聚焦式殺傷戰斗部形成破片的數值模擬

陳 闖，陳福紅，吳有龍

相比于普通的圓柱形殺傷戰斗部，聚焦式殺傷戰斗部的殼體為內凹形，使得聚焦式殺傷戰斗部形成的破片飛散角較小，可以在較小的散布區域內形成破片束，并完成對目標的切割性殺傷，從而提高對目標的毀傷能力[1]。李晉慶等[2]討論了聚焦型破片殺傷戰斗部聚焦曲線的工程設計；袁書強等[3]通過局部淬火預制工藝提出一種新的高效率聚焦戰斗部設計方法。本文通過改變殼體厚度及起爆方式，獲得殼體結構、起爆方式與破片速度、飛散角、數量等特性的關系。

1 聚焦式殺傷戰斗部形成破片的過程

1.1 仿真模型

本文設計的聚焦式殺傷戰斗部結構如圖1（a）所示。端部裝藥直徑為100 mm，殼體厚度為5 mm，殼體曲率半徑為200 mm，軸向長度為150 mm.采用Autodyn有限元軟件對聚焦式殺傷戰斗部的殼體膨脹破碎過程進行三維數值模擬，為了節約計算時間，在建立仿真模型時采用1/4標準圓筒聚焦式仿真模型，如圖1（b）所示。其中殼體材料選取典型彈體材料為4340#鋼，炸藥選擇B炸藥。

圖1 聚焦式殺傷戰斗部結構與仿真模型

1.2 材料參數

數值仿真模型中殼體部分和裝藥部分均采用Lagrange算法[4]。殼體的狀態方程采用 Linear形式，強度模型采用經典的Johnson-Cook模型，應力失效模型采用Stochastic隨機失效模型，其失效準則為主應變失效。炸藥的狀態方程采用JWL模型，侵蝕準則為極限幾何應變。

1.3 破片形成的過程

聚焦式殺傷戰斗部利用爆轟波與殼體曲面間的相互作用，使爆轟波推動破片向曲面的聚焦帶匯集，形成一條以彈軸為中心且處于平面狀態的圓環形破片聚焦帶。在端點起爆中，戰斗部殼體在內部裝藥作用下膨脹和破裂的過程如圖2所示。戰斗部殼體靠近起爆點部分膨脹半徑較大，出現沿高度方向上的裂紋，遠離起爆點的戰斗部殼體也出現鼓起變形，如圖2（a）所示。戰斗部的殼體出現沿高度方向上的貫穿裂紋并進一步膨脹，如圖 2（b）、（c）所示。

圖2 破片的形成過程

2 殼體厚度對形成破片特性的影響

殼體軸向長度為150 mm，壁厚分別選用 1.5 mm、2.5 mm、3.5 mm和4.5 mm，共 4種方案。其中殼體材料選取典型彈體材料為4340#鋼。

2.1 殼體厚度對破片速度特性的影響

不同位置對應的破片速度如圖3所示，破片的速度都表現出先增大后減小的趨勢。隨著殼體厚度的增加，在同一裝藥的情況下，破片在相同位置上，破片的速度呈現出下降的趨勢。

圖3 不同位置對應的破片速度分布

2.2 殼體厚度對破片數量的影響

通過分析聚焦式破片戰斗部模型的數值計算結果，獲得了不同厚度殼體形成破片的數量。圖4為不同厚度形成破片總數量與有效破片數量對比圖。取1g以上的破片為有效破片。圖4中的字母z表示破片的總數，字母y表示有效破片的總數，字母b表示的是有效破片占得百分比。隨著殼體厚度的增加，破片的總數是先上升后下降的。并且1 g以上的有效破片所占的百分比也是先上升后下降的。

圖4 破片數量

2.3 殼體厚度對破片飛散特性的影響

圖5為不同殼體厚度下的破片飛散角。從圖中可以看出，隨著殼體厚度的增加，破片的飛散角呈現出不斷減小的趨勢。

圖5 破片飛散角

3 起爆方式對形成破片速度特性的影響

起爆點的位置對破片的形成影響比較大[5]，本文研究的是端點起爆和中心起爆2種方式。圖6為不同起爆位置對應的破片速度，采用端點起爆時，破片的速度是隨著破片的位置先上升然后再下降，在對稱的位置破片的速度是相同的，最大的破片速度在殼體的中心位置，最小的破片速度在殼體兩端的位置上。采用中心起爆的方式時，破片速度規律跟軸向一端起爆的規律一致，破片速度先上升然后再下降，但是上升和下降的幅度比較小。

圖6 不同起爆位置對應的破片速度

4 結束語

本文利用Autodyn軟件對聚焦式殺傷戰斗部形成破片的過程進行了數值模擬，獲得了殼體厚度對破片速度分布、數量、飛散角等特性的影響規律，分析了起爆方式對破片速度分布的影響，得到中心起爆可獲得較大的破片速度。

[1]李向榮，劉宗偉，周世海.聚焦戰斗部與普通殺爆戰斗部毀傷效能比較[J].彈箭與制導學報，2010，30（5）：100-102.

[2]李晉慶，胡煥性.聚焦型破片殺傷戰斗部聚焦曲線的工程設計[J].兵工學報，2004，25（5）：529-531.

[3]袁書強，沈正祥，李亞哲，等.雙曲線型聚焦戰斗部破片的設計方法[J].火炸藥學報，2015，38（1）：36-40.

[4]陳 闖，郝永平，李偉兵.三種聚能裝藥結構形成射流的對比分析[J].科學技術與工程，2016，22（8）：126-131.

[5]魏繼鋒，焦清介，寧建國.雙聚焦式破片戰斗部不同起爆方式的數值模擬研究[J].火炸藥學報，2005，13（1）：17-21.