某小型強光爆震彈爆炸仿真研究

馬永忠，趙法棟

(武警工程大學 裝備管理與保障學院，西安 710086)

強光爆震彈是一種大威力非致命彈藥，其爆炸時產生強烈聲響和炫目閃光刺激，使人員暫時性致聾致盲，從而失去抵抗能力。因其作用威力大、驅散效果好，在強行驅散、武力突擊等任務中得到了各國警憲部隊的普遍使用[1]。“如何最大限度降低其破片殺傷力，保證使用安全性”一直是該類彈藥研發設計的重點問題[2]。比如美國7290型爆震彈[3]和M84震撼彈[4]均采用鋼制金屬外殼，爆炸時不會產生任何破片，但也增加了全彈質量，給彈藥投擲和攜帶帶來不利影響；法國0446型聲光彈則采用了預制破片的方法來控制破片大小和形狀，達到降低殺傷力的目的。我國學者郭三學[5]專門對V形槽法提高爆震彈安全性的可行性進行過實驗研究。

為開展強光爆震彈破片殺傷問題研究，我們設計了一種卵形彈體結構的小型強光爆震彈(如圖1所示)。對其破片質量分布和破片速度等進行了仿真分析，評估了其殺傷半徑。

采用有限元法進行爆炸仿真是現代武器彈藥設計的常用方法。余志統等[6]對戰斗部爆炸加載及破片飛散過程進行有限元仿真，分析了預制破片的爆炸飛散規律。樊壯卿等[7]仿真分析了艙室爆炸載荷傳播特性，為艦艇毀傷和防護提供了參考。

張國強[8]基于非線性有限元軟件LS-DYNA采用ALE算法對某強光爆震彈的沖擊波超壓進行仿真，分析了其致傷特性，證實了仿真的正確性。本文仍采用該方法，對所設計的小型強光爆震彈的爆炸過程進行數值仿真，探究其破片分布規律，以期為該彈藥的研制和應用提供科學依據。

1 工作原理

小型強光爆震彈由發火機構、保險機構、聯接座和爆炸體4部分構成(如圖1所示)。其工作原理是：當拔出保險銷投擲后，保險柄脫落，擊針板翻轉刺燃一級分離點火管，經過延期后，一級分離點火管發火，產生的高溫高壓氣體使聯接座與爆炸體分離拋出，同時引燃二級延期點火體中的點火藥，再次延期后，二級延期點火體發火激勵閃光劑爆炸，爆炸體殼體破碎，產生巨大聲響和強閃光。

1.聯接座; 2.二級延期點火體; 3.下蓋; 4.發火與保險機構;5.拉環鎖定扣; 6.一級分離點火管; 7.閃光劑

由工作原理可知，由于采用了雙延期管串聯點傳火機構，使得聯接座在爆炸體爆炸前就以較低速度分離，徹底消除了聯接座整體激射帶來的殺傷風險，殼體破片就成了該彈的主要殺傷來源。因此，本文主要對爆炸體的爆炸過程進行仿真分析。在各種有限元分析平臺中，軟件LS-DYNA在分析各種爆炸、結構撞擊、沖擊等動態非線性問題方面具有獨特的優勢[9]，本文就以該軟件為仿真平臺。

2 仿真模型的建立

在分析本彈結構及爆炸特性的基礎上，同時考慮到計算資源的限制，本文作出如下假設：1) 閃光劑線性爆轟；2) 忽略應力波在殼體內傳播和反射的細微過程，忽略較小的應力波在傳播過程中的疊加；3) 經爆轟驅動的殼體破片不存在質量損耗和變形。

2.1 物理模型的建立

由于爆炸體為軸對稱結構，本文建立1/4物理模型。

爆炸體為ABS材料，其二維截面結構及尺寸如圖2所示。

空氣和閃光劑截面如圖3所示。其中，藍色部分為閃光劑，裝藥高度為33.7 mm，重28 g；紫色部分為空氣。

圖2 爆炸體截面圖(mm) 圖3 空氣和閃光劑截面圖

通過旋轉，生成的實體模型分別如圖4、圖5所示。

圖4 爆炸體實體模型 圖5 空氣和閃光劑實體模型

由于彈體結構對稱，本文采用四面體網格對爆炸體、炸藥和空氣部分進行網格劃分，網格總數約40萬。爆炸體網格劃分如圖6所示，空氣和閃光劑網格劃分如圖7所示。

圖6 爆炸體網格劃分 圖7 空氣和閃光劑網格劃分

2.2 材料模型

爆炸體爆炸過程中涉及閃光劑、空氣和爆炸體3種材料，需分別進行建模。

閃光劑采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN的材料模型，狀態方程采用*EOS_JWL。JWL狀態方程能夠精準地描述爆炸驅動過程中爆轟氣體產物的能量特性、壓力和體積，表達式為：

(1)

