起爆點(diǎn)位置對破片飛散方向的影響研究

李松楠，張國偉，崔小杰，韓文斌

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051)

戰(zhàn)斗部爆炸后，破片在空間的飛散分布是確定破片殺傷作用場的一個(gè)重要問題[1]。對于地面目標(biāo)，破片在地面的覆蓋面積和分布密度是衡量戰(zhàn)斗部威力的重要指標(biāo)[2-3]。某小長徑比多功能戰(zhàn)斗部實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示破片飛散角中線不在水平面上，并且破片飛散角略大，破片飛散不均勻，降低了預(yù)制破片有效殺傷效果。為提高預(yù)制破片殺傷效果，改善破片飛散情況，通過在仿真建模中不斷改變中心起爆點(diǎn)位置與裝藥底端面的距離并進(jìn)行建模仿真計(jì)算，再對比分析各個(gè)方案的仿真運(yùn)算結(jié)果，最后得出效果最佳改進(jìn)方案。

1 戰(zhàn)斗部仿真建模

此戰(zhàn)斗部為小長徑比多功能戰(zhàn)斗部具有破片殺傷和破甲侵徹功能，軸對稱，采用單層軸向預(yù)制鎢球破片，交錯(cuò)排列擺放，如圖1(a)所示。起爆方式為中心起爆，現(xiàn)定義起爆點(diǎn)位置到裝藥底端面的距離為H，模型結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示。

戰(zhàn)斗部仿真模型由殼體，藥型罩(采用球錐結(jié)合型藥型罩)，炸藥，預(yù)制鎢球破片和空氣組成，對破片層進(jìn)行編號，靠近起爆點(diǎn)一端的一層破片定義為第一層破片。其中，裝藥高度為40.7 mm，中心起爆點(diǎn)初始高度為38.6 mm。

炸藥選用8701炸藥，采用高能材料模型HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型和EOS_JWL狀態(tài)方程描述主裝藥的爆轟過程，EOS_JWL狀態(tài)方程為：

(1)

式中：P為壓力；A，B，R1，R2和ω為待定常數(shù)；E為初始比內(nèi)能，如表1所示。

表1 8701炸藥主要參數(shù)

藥形罩選用紫銅材質(zhì)，用JOHNSON_COOK模型EOS_JWL狀態(tài)方程描述；空氣采用NULL模型；預(yù)制破片采用鎢材質(zhì)，用PLASTIC_KINEMATIC模型描述；殼體采用鋼材質(zhì)，用PLASTIC_KINEMATIC模型描述；各個(gè)材料主要參數(shù)如表3所示[4-7]。

表2 材料參數(shù)

藥形罩、8701炸藥和空氣采用Euler網(wǎng)格建模，破片和殼體采用拉格朗日網(wǎng)格建模。

采用LS-DYNA中的單點(diǎn)多物質(zhì)流固耦合算法計(jì)算，用流固耦合方法處理歐拉單元和拉格朗日單元的相互作用不容易出現(xiàn)網(wǎng)格畸變，能夠讓仿真結(jié)果更加準(zhǔn)確[8-12]。

2 改進(jìn)方案

2.1 試驗(yàn)狀態(tài)

此次試驗(yàn)為靜態(tài)打靶，試驗(yàn)狀態(tài)為：在距離戰(zhàn)斗部軸線3 m處有一個(gè)面積為1 m×1 m，厚度為3 mm，材質(zhì)為Q235鋼的立鋼靶，用以測試破片飛散的殺傷威力和飛散分布。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

1) 試驗(yàn)結(jié)果：共有八層破片上靶，破片均打穿靶板，如圖2所示。

2) 試驗(yàn)結(jié)果分析：

飛散角和方向角是破片戰(zhàn)斗部的重要威力參數(shù)，破片飛散角是指戰(zhàn)斗部爆炸后，在戰(zhàn)斗部軸線平面內(nèi)，以質(zhì)心為頂點(diǎn)所做的包含有效破片90%的錐角，也就是破片飛散圖中包含有效破片90%的兩線之間的夾角，如圖3所示。破片方向角是指破片飛散角內(nèi)破片分布中線(即在兩邊各含有45%的有效破片的分界線)與通過戰(zhàn)斗部質(zhì)心的赤道平面所夾之角[3]。

此次試驗(yàn)為便于統(tǒng)計(jì)結(jié)果數(shù)據(jù)，定義角度Ω為單層破片飛散方向與戰(zhàn)斗部中心水平線的夾角，如圖4所示。選取戰(zhàn)斗部起爆點(diǎn)所在方向與戰(zhàn)斗部中心水平線夾角為正，戰(zhàn)斗部藥形罩所在方向與戰(zhàn)斗部水平線夾角為負(fù)。

