類D形戰斗部裝藥能量輸出優化數值模擬研究

耿恒恒,向 召,沈 飛,張廣華,王 叢,屈可朋,陳鵬萬,劉 睿

(1.北京理工大學 爆炸科學與技術國家重點實驗室, 北京 100081;2.北京海鷹科技情報研究所, 北京 100074; 3.西安近代化學研究所, 西安 710065;4.中科信工程咨詢(北京)有限責任公司, 北京 100039)

0 引言

隨著高超聲速飛行器的快速發展,對以此為平臺的戰斗部技術提出了新的挑戰。由于高超聲速飛行器獨特的氣動外形,需要發展與之相匹配的異形截面戰斗部,例如橢圓形、D形、梯形、三角形等[1]。戰斗部作為武器平臺的核心部件,利用炸藥爆炸能量釋放,實現對目標物高效毀傷。因此,異形截面戰斗部由于其非對稱形,導致其爆炸能量輸出具有一定的方向性,研究其能量輸出特性及調控方法,提升爆炸能量利用率,對戰斗部設計具有重要意義。

目前,異形截面戰斗部研究主要集中在D形截面、多邊形截面和橢圓形截面戰斗部。研究結果表明,相比于傳統圓形截面,D形截面和多邊形截面裝藥結構具有明顯的定向能量輸出特征,且能量輸出增益有所增加[2]。通過設計不同截面形狀,調控異形截面戰斗部裝藥能量分布,進一步提升其能量利用率。王馬法等[3-4]對內凹、外凸和D形等3種裝藥結構下的破片飛散特性進行數值模擬研究,利用斜激波理論得到了破片飛散角的計算模型,獲得了破片的空間分布特性和初速隨方位角的分布規律。Ding等[5-7]分別對形面寬度為90°、 120°和150°三種D形戰斗部的破片飛散規律進行實驗和數值模擬研究,研究了形面寬度和起爆模式對破片威力場的影響規律,在此基礎上,李翔宇等[8]擬合出快速計算D形結構破片威力場的計算公式。對于三角形截面,Ning[9]等通過實驗和數值模擬對三棱柱形裝藥結構在炸藥內爆作用下的破片飛散特性及破片對目標毀傷特性進行了研究,提出了一種基于實驗數據的破片初始速度修正公式。方形裝藥結構在主動防護系統中應用較為廣泛,Loiseau等[10]對方形截面裝藥結構的殼體破片形成機理進行了理論分析及實驗研究。Panowicz等[11]采用數值模擬的方法,分析了一種方形裝藥結構的破片飛散特性。楊洋等[12]針對具有不同長短軸比例的橢圓截面形狀,基于SPH數值模擬方法,得到了橢圓截面戰斗部殼體破片初速沿周向分布規律和破片初速計算公式。在此基礎上,姜斌等[13]建立了橢圓截面預制破片戰斗部模型,系統分析了不同橢圓形裝藥結構對破片加速過程的影響,并基于一維等熵流體理論,對橢圓形截面長軸和短軸方向破片的驅動過程進行了分析。上述研究工作,表明異形截面殼體在炸藥爆炸驅動過程能量分布具有非均勻性,對于爆炸能量利用率有待進一步提升。

通過設計不同的起爆方式,有望改善異形截面戰斗部能量利用率。李振鐸等[14]以含預制破片的D形戰斗部為研究對象,通過實驗和模擬對比,獲得了端部偏心和中心起爆方式條件下破片能量分布規律。李元等[15-17]研究了面偏心一線、面偏心兩線、面偏心三線、棱偏心一線及棱偏心兩線起爆下六棱柱裝藥結構的破片速度飛散特性和威力特性。鄧宇軒等[18]分析了端面中心、短軸雙點偏心、長軸雙點偏心和長短軸4點偏心起爆下橢圓截面戰斗部徑向破片速度分布規律,發現短軸雙點偏心起爆對橢圓截面戰斗部破片徑向速度的增益效果最好,而長軸雙點偏心起爆的增益效果最差。為更加準確地描述D形截面戰斗部爆炸過程中破片的飛散行為,Guo等[19-22]基于高速脈沖X光攝影技術及SPH數值計算方法,研究了中心起爆以及偏心起爆條件下D形裝藥結構的破片速度分布特性,獲得了D形截面戰斗部的爆炸驅動載荷特性及其破片形成機理,并進一步探討了多層破片D形裝藥結構的破片群速度分布特性及飛散特點。

