張偉光，高興勇

（軍械工程學(xué)院，石家莊 050003）

串聯(lián)戰(zhàn)斗部前后級(jí)作用關(guān)系數(shù)值模擬研究

張偉光，高興勇

（軍械工程學(xué)院，石家莊 050003）

利用Autodyn有限元軟件采取三維數(shù)值仿真的方法，對(duì)串聯(lián)戰(zhàn)斗部前后級(jí)的作用關(guān)系開(kāi)展研究?；诖?lián)戰(zhàn)斗部軸對(duì)稱的特點(diǎn)，建立了1/2有限元仿真簡(jiǎn)化模型，通過(guò)設(shè)置前后級(jí)飛行速度0 m/s、100 m/s、200 m/s以及前后級(jí)間距10 mm、30 mm、50 mm，利用控制變量法，分析了前后級(jí)相對(duì)速度、前后級(jí)間距對(duì)隨進(jìn)子彈受力狀態(tài)的影響規(guī)律。得出了隨著前后級(jí)相對(duì)速度的增大或者前后級(jí)間距的減小，隨進(jìn)子彈各點(diǎn)的受力及速度降都會(huì)增大的變化規(guī)律。仿真結(jié)果可以為相關(guān)串聯(lián)戰(zhàn)斗部的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

串聯(lián)戰(zhàn)斗部，數(shù)值模擬，爆轟場(chǎng)，隨進(jìn)子彈

Abstract：Using finite element software Autodyn based on dimensional numerical simulation ，the effect of the relationship between the front and rear tandem warhead level is researched.Based on the characteristics of the axial symmetry of series warhead，1/2 finite element simulation model is established.Setting the 0 m/s，100 m/s，200 m/s，10 mm，and the front and back stage spacing of，30 mm，and 50 mm，and using control variable method to analyse the relative velocity before and after class，before and after class on the pitch with the influence of the force of bullets into the state.Obtained before and after the variation decreases as the relative speed increases before and after class or grade pitch，as they enter the bullet points of the force and speed drop will increase.

Key words：tandem warhead，numerical simulation，explosion field，following projectile

0 引言

破爆型攻堅(jiān)彈戰(zhàn)斗部具有前級(jí)聚能裝藥對(duì)鋼筋混凝土工事開(kāi)孔、隨進(jìn)子彈隨進(jìn)殺傷功能，兼有對(duì)均質(zhì)裝甲的破甲能力，主要用于打擊敵方由混凝土構(gòu)筑的永備防御工事、軍事建筑設(shè)施和裝甲車輛等。目前國(guó)內(nèi)已有很多專家學(xué)者對(duì)串聯(lián)戰(zhàn)斗部進(jìn)行了一定的研究。文獻(xiàn)［1］從理論和仿真兩方面進(jìn)行研究，提出了串聯(lián)戰(zhàn)斗部前級(jí)爆轟場(chǎng)能夠作為隨進(jìn)引信解保環(huán)境的結(jié)論。文獻(xiàn)［2-5］研究了不同初始速度、前后級(jí)不同間距等因素影響條件下前級(jí)爆轟場(chǎng)對(duì)隨進(jìn)子彈的作用關(guān)系。文獻(xiàn)［6］主要對(duì)破爆型串聯(lián)攻堅(jiān)戰(zhàn)斗部前級(jí)爆轟場(chǎng)作用在隨進(jìn)子彈上的壓力、沖量以及隨進(jìn)子彈的速度衰減規(guī)律進(jìn)行了研究。

