預(yù)制破片飛散規(guī)律的數(shù)值模擬研究

孫 韜，張國偉，齊 蕾

(1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 太原 030051； 2.山東特種工業(yè)集團(tuán)有限公司， 山東 淄博 255201)

【彈藥工程】

預(yù)制破片飛散規(guī)律的數(shù)值模擬研究

孫 韜1，張國偉1，齊 蕾2

(1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 太原 030051； 2.山東特種工業(yè)集團(tuán)有限公司， 山東 淄博 255201)

為了獲得動(dòng)態(tài)條件下預(yù)制破片的飛散規(guī)律，建立了戰(zhàn)斗部模型，利用ANSYS/LS-DYNA對(duì)戰(zhàn)斗部靜態(tài)起爆和動(dòng)態(tài)起爆進(jìn)行了數(shù)值模擬；通過對(duì)比分析得知：動(dòng)態(tài)起爆條件下，破片獲得的初速較高，飛散角較小，破片飛散較密集，但打擊范圍較小；研究結(jié)果可為預(yù)制破片戰(zhàn)斗部的威力評(píng)估提供參考。

預(yù)制破片；動(dòng)態(tài)起爆；數(shù)值模擬

預(yù)制破片戰(zhàn)斗部是將已預(yù)先加工成型的破片，用某種特定的膠粘接在裝藥外的內(nèi)襯上或戰(zhàn)斗部殼體的內(nèi)腔上以維持一定的形狀，在炸藥爆炸后飛散撞擊毀傷目標(biāo)[1-3]。破片初速、飛散角是衡量戰(zhàn)斗部性能的重要參數(shù)。隨著計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，對(duì)預(yù)制破片展開了比較廣泛的數(shù)值模擬研究，并取得了一定成果，如楊云川等[4]對(duì)不同起爆點(diǎn)起爆時(shí)預(yù)制破片的飛散情況進(jìn)行了數(shù)值模擬研究；盧世杰[5]對(duì)不同形狀、材料的預(yù)制破片的飛散特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。但戰(zhàn)斗部速度對(duì)破片飛散情況的影響還沒做具體的分析，因此，本文采用數(shù)值模擬方法，對(duì)戰(zhàn)斗部動(dòng)、靜態(tài)起爆時(shí)其預(yù)制破片的飛散情況進(jìn)行數(shù)值模擬分析，為今后預(yù)制破片戰(zhàn)斗部的威力評(píng)估提供參考。

1 數(shù)值模擬

1.1 仿真方案的確定

本文以122 mm榴彈[6]為研究對(duì)象，榴彈初速為690 m/s，考慮到彈丸在飛行過程中存在速度衰減，因此，戰(zhàn)斗部速度選取為450 m/s，方向豎直向下。如圖1所示，本文對(duì)戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，彈體結(jié)構(gòu)為圓柱形，有端蓋，戰(zhàn)斗部仿真模型由炸藥、內(nèi)襯、預(yù)制破片、殼體和空氣組成。炸藥長度為158 mm，底面半徑為46 mm；內(nèi)襯壁厚5 mm，殼體壁厚5 mm；預(yù)制破片為直徑4.7 mm的鎢球，共39層，每層71個(gè)。起爆方式為底部中心起爆。

圖1 戰(zhàn)斗部仿真結(jié)構(gòu)模型

1.2 材料模型與參數(shù)[7]

其中，炸藥使用8701炸藥，其密度ρ=1.7 g/cm3，爆速De=8 100 m/s，爆壓PCJ=30 GPa，采用HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型及EOS_JWL狀態(tài)方程描述，其基本形式為：

(1)

其中：p為壓力；E為爆轟產(chǎn)物的內(nèi)能；V為爆轟產(chǎn)物的相對(duì)體積；A、B、R1、R2和ω為待定常數(shù)，如表1所示。

內(nèi)襯采用鋼質(zhì)材料、殼體采用鋁合金材料，模型為PLASTIC_K-INEMATIC；預(yù)制破片采用鎢合金，模型為ELASTIC；空氣采用MAT_NULL模型。各材料主要參數(shù)如表2所示。

表1 8701炸藥的主要參數(shù)

表2 各材料主要參數(shù)

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 破片整體飛散情況

圖2(a)、(b)所示分別為戰(zhàn)斗部靜態(tài)起爆和動(dòng)態(tài)起爆情況下其預(yù)制破片的飛散情況，由模擬結(jié)果可知，預(yù)制破片整體飛散較均勻，戰(zhàn)斗部中部破片速度較高，兩端破片速度較低。

