預制破片的形狀對破片飛散性能影響的數值模擬研究

史志鑫，尹建平，王志軍

(中北大學 機電工程學院， 太原 030051)

【彈藥工程】

預制破片的形狀對破片飛散性能影響的數值模擬研究

史志鑫，尹建平，王志軍

(中北大學 機電工程學院， 太原 030051)

為了提高戰斗部的作戰毀傷性能，本文設計了一種將預制破片與EFP結合的戰斗部。運用ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件模擬了預制破片的飛散過程和戰斗部中EFP的成型效果，比較了四種形狀的預制破片對破片的飛散速度、戰斗部中裝填預制破片數量和破片飛散效果的影響。研究結果表明：當戰斗部的裝藥結構尺寸一定，單個預制破片的質量一定，而形狀不同時效果不同。形狀為球形，戰斗部中能夠裝填預制破片的數量最少，預制破片的平均速度最高；形狀為三棱柱，戰斗部的中能夠裝填預制破片的數量最多，預制破片的平均飛散速度最低。正方體預制破片飛散的整體效果較為整齊，三棱柱預制破片的飛散較為密集。將預制破片戰斗部與EFP戰斗部結合的戰斗部結構，藥型罩對預制破片飛散速度有一定的影響，而藥型罩的存在也會影響爆轟波在藥柱中的傳播。

EFP；預制破片；數值模擬

隨著預制破片戰斗部以及EFP戰斗部發展的日益成熟，將預制破片與EFP用于同一戰斗部的方法也發展起來。預制破片戰斗部克服了自然破片戰斗部殼體爆炸后不能全部形成有效破片的缺點。EFP戰斗部利用成型裝藥聚能效應能有效的對裝甲以及鋼筋混凝土等防御工事進行有效毀傷，所以將預制破片戰斗部與EFP戰斗部結合會很大程度上提高戰斗部的毀傷效應。

預制破片戰斗部能夠根據作戰要求對預制破片的大小、材料和形狀等影響毀傷效能的因素進行選擇，做到最大限度的發揮戰斗部的作戰性能。吳宏斌等人[1]利用ANSYS/LS-DYNA仿真軟件對定向預制破片戰斗部的研究做了一定研究，得出關于破片飛散等一系列的結論。魏峰[2]對預制破片的分散動態和預制破片在空氣中的衰減進行了研究。韓夫亮[3]對預制破片戰斗部爆炸威力場進行了研究，分析了預制破片在爆轟波的驅動下的相互碰撞過程。EFP戰斗部是利用成型裝藥技術并采用大錐角的藥型罩，戰斗部起爆后利用炸藥起爆后產生的能量把藥型罩壓垮或反轉成飛行速度較高的EFP，飛行速度較高的EFP利用自身的動能侵徹靶板[4]。侯云輝[5]利用數值仿真的方法對影響EFP成型的因素進行了分析，提出了復合殼體的設想。耿梓圃[6]分析了EFP以及破片的成型機理，通過設置不同的起爆點實現了戰斗部模式的轉換。本文結合預制破片戰斗部和EFP戰斗部的特點，提出了將EFP戰斗部與預制破片戰斗部結合的戰斗部結構。在原有預制破片的基礎上，在戰斗部的軸向加裝藥型罩，這樣在提高有效破片率的同時能夠提高戰斗部對裝甲以及混凝土等防御工事的毀傷效能。本文主要分析了預制破片的形狀對破片性能的影響。

本文利用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件對預制破片戰斗部毀傷元成型進行了數值模擬，模擬了不同形狀預制破片的飛散過程。分析了破片形狀對破片飛散性能的影響。

1 計算模型

1.1 戰斗部的結構及幾何模型

戰斗部的結構如圖1和圖2所示。本文分析的戰斗部的直徑為122 mm，殼體壁厚為3 mm，內襯的厚度選取為2 mm。裝藥為B炸藥，裝藥高度選為126 mm，裝藥的直徑為98 mm。本文選取的藥型罩為球缺形藥型罩，球缺形藥型罩的曲率半徑為90 mm，厚度為7 mm。

圖1 預制破片戰斗部結構四分之一模型示意圖

圖2 預制破片戰斗部結構圖

本文分析球形預制破片、立方體預制破片、圓柱預制破片以及三棱柱預制破片的飛散特性。為了便于分析不同形狀預制破片的飛散時的動能，本文將四種不同形狀的預制破片體積統一選取為179.6 mm3。四種預制破片的尺寸如圖3～圖6所示。

