預制破片飛散特性的數值模擬

王慶書 張嘉易 郝永平 趙麗俊

(沈陽理工大學機械工程學院 遼寧 沈陽 110159)

預制破片按需要的形狀和尺寸，用規定的材料預先制造好，并用粘結劑粘結在裝藥外的內襯上或戰斗部殼體的內腔上以維持一定的形狀在炸藥爆炸后飛散撞擊毀傷目標[1]。國內外的學者對預制破片的數值模擬進行了大量的研究，并取得了一系列的實驗和仿真的結果。臧立偉等利用數值仿真的方法對軸向預制破片戰斗部進行研究，分析了炸藥爆速、起爆點位置對預制破片的飛散影響[2]。中國工程物理研究院總體工程研究所楊云斌等人利用分析方法，建立破片飛散、破片作用目標分析模型[3]。在國外尤其美國已經成了較為完整和系統的理論方法。

一、有限元模型的建立

(一)實體結構

圖1為該預制破片戰斗部結構，由50SiMnVB內襯、炸藥、鎢塊預制破片和空氣區域組成。在建模的過程中，炸藥和空氣在交界處采用共節點建模。因整體的結構模型是軸對稱結構，了減少建模的時間和計算的工作量，現采用建立1/4模型，建模的單位制采用cm-g-us.

圖1 預制破片戰斗部結構示意圖

(二)材料和單元類型的確定

此戰斗部主要有四部分:炸藥、內襯、預制破片和空氣區域，炸藥選用高能炸藥*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模，*EOS_JWL狀態方程。空氣采用*MAT_NULL材料模型，狀態方程采用*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL方程，預制破片和內襯采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型。其中各個材料及狀態方程的參數如下各表。

表1 預制破片、內襯材料參數

表2 炸藥材料參數

在接觸方式上：內襯和破片之間采用侵蝕接觸(ERODING_SURFACE_TO_SURFACE)，炸藥和空氣之間因為SOLID_ALE單元類型，不需要采用接觸，炸藥和空氣組成的“流體”與內襯和破片組成的“固體”之間采用流固耦合方式，用到的關鍵字為：CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID。

二、求解結果

由以上方法建立的有限元模型，施加相應的求解條件，將生成的K文件遞交求解計算。破片在120us時刻的飛散效果如下圖所示：

t=120us

現選取一些比較典型的預制破片繪制出速度隨時間變化的曲線如圖3所示：

圖3 預制破片的速度隨時間變化的曲線

從圖上可以看出。預制破片的速度在90us的時候基本上趨于穩定，不再隨著時間的增加有顯著的增加，選取的這些節點在速度趨于穩定后，其中最大的速度為830m/s,最小的速度為522m/s.通過分析所有節點的速度，預制破片的平均速度為721m/s。

為了研究破片的飛散范圍，現在破片上面自上而下取一些列的節點，通過破片的速度和沿z軸的分速度兩者之間的關系來確定破片的飛散角度。

表2 破片飛散數據表

三、結論

由上述表2可以看出，破片的飛散方向集中在82.9-87.4，通過飛散方向角計算出飛散角為9.7，大部分的破片的飛散范圍為-4.85和4.85，說明戰斗部打擊目標的范圍比較集中，破片平均速度為721m/s,表明戰斗部殺傷威力較大。