圖2 破片飛散情況

2.2 破片初速分布規(guī)律

如圖3所示，由于每層中的破片受力大小一致，故從下至上依次選取每層破片中的一個(gè)并進(jìn)行編號(hào)研究，確定破片的飛散方向。

圖4(a)、(b)所示分別為戰(zhàn)斗部靜態(tài)起爆和動(dòng)態(tài)起爆條件下所選取破片的速度分布曲線，由圖可知，靜態(tài)起爆時(shí)，破片初速在80 μs時(shí)趨于穩(wěn)定，最大速度為1 078 m/s，最低速度為487 m/s；動(dòng)態(tài)起爆時(shí)，破片初速在70 μs時(shí)趨于穩(wěn)定，最大速度為1 188 m/s，最低速度為510 m/s。

2.3 破片飛散方向及飛散角

同樣的方法確定所選取的破片在軸線方向上的分速度，通過破片的速度與軸向分速度的關(guān)系可知破片的飛散方向，圖5中的β為破片飛散方向角。

圖3 預(yù)制破片的選取

圖4 破片初速分布曲線

圖5 破片飛散方向角

圖6所示為戰(zhàn)斗部不同起爆條件下破片飛散方向角的分布曲線，從圖中可以看出，戰(zhàn)斗部靜態(tài)起爆時(shí)，破片飛散方向角主要集中在85°左右到95°左右之間；戰(zhàn)斗部動(dòng)態(tài)起爆時(shí)，破片飛散方向角主要集中在55°左右到70°左右之間。不論是靜態(tài)起爆還是動(dòng)態(tài)起爆，戰(zhàn)斗部?jī)啥说钠破捎谑艿蕉瞬啃?yīng)的影響，分布相對(duì)比較離散，所以破片在飛散邊緣處的分布密度較低。

由于戰(zhàn)斗部的結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，所選取的軸向39個(gè)預(yù)制破片，取其中90%的破片進(jìn)行飛散角的計(jì)算，能夠得出相對(duì)準(zhǔn)確的預(yù)制破片飛散角。計(jì)算得出戰(zhàn)斗部靜態(tài)起爆時(shí)，預(yù)制破片飛散角為20.2°，動(dòng)態(tài)起爆時(shí)預(yù)制破片飛散角為16°。在破片飛散過程中，由于破片之間相互碰撞，導(dǎo)致個(gè)別破片飛散角偏離較大。與靜爆狀態(tài)下相比較，動(dòng)爆下破片的飛散角偏小，破片密集度較高，破片更集中的打擊目標(biāo)，但打擊范圍較靜爆條件小。

圖6 破片飛散方向角分布曲線

3 結(jié)論

1) 不論是靜態(tài)起爆還是動(dòng)態(tài)起爆，破片整體飛散較均勻；

2) 戰(zhàn)斗部動(dòng)態(tài)起爆時(shí)，破片初速較高，飛散角較小，能更集中地打擊目標(biāo)，但打擊范圍較小；

3) 可為預(yù)制破片戰(zhàn)斗部的威力評(píng)估提供參考。

[1] 王儒策,趙國志.彈丸終點(diǎn)效應(yīng)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1993：78-128.

[2] 張國偉.終點(diǎn)效應(yīng)及其應(yīng)用技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2005：148-150.

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NumericalSimulationStudyontheRuleofPrefabricatedFragmentsFlying

SUN Tao1， ZHANG Guowei1， GUO Shuai2

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

In order to obtain the dynamic characteristics of the prefabricated fragments in dynamic conditions,the model of the warhead was established,the static initiation and dynamic initiation of warhead were simulated by using ANSYS/LS-DYNA;Through the comparative analysis:under dynamic initiation condition,the initial velocity of fragments are higher,the scattering angle is smaller,the fragments are more dense,but the hit range is smaller;The results can provide reference for the power evaluation of the prefabricated fragments warhead.

prefabricated fragments; dynamic detonation; numerical simulation

2017-09-22；

2017-10-10

孫韜(1992—)，男，碩士，主要從事彈藥毀傷與效能評(píng)估研究。

張國偉(1968—)，男，教授，博士，主要從事彈藥工程研究。

10.11809/scbgxb2017.12.011

本文引用格式：孫韜，張國偉，齊蕾.預(yù)制破片飛散規(guī)律的數(shù)值模擬研究[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(12):45-47.

formatSUN Tao，ZHANG Guowei， GUO Shuai.Numerical Simulation Study on the Rule of Prefabricated Fragments Flying[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(12):45-47.

TJ410.33

A

2096-2304(2017)12-0045-03

(責(zé)任編輯周江川)