高原環(huán)境殺爆彈形成破片特性仿真研究

李玉文,郭秋萍,杜 寧,3,姜夏冰,3,李 松

(1.遼沈工業(yè)集團(tuán)有限公司, 沈陽(yáng) 110045;2.陸軍裝備部駐沈陽(yáng)地區(qū)第二軍事代表室, 沈陽(yáng) 110045;3.沈陽(yáng)理工大學(xué), 沈陽(yáng) 110159)

0 引言

殺傷爆破彈(殺爆彈)是最基本的彈藥,主要通過(guò)空氣沖擊波、破片毀傷有生力量、飛機(jī)等目標(biāo)[1]。現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中,殺爆彈是應(yīng)用最廣泛,消耗量巨大,改型換代較快的彈藥之一,在戰(zhàn)場(chǎng)上發(fā)揮著非常重要的作用[2]。Mott、Taylor、Gurney給出了殼體爆炸驅(qū)動(dòng)下形成破片的質(zhì)量分布、速度分布的計(jì)算模型[3-5]。Zecevic等[6]使用耦合數(shù)值CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))技術(shù)確定了殺爆彈形成自然破片的殺傷半徑及破片質(zhì)量分布。Alan等[7]研究了殺爆彈殺傷半徑,給出了殺爆彈破片質(zhì)量變化規(guī)律、殼體不同位置處破片速度分布規(guī)律。羅興柏等[8]研究了空氣中自然破片規(guī)律,并建立了Simulink仿真模型對(duì)破片的運(yùn)動(dòng)微分方程,獲得了破片運(yùn)動(dòng)軌跡、落地參數(shù)。李偉兵等[9-10]研究了不同回火溫度條件對(duì)殼體形成破片性能的影響規(guī)律,并應(yīng)用AUTODYN軟件分析了殼體破碎形成破片過(guò)程及破片質(zhì)量、速度變化規(guī)律,結(jié)果表明:隨著回火溫度的升高,質(zhì)量在1 g以上的有效破片數(shù)目增加。綜上所述,國(guó)內(nèi)外學(xué)者的相關(guān)研究主要集中于平原環(huán)境中殼體的破裂行為及自然破片質(zhì)量分布規(guī)律,較少涉及高原環(huán)境下(大氣溫度和環(huán)境壓力偏低)殺爆彈形成破片特性的研究。此外,殺爆彈面臨完全不同的使用環(huán)境,研究高原低壓低氧環(huán)境下殺爆彈形成破片質(zhì)量、速度變化規(guī)律成為一個(gè)迫切的問(wèn)題,有必要研究殺爆彈在高原環(huán)境下的破片特性。

本文中針對(duì)典型殺爆彈,采用端面中心點(diǎn)起爆方式研究殺爆彈形成的破片特性。結(jié)合空氣密度隨海拔高度變化修正系數(shù)及高原氣壓,得到高原環(huán)境比內(nèi)能,利用AUTODYN仿真軟件模擬平原、高原環(huán)境下典型殺爆彈形成破片特性,分析比較不同環(huán)境下破片形成的過(guò)程、速度規(guī)律以及破片的質(zhì)量分布。

1 殺爆彈模型建立及仿真

1.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

考慮所受載荷、邊界條件及結(jié)構(gòu)的對(duì)稱特性,建立了殺爆彈結(jié)構(gòu)的1/4模型,建立的仿真模型與試驗(yàn)殺爆彈結(jié)構(gòu)保持一致。在仿真模型中,忽略引信對(duì)于主炸藥的影響,起爆點(diǎn)位于炸藥頂端,不考慮彈帶對(duì)破片的影響。由于高原測(cè)試環(huán)境氣壓較低,通過(guò)在空氣的狀態(tài)方程中植入氣壓控制參量來(lái)考慮氣壓對(duì)于破片的影響。在上述假設(shè)下建立了殺爆彈威力數(shù)值模擬的三維模型,仿真模型如圖1所示。為了分析炸藥爆轟過(guò)程中空氣域內(nèi)破片速度的分布,在模型中設(shè)置了一系列觀測(cè)點(diǎn)(Gauges)來(lái)進(jìn)行觀測(cè)。通過(guò)觀測(cè)點(diǎn)的設(shè)置可以在運(yùn)算完成后獲得該點(diǎn)的坐標(biāo)、壓力、速度以及某時(shí)刻該空間點(diǎn)處物質(zhì)種類等信息。在殺爆彈威力數(shù)值模擬中,沿著殼體軸向均勻分布了59個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。