本文以含預制破片的類D形截面戰斗部為研究對象,利用AUTODYN有限元程序,設計并優化多點起爆方式,調整炸藥爆炸產生的爆轟波波形,研究爆轟波驅動破片過程,分析裝藥能量輸出特性,并進一步研究了不同截面形狀及長徑比對優化后爆炸驅動的影響。

1 計算模型

1.1 戰斗部結構及幾何模型

為了優化類D形截面戰斗部裝藥能量輸出,設計多點起爆方式,控制炸藥爆炸產生的爆轟波波形。類D形截面戰斗部結構如圖1所示,主要由外殼、預制破片、內襯、B炸藥組成,其中,外殼殼體厚度為3 mm,預制破片尺寸為5 mm×5 mm×6 mm,內襯厚度為2 mm。

圖1 類D形截面戰斗部裝藥幾何模型

設計3種起爆方式,即端面單點起爆、端面兩點起爆及端面三點起爆,如圖2所示。單點起爆的起爆點為截面上下圓弧中部連線的中心點,兩點起爆的起爆點為到殼體表面所有點的最大距離和最小距離之差最小即min(Δd)=Δdmax-Δdmin,三點起爆的起爆點為上述2種起爆點的疊加。

圖2 3種起爆方式

此外,為了考察類D形截面戰斗部的截面形狀和長徑比對裝藥能量輸出均勻性的影響,設計了5種類D形戰斗部截面,即戰斗部截面一側外徑為55 mm的半圓,截面另一側圓弧外徑具有不同半徑,分別為70、80、90、100 mm和傳統D形截面,如圖3所示。對應命名為R70、R80、R90、R100以及傳統D形裝藥,同時,考慮3種不同的裝藥長徑比,分別為0.5、1.0、1.5。

圖3 5種類D形戰斗部截面

圖4 類D形戰斗部有限元模型

1.2 有限元模型及材料參數

采用AUTODYN有限元軟件,對不同起爆方式、截面形狀和長徑比的類D形戰斗部裝藥爆轟波波形、破片速度及飛散進行數值模擬。為提高計算效率,建立了三維1/2模型,取代三維全模型。考慮炸藥爆炸以及殼體膨脹,采用流固耦合算法,消除單元畸變問題,其中,殼體、內襯及與破片采用Lagrange算法,炸藥及空氣域采用Euler算法。空氣域邊界條件為壓力流出邊界條件。設置戰斗部中部環向破片觀測點41～50。

殼體材料選取STEEL 1006,選用Johnson Cook模型和Shock狀態方程,失效模型為Principal Stress,預制破片材料選取STEEL 4340,選用Johnson Cook模型和Linear 狀態方程,材料參數[23]如表1所示。內襯材料選取AL1100-O,其狀態方程為Shock,強度模型為Steinberg-Guinan,失效模型為Principal Stress,服從隨機失效準則,材料參數[24]如表2所示。炸藥選取COMP B,采用JWL狀態方程描述炸藥爆轟做功過程,材料參數[25]如表3所示。

表1 預制破片和殼體Johnson Cook材料參數Table 1 The Johnson Cook material parameters of the prefabricated fragment and shell

表2 內襯Steinberg-Guinan材料參數

表3 B炸藥JWL參數

2 數值模擬結果及分析

2.1 起爆方式對裝藥能量輸出均勻性的影響

圖5給出了長徑比0.5的R80截面戰斗部裝藥條件下3種起爆方式爆轟波傳播云圖。對于單點起爆方式,球形爆轟波沿著各方向均勻傳播,當傳播至內襯弧面頂端后,逐漸向圓弧相交處傳播,并在相交處形成2個高壓區。對于兩點起爆方式,2個球形爆轟波傳播,匯聚成具有“8”字形特征的爆轟波,并向周圍傳播,與內襯相互作用,形成4個高壓區。對于三點起爆方式,3個球形爆轟波傳播,匯聚成類環形跑道形的爆轟波,并向周圍傳播,與內襯相互作用,同樣形成4個高壓區。計算結果表明,同一時刻下,單點起爆方式產生的爆轟波率先驅動戰斗部頂端單元,導致殼體膨脹并發生破碎,存在側向破片加速不均勻的問題。而三點起爆的爆轟波傳播至內襯并發生相互作用區域最大,即大部分破片同時發生加速,達到有效利用爆轟波能量的目的。