圖3 球形預制破片有限元模型及其尺寸示意圖

圖4 正方體預制破片有限元模型及其尺寸示意圖

圖5 圓柱預制破片有限元模型及其尺寸示意圖

圖6 三棱柱預制破片有限元模型及其尺寸示意圖

1.2 有限元模型的建立及網格的劃分

本文應用了數值建模軟件TureGrid進行模型建立，建立預制破片戰斗部的有限元模型如圖7所示。網格單元選取八節點六面體單元。在建立藥型罩和裝藥藥柱時，按照1 mm3一個單元建立。戰斗部的殼體為厚度3 mm 外徑122mm的薄壁圓桶，有限元模型有45 360個單元，61 200個節點。戰斗部的內襯為厚度2 mm外徑102 mm的薄壁圓桶，有限元模型有30 240個單元，45 900個節點。裝藥藥柱有限元模型有475 266個單元，632 541個節點。藥型罩有限元模型有25 892個單元，37 896個節點。本文所分析的四種形狀的預制破片單個有限元模型的單元個數和節點個數為：在建立有限元模型的時，一個球形預制破片有256個單元，321個節點；一個立方體預制破片有216個單元，343個節點；一個圓柱預制破片有288個單元，399個節點；一個三棱柱預制破片有336個單元，488個節點。四種預制破片的有限元模型如圖3～圖6所示。

1.3 材料模型及參數

戰斗部殼體材料選取的為4340鋼，4340鋼用MAT_PLASTIC_KINEMATIC的材料模型，主要參數為：密度為7.83 g/cm3、彈性模量為220 GPa、泊松比為0.22。內襯材料選取鋁合金，鋁合金用MAT_JOHNSON_COOK的材料模型，用EOS_GRUNEISEN狀態方程進行描述，主要參數為：密度為2.77 g/cm3、彈性模量為72 GPa、剪切模量為27.07 GPa。炸藥材料選取B炸藥，B炸藥用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN的材料模型，用EOS_JWL狀態方程進行描述，主要參數為：密度為1.82、爆速為8480 m/s、C-J壓力為34.2 GPa。藥型罩的材料選取銅，銅用MAT_JOHNSON_COOK的材料模型，用EOS_GRUNEISEN狀態方程進行描述，主要參數為：密度為7.87 g/cm3、彈性模量為200 GPa、剪切模量為81.8 GPa。戰斗部裝填的預制破片的材料選取為45鋼，45鋼用MAT_ELASTIC的材料模型，主要參數為：密度為7.83 g/cm3、彈性模量為220 GPa、泊松比0.22。

圖7 預制破片戰斗部結構的有限元模型

2 數值模擬及模擬結果分析

2.1 破片的理論初速

破片的初速對于預制破片戰斗部的毀傷性能有著重要的影響。本文中所分析的四種形狀的預制破片在戰斗部中均為單層排列。本文應用Gurney公式計算破片的理論初速值。對于戰斗部的結構，Gurney公式為：

2.2 數值模擬

對于預制破片戰斗部，預制破片的形狀對戰斗部的毀傷性能有著重要的影響。當戰斗部起爆后，爆轟波從起爆點向四周傳播，爆轟波首先驅動距離起爆點近的一層預制破片，隨著爆轟波的傳播，預制破片被逐層驅動。當爆轟波傳到戰斗部底部時，爆轟波開始壓垮藥型罩形成EFP，與此同時，爆轟波被反射回傳來的方向，再一次對預制破片進行驅動。傳來的爆轟波與被反射的爆轟波在戰斗部的中部疊加導致戰斗部中部的預制破片的速度相對較大。表1中的數據均為預制破片在戰斗部內單層排列，從中可以看出三棱柱的排列數量最多為1 530個，三棱柱的預制破片能充分利用戰斗部殼體與內襯之間的空間，所以在戰斗部尺寸和單個預制破片質量一定的情況下，能夠排列較多的預制破片。對于球形預制破片排列的數量，因為在球形破片與球形破片之間留有較大的閑置空間沒能充分利用戰斗部殼體與內襯之間的空間，所以在戰斗部尺寸和預制破片質量一定的情況下，球形預制破片排列的數量較少。從不同形狀的預制破片飛散速度上看，球形預制破片飛散時的平均速度最高為2 029.4 m/s，三棱柱預制破片飛散的平均速度最低為1 508.1 m/s。從圖8、圖9、圖10、圖11中可以看出四種形狀的預制破片在80時破片的飛散速度不在加速，基本穩定。對于這四種形狀的預制破片，速度較高的預制破片都位于戰斗部中間的位置，戰斗部兩端的預制破片速度較低，速度最低的預制破片位于藥型罩一側。數值模擬出的預制破片的飛散速度比理論計算的速度高。

圖8 圓柱預制破片速度隨時間變化的曲線

圖9 球形預制破片速度隨時間變化的曲線

圖10 立方體預制破片速度隨時間變化的曲線

圖11 三棱柱預制破片速度隨時間變化的曲線

破片形狀破片個數/個最低速度/(m·s-1)最高速度/(m·s-1)平均速度/(m·s-1)圓柱20×56=1120 829．182094．01810．0球18×48=8641273．202371．32029．4正方體22×56=1232 981．802035．31736．3三棱柱17×90=1530 754．2117911508．1