圖1 仿真模型

由于仿真模型中,網(wǎng)格太小會(huì)導(dǎo)致數(shù)量太大而影響計(jì)算效率。為了能夠較詳細(xì)的描述殼體形成破片過(guò)程,網(wǎng)格尺寸不宜過(guò)大,結(jié)合經(jīng)驗(yàn)以及計(jì)算對(duì)比發(fā)現(xiàn)三維模型中網(wǎng)格為邊長(zhǎng)1 mm的正方形時(shí)能夠兼顧炸藥尺寸和計(jì)算效率,因此模型中空氣域和殼體域采用1 mm網(wǎng)格。

1.2 材料本構(gòu)模型及參數(shù)

在殺爆彈威力數(shù)值模擬計(jì)算模型中涉及的材料有4種:炸藥、空氣、殼體以及引信。各種材料的本構(gòu)模型和參數(shù)以及狀態(tài)方程的確定直接影響破片速度、質(zhì)量分布等的數(shù)值。

模型中RL-F炸藥為文獻(xiàn)中查找,狀態(tài)方程為JWL(Jones-Wilkins-Lee)狀態(tài)方程,在炸藥爆轟及爆炸驅(qū)動(dòng)的數(shù)值模擬中廣為采用。JWL方程的一般壓力形式為

(1)

在仿真模型中,炸藥采用JWL狀態(tài)方程下的參數(shù)如表1所示。

表1 炸藥狀態(tài)方程參數(shù)

表2 材料模型

空氣采用理想氣體描述:

P=ρ(γ-1)e

(2)

式中,平原環(huán)境下比內(nèi)能e=2.068 5×105J/kg。

當(dāng)?shù)乜諝饷芏韧ǔＶ钙破w行在高空中的氣體密度,它隨離開(kāi)海平面高度而定[11],一般表達(dá)式為

ρa(bǔ)=ρH(y)

(3)

H(y)為空氣密度隨海拔高度變化的修正系數(shù)為

(4)

根據(jù)文獻(xiàn)等材料確定,海拔4.510 km時(shí),溫度-14.31 ℃,空氣密度0.776 5 kg/m3,氣壓為57 657 Pa。結(jié)合式(2)—式(4)可以確定高原環(huán)境下(4.51 km時(shí))e比內(nèi)能e=1.856 31×105J/kg。

殼體為50SiMnVB鋼,引信為2A12鋁合金,采用經(jīng)典的Johnson-Cook本構(gòu)模型描述其在爆炸驅(qū)動(dòng)下動(dòng)態(tài)力學(xué)行為。Johnson-Cook本構(gòu)主要是為了模擬承受大應(yīng)變、高應(yīng)變率的材料的強(qiáng)度特性,這些性能可能會(huì)出現(xiàn)在由于高速碰撞和炸藥爆轟引起的強(qiáng)烈沖擊載荷問(wèn)題中,模型定義屈服應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系為

(5)

式中:常數(shù)A是材料低應(yīng)變下的基本屈服應(yīng)力;而B(niǎo)和n表示應(yīng)變硬化效應(yīng),第2個(gè)括號(hào)和第3個(gè)括號(hào)內(nèi)的項(xiàng)分別表示應(yīng)變率效應(yīng)和溫度效應(yīng)。其中,第3個(gè)括號(hào)內(nèi)的熱軟化效應(yīng),當(dāng)T為熔化溫度時(shí),屈服應(yīng)力降為0。

2 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 平原環(huán)境下殺爆彈殼體形成破片過(guò)程

平原環(huán)境下殺爆彈殼體形成破片過(guò)程如圖2所示。由圖2可知,接近起爆點(diǎn)處的殼體首先發(fā)生徑向膨脹且逐漸傳播至整個(gè)殼體,當(dāng)起爆至40 μs時(shí)刻殼體隨機(jī)產(chǎn)生裂紋,隨著時(shí)間增加殼體最終破碎且形成破片。在軸線方向上,由于稀疏波的傳入,殼體中心處初速比2個(gè)端部要高。