每層破片通過理論計(jì)算得出在3 m處每1 m寬距離約有3枚破片，與每層破片試驗(yàn)結(jié)果數(shù)量上吻合。

此前已經(jīng)對戰(zhàn)斗部進(jìn)行了仿真建模，再對此次試驗(yàn)狀態(tài)進(jìn)行仿真建模并計(jì)算，得到如表3所示計(jì)算結(jié)果。

仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致，第一層破片、第二層破片和最后一層破片飛出靶板，未能著靶，第三層到第八層破片著靶。所以將第一層破片、第二層破片和最后一層破片作為無效破片處理。而在有效破片中，破片帶整體靠下，如圖5所示。圖5中，破片飛散角中線明顯低于水平線，為了擴(kuò)大破片有效殺傷范圍，需要縮小破片飛散角,并使有效殺傷范圍的破片飛散整體上移。

表3 試驗(yàn)方案建模仿真計(jì)算結(jié)果

2.3 仿真方案的確定

此戰(zhàn)斗部起爆方式為中心起爆，此次研究通過不斷下移仿真模型中起爆點(diǎn)位置然后進(jìn)行仿真計(jì)算收集數(shù)據(jù)來分析起爆點(diǎn)位置與裝藥底端面的距離H對破片飛散的影響。

首先確定最佳起爆點(diǎn)位置高度的大概范圍，從初始起爆點(diǎn)位置開始，起爆點(diǎn)位置高度每降低3 mm進(jìn)行一組仿真計(jì)算；在確定最佳起爆點(diǎn)位置高度大概范圍后，起爆點(diǎn)位置高度每降低1 mm進(jìn)行一組仿真計(jì)算，確定最佳起爆點(diǎn)位置的高度。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 第一組仿真結(jié)果與分析

為確定起爆點(diǎn)位置與裝藥底端面的距離H最佳值的大概范圍，第一組仿真進(jìn)行了六次仿真計(jì)算，結(jié)果如表4和表5。由表4和表5 的數(shù)據(jù)作出圖6。

表4 第一組仿真計(jì)算結(jié)果破片速度值 (m·s-1)

仿真結(jié)果分析：由表4、表5和圖6發(fā)現(xiàn)，隨著起爆點(diǎn)不斷下移，前八層破片飛散速度逐漸增加，變化幅度較大，第八層到最后一層破片飛散速度逐漸減小；所有破片層的破片飛散角均是逐漸減小后又增大，但變化幅度較小；第一層破片和第二層破片飛散角變化與其他破片層略有不同，但在第一部分試驗(yàn)結(jié)果對比分析中確定這兩層破片為無效破片；所以初步確定改善破片飛散的起爆點(diǎn)位置與裝藥底端面的距離H的最佳值在26.6 mm到32.6 mm之間。

3.2 第二組仿真結(jié)果與分析

將第二組仿真方案為起爆點(diǎn)位置與裝藥底端面的距離H設(shè)為與第一組仿真結(jié)果分析中得到改善破片飛散角的起爆點(diǎn)位置與裝藥底端面的距離H相同，也是在從26.6 mm到32.6 mm之間，在26.6 mm到32.6 mm之間進(jìn)行仿真計(jì)算，其步長為1 mm，結(jié)果如下：

分析表6、表7和圖7發(fā)現(xiàn)，隨著起爆點(diǎn)位置不斷下移，前六層破片飛散速度逐漸增加，變化幅度較大，第七層和第八層破片飛散速度均先減小后增大，第九層到最后一層破片飛散速度逐漸減小，但變化幅度較小；第一層破片和最后一層破片飛散角一直減小，但在第一部分試驗(yàn)結(jié)果對比分析中確定這兩層破片為無效破片，其余破片層的破片飛散角均是逐漸減小后又增大；可確定起爆點(diǎn)位置與裝藥底端面的距離H最佳值介于28.6 mm與30.6 mm之間，取29.6 mm為改善破片飛散最有利距離。

表5 第一組仿真計(jì)算結(jié)果破片飛散角度Ω大小 (°)

表6 第二組仿真計(jì)算結(jié)果破片速度值 (m·s-1)

表7 第二組仿真計(jì)算結(jié)果破片飛散角度Ω大小 (°)

4 結(jié)論

1) 通過實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果對比分析可得，對小長徑比多功能戰(zhàn)斗部來說，選取中心起爆方式時(shí)，在其他結(jié)構(gòu)不變，只改變起爆點(diǎn)位置與裝藥底端面的距離的前提下，起爆點(diǎn)位置與裝藥底端面的距離H適當(dāng)減小可以增加破片飛散速度，減小破片飛散角，讓有效殺傷范圍更加集中，取得更好的殺傷效果，提高戰(zhàn)斗部殺傷威力。

2) 在其他結(jié)構(gòu)不做改變，只改變起爆點(diǎn)位置與裝藥底端面的距離的前提下，起爆點(diǎn)位置與裝藥底端面的距離H適當(dāng)減小對破片飛散角的偏移有明顯改善效果，對調(diào)整破片飛散方向具有較大的參考價(jià)值。