圖5 3種起爆方式下爆轟波傳播云圖

圖6給出了3種起爆方式下破片速度分布云圖。計算結果表明,兩段圓弧交接處由于應力集中,最先發生破裂。而圓弧頂點區域由于破裂過程較晚,驅動加速比較充分,破片速度最大。根據圖5給出的爆轟波演化過程,破片速度較高的區域是由于局部高壓導致破片獲得較高的驅動能量,且爆轟產物膨脹作用時間較長。

圖6 3種起爆方式下破片速度分布云圖

圖7給出了3種起爆方式下戰斗部中部破片速度分布。沿著圓弧R55頂端向圓弧R80頂端,破片速度均呈現先下降再升高的趨勢,其中,在兩段圓弧交接處破片速度最小,圓弧R55頂端破片速度最大。

圖7 3種起爆方式下戰斗部中部破片速度分布

表4給出了3種起爆方式下長徑比0.5戰斗部中部環形預制破片速度平均值及標準差,標準差可以反映破片速度分布的均勻性。顯而易見,起爆方式對破片速度的影響較為明顯,其中,單點起爆速度破片速度平均值為593 m/s,兩點起爆速度破片速度平均值為612 m/s,而三點起爆破片速度平均值為615 m/s。盡管三點起爆破片速度標準差為66 m/s,相比與其他起爆方式略高,但是,三點起爆下能量利用率是最高的。

表4 裝藥中部環形預制破片平均速度及標準差

圖8給出了3種起爆方式下戰斗部中部破片飛散初始速度曲線。單點起爆條件下,戰斗部中部不同位置的破片飛散的最大間隔時間為1.5 μs,而兩點起爆和三點起爆條件下,最大間隔時間分別為0.7 μs和0.6 μs。相對于單點起爆而言,多點起爆可以明顯縮短不同位置破片受到爆轟驅動的初始響應時間的差異,破片驅動同步性提高60%。驅動破片飛散先后順序和爆轟波作用先后順序有關,通過設計多點起爆,控制爆轟波波形,使波陣面到達內襯時間差異降低。根據圖5所示爆轟波傳播過程,多點起爆下,爆轟波瞬時接觸面積遠大于單點起爆爆轟波接觸面積,進而同時驅動更多的破片。

圖8 3種起爆方式下戰斗部中部破片飛散初始速度曲線

進一步圖9給出了3種起爆方式下破片沿著軸向飛散角分布,其中,破片相對位置代表了破片沿軸向坐標與戰斗部高度的比值。計算結果表明,3種起爆方式下,飛散角分布規律大致相同,靠近中心位置處的飛散角接近0°,兩端位置的飛散角最大約70°。

圖9 3種起爆方式下破片飛散角

2.2 截面形狀對裝藥能量輸出均勻性的影響

考慮三點起爆方式裝藥能量輸出均勻性的效果優于其他2種起爆方式,針對長徑比0.5情況,進一步分析三點起爆方式下5種截面形狀(見圖3)對裝藥能量輸出均勻性的影響。圖10給出了同一時刻下不同截面形狀爆轟波傳播演化過程。計算結果表明,三點起爆下,R70～R100截面爆轟波均匯聚形成類環形跑道形波陣面,與內襯接觸時形成多個高壓區。隨著圓弧半徑的減小,與圓弧R55越接近,形成的高壓區越均勻地作用于內襯,使破片加速更充分。針對傳統D形裝藥而言,三點起爆條件并未在內襯接觸表面形成高壓區域。

圖10 不同截面形狀下爆轟波傳播云圖

圖11給出了三點起爆下不同截面戰斗部破片速度分布云圖。計算結果表明,隨著圓弧半徑的減小,與圓弧R55越接近,破片空間分布均勻性越好。對于傳統D形戰斗部而言,其破片空間分布均勻性最差。

圖11 三點起爆下不同截面戰斗部破片速度分布云圖

圖12給出了三點起爆下5種裝藥構型中部環型預制破片速度分布。沿著圓弧R55頂端向另一側圓弧頂端,破片速度均呈現先下降再升高的趨勢,其中,圓弧R55頂端破片速度最高,圓弧交接處破片速度最低。