近年來(lái)，基于隨進(jìn)引信解除保險(xiǎn)環(huán)境少的問(wèn)題，越來(lái)越多地隨進(jìn)引信利用前級(jí)爆轟場(chǎng)作用在隨進(jìn)子彈產(chǎn)生的加速度過(guò)載作為解保環(huán)境，這種串聯(lián)戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)新穎，前級(jí)戰(zhàn)斗部采用輔炸藥環(huán)形起爆主炸藥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，已引起廣大學(xué)者的重視，結(jié)構(gòu)模型如下頁(yè)圖1所示。但由于爆轟場(chǎng)具有一定的不可控制性，在特殊情況下很可能導(dǎo)致隨進(jìn)引信無(wú)法正常作用。鑒于此，本文針對(duì)該類串聯(lián)戰(zhàn)斗部，參考上述文獻(xiàn)在研究串聯(lián)戰(zhàn)斗部前后級(jí)不同影響關(guān)系的方法思路，利用AUTODYN軟件對(duì)其前后級(jí)作用關(guān)系展開(kāi)研究。

圖1 串聯(lián)戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1 仿真模型、算法及材料參數(shù)

1.1 串聯(lián)戰(zhàn)斗部仿真模型及算法介紹

計(jì)算時(shí)忽略戰(zhàn)斗部?jī)?nèi)部零件、裝配關(guān)系等帶來(lái)的不對(duì)稱因素，建立1/2的三維仿真簡(jiǎn)化模型。在主戰(zhàn)斗部和隨進(jìn)子彈周圍建立了空氣域，為避免可能出現(xiàn)的網(wǎng)格嚴(yán)重畸變所引起的計(jì)算困難，將藥型罩、前級(jí)聚能裝藥、隔板及空氣域采用歐拉網(wǎng)格劃分，隨進(jìn)子彈、殼體采用拉格朗日網(wǎng)格劃分，兩者之間采用自動(dòng)流固耦合算法，隨進(jìn)子彈與殼體之間采用Lagrange/Lagrange方法建立接觸關(guān)系。為消除沖擊波在空氣域邊界反射所引起的誤差，確保計(jì)算的精確性，在空氣域四周（對(duì)稱面除外）設(shè)置了無(wú)反射邊界條件。有限元仿真簡(jiǎn)化模型如圖2所示，觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置如圖3所示。

圖2 有限元仿真簡(jiǎn)化模型

圖3 觀測(cè)點(diǎn)位置圖

1.2 材料參數(shù)設(shè)置

空氣采用Ideal Gas材料模型。藥型罩采用紫銅材料，各參數(shù)取值如表1所示。

主炸藥和副炸藥為8701高能炸藥，采用JWL狀態(tài)方程［7］，各參數(shù)取值如表2所示。

隔板材料為聚苯乙烯，采用shock狀態(tài)方程，計(jì)算參數(shù)如表3所示。

表1 藥型罩材料參數(shù)

表2 主炸藥及副炸藥材料參數(shù)

表3 隔板材料參數(shù)

隨進(jìn)子彈材料為鋼，彈殼材料為鋁合金，都采用Johnson-cook材料模型和Grünesien狀態(tài)方程，計(jì)算參數(shù)如表4所示。

表4 隨進(jìn)子彈及彈殼材料參數(shù)

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 相對(duì)速度的影響分析

2.1.1 相對(duì)速度對(duì)隨進(jìn)子彈的受力影響

通過(guò)仿真計(jì)算，選取5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)作為子彈頭部受力研究點(diǎn)。在兩級(jí)戰(zhàn)斗部不同相對(duì)速度條件下隨進(jìn)子彈頭部各點(diǎn)的壓力與時(shí)間變化曲線如下頁(yè)圖4～圖6，各點(diǎn)沖量與時(shí)間變化曲線如下頁(yè)圖7～圖9所示。從圖中可以看出，前級(jí)裝藥爆炸后，產(chǎn)生的爆轟場(chǎng)會(huì)迅速作用到隨進(jìn)子彈上，相對(duì)速度大小改變時(shí)，隨進(jìn)子彈的受力也會(huì)發(fā)生變化，但整體的受力曲線變化趨勢(shì)是一樣的，約從8.5 μs時(shí)開(kāi)始爆轟場(chǎng)作用在隨進(jìn)子彈上，80 μs時(shí)壓力趨于零，相對(duì)速度為0 m/s、100 m/s、200 m/s時(shí)的受力峰值分別為3.33 GPa、3.76 GPa、3.99 GPa。因此，可以看出，隨進(jìn)子彈各點(diǎn)受力隨著前后級(jí)相對(duì)速度的增加而呈現(xiàn)變大趨勢(shì)。