圖2 平原環(huán)境下殼體形成破片過(guò)程

2.2 高原環(huán)境下殺爆彈殼體形成破片過(guò)程

高原環(huán)境下殺爆彈殼體形成破片過(guò)程如圖3所示。由圖3可知,接近起爆點(diǎn)處的殼體首先發(fā)生徑向膨脹且逐漸傳播至整個(gè)殼體,當(dāng)起爆至40 μs時(shí)刻殼體隨機(jī)產(chǎn)生裂紋,隨著時(shí)間增加殼體最終破碎且形成破片。在軸線方向上,由于稀疏波的傳入,殼體中心處初速比2個(gè)端部要高。

圖3 高原環(huán)境下殼體形成破片過(guò)程

3 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的對(duì)比與討論

3.1 殺爆彈殼體形成破片質(zhì)量變化規(guī)律

本文中采用AUTODYN-3D軟件Stochastic模型模擬殼體在炸藥爆轟作用下破裂運(yùn)動(dòng)加速過(guò)程,通過(guò)Stochastic模型中“Output fragment analysis”可以統(tǒng)計(jì)破片的質(zhì)量分布。仿真得到平原、高原環(huán)境下殺爆彈殼體形成破片質(zhì)量、數(shù)量分級(jí)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。由表3可知,2種環(huán)境下隨著破片質(zhì)量范圍的增加,破片數(shù)量減少。同時(shí),比較而言高原環(huán)境下輕破片數(shù)量增加,重破片數(shù)量減少,破片總數(shù)量略有增加。在12.00～15.99 g時(shí),高原環(huán)境下破片數(shù)量相對(duì)增加了66.66%;在30.00～49.99 g時(shí),破片數(shù)量相對(duì)降低了46.15%;在50.00～99.99 g時(shí),破片數(shù)量相對(duì)降低了25%;100.00～199.999 g時(shí),破片數(shù)量相對(duì)增加了1倍;其他區(qū)間范圍內(nèi)數(shù)量相差10%以內(nèi)。

表3 破片質(zhì)量、數(shù)量分級(jí)數(shù)據(jù)

由于仿真中破片存在一定質(zhì)量損失,因此兩高原環(huán)境與平原環(huán)境下破片數(shù)量會(huì)有差距,總體而言破片數(shù)量差距不大。

3.2 高原環(huán)境下殺爆彈殼體形成破片速度變化規(guī)律

通過(guò)仿真計(jì)算獲得了平原環(huán)境及高原環(huán)境下破片速度分布,如圖4所示。由起爆端到殼體底端,破片初速先增大后減小,由圖4可知,頭部破片初速較大,平原環(huán)境、高原環(huán)境下破片初速最大值分別為1 503、1 502 m/s,不同位置處高原環(huán)境破片與平原環(huán)境破片速度分布規(guī)律相差不多。隨著爆轟波的傳播,爆轟產(chǎn)物也運(yùn)動(dòng),因此非起爆端的破片初速要比靠近起爆端的破片初速高。

圖4 不同位置破片速度分布

圖5為高原與平原觀測(cè)點(diǎn)33處(圓柱部)破片初速結(jié)果對(duì)比。由圖5可知,不同環(huán)境殼體在爆轟驅(qū)動(dòng)下形成破片的速度變化不大。總體而言,高原環(huán)境與平原環(huán)境下殺爆彈形成的破片速度差距較小,破片初速分布規(guī)律差異不大。

圖5 典型觀測(cè)點(diǎn)33處破片初速結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

針對(duì)平原、高原2種典型環(huán)境下殺爆彈形成破片特性進(jìn)行了仿真研究,獲得以下結(jié)論:

1) 平原和高原環(huán)境下,均符合隨著破片質(zhì)量的增加,破片數(shù)量減少的趨勢(shì),但高原破片總量略有增加,約1.7%。

2) 平原、高原環(huán)境下,破片質(zhì)量分布區(qū)間略有不同,其表現(xiàn)高原環(huán)境下輕破片數(shù)量增加,重破片數(shù)量減少的趨勢(shì)。例如,在12.00～15.99 g時(shí),高原環(huán)境下破片數(shù)量相對(duì)增加了66.66%,在30.00～49.99 g時(shí),破片數(shù)量相對(duì)降低了46.15%。

3) 高原環(huán)境與平原環(huán)境相比,殺爆彈形成的破片速度分布規(guī)律差距較小,破片初速基本相同。