式(1)中：A、B、R1、R2和ω為常數；P為爆轟產物的壓力；V為爆轟產物的相對比容；E是與爆熱成正比的常數。

由于本文的閃光劑配方在JWL材料參數手冊中無法查找，對此采用凝聚體炸藥狀態方程[10]來擬合得出。

由K方程，有：

(2)

利用爆轟波陣面參數：

(3)

進而可以擬合出閃光劑狀態方程，參數如表1所示。

表1 閃光劑狀態方程參數

空氣采用*MAT_NULL，狀態方程采用*EOS_LINEAR_ POLYNOMIAL，參數如表2所示。

表2 空氣模型參數

爆炸體采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC，隨動強化的塑性材料模型，參數如表3所示。

表3 ABS材料模型參數

極限塑性應變取0.06。

在LS-DYNA中設置求解時間為0.5 ms，求解步數設置為100步，施加YZ、XY對稱邊界條件，并將起爆點設置在閃光劑的中心位置，生成K文件后即可運算。

3 結果分析

圖8所示為爆炸時刻為0.05～0.45 ms時爆炸體破碎仿真。由圖8可見，爆炸體爆炸后，產生了大量的破片，由于結構較復雜，爆炸體各區域(區域劃分見圖9所示)破片大小分布不均，飛散方向也不同，具體而言：

1) 端蓋部破片總體來說較大，沿爆炸體軸向方向飛散；

2) 上部以小破片居多，與爆炸體軸向成45°向上飛散；

3) 中部破片較大，由于該位置為聯接處，筒體較厚，運動方向垂直于爆炸體軸向，向周向飛散；

4) 底部破片大小相對較小，其中弧底部分破片與爆炸體軸向約成45°向下飛散，平底部分破片沿爆炸體軸向方向飛散。

圖8 爆炸體在0.05～0.5 ms時的破碎仿真

圖9 爆炸體示意圖

3.1 破片速度分析

運用PREPOST對破片速度進行處理分析，爆炸體總動能隨時間變化曲線如圖10所示。

圖10 爆炸體總動能-時間曲線

由圖10可以看出，爆炸體在0.035 ms時，開始受到炸藥爆炸的沖擊波，在0.005 ms的時間內，動能急劇增大到最大值，之后0.1 ms內，炸藥仍在爆炸產生持續的沖擊波，爆炸體自身部分微小破片也在迅速消失造成動能損失，兩者最終達到平衡，動能又一次達到最大值，此時，閃光劑主體爆炸完畢，爆炸體由于微小碎片的消失，動能又開始逐漸減小。

隨機選取不同部位破片進行速度分析，結果見圖11～圖14。可見，爆炸體不同部位爆炸時破片速度變化各不相同。最大速度產生在爆炸體上部，最大速度為132 m/s，上部破片速度分布比較廣，最小為10 m/s。中部由于破片比較大，速度也相對較小，平均為45 m/s，端蓋部和底部速度主要是沿爆炸體軸向，具體來看，速度大約在0.05 ms時開始急劇增加，到0.1 ms時達到頂峰，而后或緩慢上升、或緩慢下降、或保持穩定。

圖11 端蓋部部分破片時間-速度曲線

圖12 中部部分破片速度-時間曲線

圖13 上部部分破片速度-時間曲線

圖14 底部部分破片速度-時間曲線

3.2 破片殺傷半徑評估

破片的質量、形狀及速度是影響破片殺傷的三大因素，但是相比大質量破片而言，小質量破片存速能力弱、飛行距離近，動能較小，因此，爆炸體的殺傷來源主要來自于低速大質量破片，本文選取仿真結果中質量最大的破片(質量為Mt=2.15 g，最大初始速度V0=97.6 m/s)，對其進行殺傷半徑評估。

破片比動能為：

et=Et/St

(4)

式(4)中：Et為破片動能；St為破片與皮膚的接觸面積。

由于破片運動不規則，故一般將St按均勻取向理論處理，采用破片平均接觸面積計算，即1/4面積計算。破片表面積可由下式推出：

(5)

式(5)中：MT為爆炸體質量；ST為爆炸體表面積。則破片初速與比動能關系為：

(6)

式(6)中：emin為擦傷皮膚的最小比動能，為9.8 J/cm2；vmin為擦傷皮膚的破片最小初速。

假定彈藥在海平面附近爆炸，則H(y)=1。由于破片飛行中仍保持柱形，則其衰減系數α為：

(7)

式(7)中：Cx為柱形破片空氣阻力系數，取1.17；ρ0為空氣密度。

破片運動方程為：

V=V0exp(-αx)

(8)

將圖2中爆炸體結構參數代入，即可得出該彈的殺傷半徑約為2.33 m。

4 結論

通過對小型強光爆震彈爆炸仿真分析可以看出：爆炸體各部分破片大小分布不均，端部和中部破片較大；爆炸后總動能逐漸衰減，上部破片速度最大但破片較小；中部破片速度相對較小，是主要的殺傷源；通過評估計算，整彈的殺傷半徑為2.33 m。本文的仿真評估方法能為同類強光爆震彈設計提供借鑒。