從4種不同形狀預制破片的飛散效果出發，觀察圖12、圖13、圖14、圖15我們可以看出。圓柱形預制破片的飛散情況與球形預制破片的較為相似，爆轟波從頂部沿軸向向下傳播驅動破片向徑向傳播，在飛散的過程中預制破片列與列之間仍有較大的空隙。正方體形預制破片飛散的整體效果較為整齊，炸藥起爆后爆轟波對正方體的一個平面進行驅動而且正方體形預制破片的質量分布均勻，而對于圓柱形預制破片和球形預制破片，爆轟波對其曲面進行驅動，所以正方體形預制破片飛散效果較圓柱形預制破片和球形預制破片的飛散效果整齊。對于三棱柱形預制破片，破片的飛散密集度較另外三種形狀的預制破片好，這樣有利于提高破片命中目標的命中率，因為爆轟波驅動三棱柱的初期，三棱柱與三棱柱之間也有徑向的驅動力，飛散時的應力分布較其他三種形狀預制破片復雜。

圖12 球形預制破片起爆后t=100時的飛散情況

圖13 圓柱預制破片起爆后t=100時的飛散情況

圖14 正方體預制破片起爆后t=100時的飛散情況

圖15 三棱柱預制破片起爆后t=100時的飛散情況

3 結論

對于球形預制破片、圓柱形預制破片、正方體預制破片、三棱柱預制破片，當戰斗部的裝藥結構尺寸一定，單個預制破片的質量一定的時候，預制破片的形狀為球形，戰斗部中能夠裝填預制破片的數量最少，預制破片的裝填數量為864個，但預制破片的平均速度是最高的，速度為2 029.4 m/s；預制破片的形狀為三棱柱，戰斗部的中能夠裝填預制破片的數量最多，預制破片的裝填數量為1 530個，但是預制破片的平均飛散速度是最低的，為1 508.1 m/s。比較四種形狀的預制破片的飛散效果，正方體預制破片飛散的整體效果較為整齊，三棱柱預制破片的飛散較為密集。

對于本文論述的將預制破片戰斗部與EFP戰斗部結合的戰斗部結構，藥型罩對預制破片飛散速度有一定的影響，戰斗部中靠近藥型罩的一側預制破片的速度最低，而且藥型罩的存在也影響爆轟波在藥柱中的傳播。

[1] 吳宏斌,陳智剛,裴思行,等.聚焦式定向預制破片戰斗部數值模擬研究[J].彈箭與制導學報,2005,25(3):497-500.

[2] 魏峰.某戰斗部預制破片設計及破片威力數值模擬[D].沈陽:東北大學,2010.

[3] 韓夫亮.預制破片戰斗部爆炸威力場數值模擬分析[D].長春:吉林大學,2006.

[4] 王樹山.終點效應學[M].北京：國防工業出版社，2000.

[5] 侯云輝.某EFP戰斗部的數值模擬與試驗研究[D].南京:南京理工大學,2012.

[6] 耿梓圃.模式轉換戰斗部EFP/破片毀傷元成形特性[D].北京:北京理工學,2015.

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NumericalSimulationoftheInfluenceofPrefabricatedFragmentsShapeonFragmentScatteringPerformance

SHI Zhixin， YIN Jianping， WANG Zhijun

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

In order to improve the combat damage performance of warhead,this paper designs a warhead that combines prefabricated fragments with EFP,ANSYS/LS-DYNA finite element analysis software was used tosimulate the scattering process of prefabricated fragments and the forming effect of EFP in warhead,the influence of the four kinds of prefabricated fragments on the velocity of the fragment, the number of the prefabricate fragments and the scattering effect of the fragment were compared.The results showthat: for spherical prefabricated fragments, cylindrical prefabricated fragments, cubes prefabricated fragments, triangular prism prefabricated fragments,when the warhead charge structure size is certain, the quality of single precast fragment is certain,when the shape of the prefabricated fragments is spherical,the number of prefabricated fragments is the least in warhead, but the average speed of the prefabricated fragment is the highest;the shape of the prefabricated fragments is triangular prism,the number of prefabricated fragments in the warhead is the highest, but the average flying speed of the prefabricated fragments is the lowest.Compare the scattering effect of four preformed fragments,the overall effect of cube precast fragmentation is relatively orderly,triangular prism prefabricated fragments of the scattering is more intensive.The warhead of combines the precast fragment warhead with the EFP warhead,the liner has a certain influence on the velocity of precast fragmentation,the existence of the liner also influences the propagation of detonation wave in the drug column.

EFP; prefabricated fragments; numerical simulation

2017-08-09；

2017-08-30

國家自然科學基金資助項目(11572291)；山西省研究生聯合培養基地人才培養資助項目(20160033)

史志鑫(1993—)，男，碩士研究生，主要從事彈藥工程與毀傷技術研究。

10.11809/scbgxb2017.12.008

本文引用格式：史志鑫，尹建平，王志軍.預制破片的形狀對破片飛散性能影響的數值模擬研究[J].兵器裝備工程學報，2017(12):31-35.

formatSHI Zhixin，YIN Jianping，WANG Zhijun.Numerical Simulation of the Influence of Prefabricated Fragments Shape on Fragment Scattering Performance[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(12):31-35.

TJ413

A

2096-2304(2017)12-0031-05

(責任編輯周江川)