圖12 三點起爆下5種裝藥構型中部環型預制破片速度分布

表5給出了三點起爆下長徑比0.5的戰斗部中部環形預制破片平均速度及標準差。在5種裝藥構型中,R70裝藥構型破片平均速度最高,達到653 m/s,而傳統D形裝藥構型破片平均速度最低,僅為438 m/s,且速度分散性最大,標準差為143 m/s。此外,盡管R80裝藥構型破片平均速度低于R70的裝藥構型,但標準差最小,破片速度分布較為均勻。總體而言,類D形界面形狀對戰斗部裝藥能量輸出特征具有明顯的影響,截面形狀越對稱,多點起爆下能量輸出效果越好。

表5 戰斗部中部環形預制破片平均速度及標準差

2.3 長徑比對裝藥能量輸出均勻性的影響

選取R80截面戰斗部裝藥構型,進一步分析三點起爆條件下,長徑比對裝藥能量輸出均勻性的影響。圖13給出了三點起爆下具有不同長徑比的戰斗部破片速度分布云圖。隨著長徑比的增加,破片周向分布無明顯差異,破片軸向空間分布更加均勻。

圖13 三點起爆下具有不同長徑比的戰斗部破片速度分布云圖

圖14(a)給出了三點起爆下具有不同長徑比的戰斗部中部環向破片速度分布以及沿軸向破片速度分布。對于環向破片速度,不同長徑比下環向破片速度分布趨勢相似,R55圓弧頂端破片速度最大,兩段圓弧交接處速度最小。如圖14(b)所示,裝藥中部軸向破片速度標準差小于25 m/s的區域從28.57%提高到62.96%,長徑比的增加能夠明顯提高裝藥中部軸向破片的速度均勻性。

圖14 三點起爆下具有不同長徑比的戰斗部破片速度對比

表6給出了3種長徑比下裝藥中部環形預制破片速度平均值及標準差。長徑比的提高能夠顯著提高破片速度,隨著長徑比的增加,破片平均速度從615 m/s增加到1 030 m/s,提高約67.4%。而對于軸向破片速度,隨著破片相對位置增加,軸向破片速度先增加后降低。且隨著長徑比的增加,破片平均速度從612 m/s增加到1 020 m/s,提高約66.6%。

表6 裝藥中部環形預制破片平均速度及標準差

圖15給出了三點起爆下具有不同長徑比戰斗部中部環向破片飛散初始速度曲線。計算結果表明,當長徑比從0.5增長到1.5時,破片飛散時間差異從0.6 μs縮短到0.26 μs,飛散同步性提升56.6%。破片飛散時間差異性降低意味著大部分破片均同時受到爆炸產物膨脹作用,獲得更高的驅動能量,提升了裝藥能量的利用率。

圖15 三點起爆下具有不同長徑比戰斗部中部環向破片飛散初始速度曲線

圖16給出了三點起爆具有不同長徑比戰斗部軸向破片飛散角分布。計算結果表明,靠近戰斗部軸線中間區域的破片飛散角接近于0°,隨著長徑比的提高,破片飛散角接近0°的比例從10%提高到40%。這是由于隨著長徑比的提高,裝藥中部不受軸向稀疏波影響的區域變大,破片驅動過程不斷加速,速度不斷提高。

圖16 三點起爆具有不同長徑比戰斗部軸向破片飛散角分布

3 結論

本文針對類D形截面戰斗部的毀傷元能量分布均勻性差的問題,通過設計多點起爆方式,控制裝藥爆炸波形,優化能量輸出,系統研究了不同起爆方式、裝藥截面以及長徑比對裝藥能量輸出的影響規律。具體研究結論為:

1) 同一裝藥構型下,單點起爆、兩點起爆和三點起爆的初始爆轟波形分別為球形、8字形和類環形跑道形。相對于單點起爆,三點起爆下爆轟波同時接觸內襯區域最大,進而破片驅動同步性提升60%,破片速度最高,且均勻性最好。

2) 在長徑比0.5條件下,采用三點起爆,R70裝藥構型破片平均速度最高,達到653 m/s。而R80裝藥構型破片平均速度低于R70裝藥構型,但其分布較為均勻。隨著戰斗部截面對稱性增加,形成的高壓區越均勻地作用于內襯,使破片加速更充分。

3) 在三點起爆下,隨著長徑比的提高,戰斗部中部破片飛散同步性提高56.6%,平均速度提高67.4%,裝藥能量利用率提高。裝藥中部軸向破片速度標準差小于25 m/s的區域從28.57%提高到62.96%,長徑比的增加能夠明顯提高裝藥中部軸向破片的速度均勻性。