。在8 μs時，內(nèi)層桿條在爆轟驅(qū)動下與外層桿緊密貼合，以相同的加速度開始加速飛散。在10 μs時刻外層桿條速度增加到1 122.1 m/s，此刻內(nèi)層桿條的速度較低，約764.9 m/s。隨著時間的推移，爆轟能量持續(xù)作用，驅(qū)動桿條加速，且內(nèi)層桿條加速度大于外層桿條，在23 μs時內(nèi)、外層桿條達(dá)到相同的飛散速度1 146.2 m/s。由于戰(zhàn)斗部兩端稀疏波的作用，內(nèi)、外層各桿條的兩端徑向方向運(yùn)動較慢，并伴有一定的變形，在第45 μs左右，內(nèi)、外層桿條發(fā)生短暫的局部碰撞，造成內(nèi)層桿條速度降低。隨著內(nèi)、外層桿條的間距增大，桿條的速度增幅因稀疏波的進(jìn)入而變慢，并在225 μs后趨于穩(wěn)定。此后，內(nèi)、外層桿條不再加速，而是以穩(wěn)定的速度飛散，且外層離散桿的桿條速度大于內(nèi)層離散桿的桿條速度，這就保證了雙層離散桿對目標(biāo)進(jìn)行毀傷時，外層離散桿先到達(dá)目標(biāo)，與目標(biāo)作用，內(nèi)層桿隨后跟進(jìn)，對目標(biāo)進(jìn)行二次毀傷。上述結(jié)果說明，在本文計算參數(shù)條件下，雙層離散桿結(jié)構(gòu)可以形成兩個獨(dú)立的殺傷環(huán)，能夠?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行先后兩次切割毀傷，同時，兩個殺傷環(huán)可以組合成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，對目標(biāo)起到網(wǎng)狀切割作用。

圖7 特征桿條速度、動能隨時間變化曲線

4 結(jié)論

1) 數(shù)值模擬表明，雙層離散桿戰(zhàn)斗部在爆炸載荷下能夠形成兩個相互交叉的“殺傷環(huán)”，對目標(biāo)可產(chǎn)生網(wǎng)狀切割作用。

2) 與普通單層可控離散桿戰(zhàn)斗部形成“殺傷環(huán)”對目標(biāo)進(jìn)行毀傷的過程相比，雙層離散桿戰(zhàn)斗部形成兩個獨(dú)立的“殺傷環(huán)”，且在外層環(huán)切割目標(biāo)后，內(nèi)層環(huán)能夠隨進(jìn)對目標(biāo)進(jìn)行二次毀傷。

3) 雙層離散桿戰(zhàn)斗部融入雙層錯位技術(shù)，與單層單束旋轉(zhuǎn)式離散桿戰(zhàn)斗部相比，軸向單位距離上桿條密度增加，桿條對目標(biāo)的侵徹面積增大，增加了對目標(biāo)關(guān)鍵部位的殺傷密度及殺傷概率，提高了戰(zhàn)斗部的毀傷威力。

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NumericalSimulationontheEjectionProcessofDouble-DeckDiscreteRodWarhead

LU Xiuguo， CHEN Yingping， LI Yusheng

(Chongqing Changan Industrial (Group) Co., Ltd., Chongqing 401120, China)

A new double-deck discrete rod warhead was proposed for the problem of the multi-stage discrete rod warheads. A nonlinear finite element software was used to complete the numerical simulation of the double-deck discrete rod deploying under explosion load，and the simulation results were analyzed. The results show that the new double-deck discrete rod warhead can form two inter-digitated and independent killer rings, which can produce mesh cutting and secondary damage to the target, so the killing density and the probability of damage on key parts of targets can effectively be improved.

warhead; double-deck discrete rod; numerical simulation

2017-06-06；

2017-06-27

魯修國(1985—)，男，工程師，主要從事戰(zhàn)斗部技術(shù)研究。

10.11809/scbgxb2017.10.005

本文引用格式：魯修國，陳英萍，李玉生.新型雙層離散桿戰(zhàn)斗部桿條飛散的數(shù)值研究[J].兵器裝備工程學(xué)報，2017(10):21-24.

formatLU Xiuguo，CHEN Yingping，LI Yusheng.Numerical Simulation on the Ejection Process of Double-Deck Discrete Rod Warhead[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(10):21-24.

TJ410

A

2096-2304(2017)10-0021-04

(責(zé)任編輯周江川)