圖4 速度為0 m/s

圖5 速度為100 m/s

圖6 速度為200 m/s

圖7 速度為0 m/s

圖8 速度為100 m/s

圖9 速度為200 m/s

2.1.2 相對(duì)速度對(duì)隨進(jìn)子彈的速度降影響

當(dāng)初始相對(duì)速度不同時(shí)，隨進(jìn)子彈的速度降也會(huì)發(fā)生改變，其速度降隨兩級(jí)戰(zhàn)斗部相對(duì)速度變化曲線如圖10～圖12所示。由圖可看出，相對(duì)速度為0 m/s、100 m/s、200 m/s時(shí)，隨進(jìn)子彈的速度降分別為 58.6 m/s、64.5 m/s、68 m/s。由此可以得出結(jié)論，隨著兩級(jí)戰(zhàn)斗部的相對(duì)速度增大時(shí)，隨進(jìn)子彈的速度降也在增大。

圖10 速度為0 m/s

圖11 速度為100 m/s

2.2 前后級(jí)間距的影響分析

2.2.1 前后級(jí)間距對(duì)隨進(jìn)子彈的受力影響

圖12 速度為200 m/s

結(jié)合相對(duì)速度這一因素對(duì)隨進(jìn)子彈影響的研究方法，分別設(shè)置前后級(jí)間距為10 mm、30 mm、50 mm，相對(duì)速度都為零進(jìn)行研究，其中前后級(jí)間距為10 mm的模型就是上節(jié)相對(duì)速度為0 m/s的模型，這里不再重述。3種模型仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖13～圖15所示。由圖可知，隨著前后級(jí)間距的增大，爆轟場(chǎng)開(kāi)始作用到隨進(jìn)子彈的時(shí)間滯后，隨進(jìn)子彈各點(diǎn)受力減小。

圖13 間距為10 mm

圖14 間距為30 mm

圖15 間距為50 mm

2.2.1 前后級(jí)間距對(duì)隨進(jìn)子彈的速度降影響

不同前后級(jí)間距時(shí)對(duì)隨進(jìn)子彈的仿真計(jì)算結(jié)果如圖16～圖18所示。當(dāng)間距為10 mm、30 mm、50 mm時(shí)，速度由零變至 -58.633m/s、-47.915m/s、-47.891m/s。通過(guò)對(duì)比分析可知，隨著前后級(jí)的間距增大，隨進(jìn)子彈的速度降呈現(xiàn)變小趨勢(shì)。

圖16 間距為10 mm

圖17 間距為30 mm

圖18 間距為50 mm

3 結(jié)論

本文利用三維數(shù)值模擬的方法，針對(duì)串聯(lián)戰(zhàn)斗部前后級(jí)作用關(guān)系，分別分析了前后級(jí)相對(duì)速度、前后級(jí)間距對(duì)隨進(jìn)子彈狀態(tài)的影響，綜合分析研究結(jié)果，可以總結(jié)出以下幾個(gè)結(jié)論：

①隨著前后級(jí)相對(duì)速度的增加，隨進(jìn)子彈各點(diǎn)受力變大，在穿越爆轟場(chǎng)的過(guò)程中所受到的沖量也變大，進(jìn)而導(dǎo)致速度降變大。

②當(dāng)前后級(jí)間距不同時(shí)，隨進(jìn)子彈的受力狀態(tài)也發(fā)生明顯的改變。隨兩級(jí)間距增大，隨進(jìn)子彈的受力及速度降均變小。若兩級(jí)間距設(shè)計(jì)過(guò)近，將導(dǎo)致隨進(jìn)子彈產(chǎn)生一定的變形。

③從以上數(shù)值仿真結(jié)果可以看出，該串聯(lián)戰(zhàn)斗部前后級(jí)相對(duì)速度、兩級(jí)間距對(duì)隨進(jìn)子彈的受力狀態(tài)影響較大。若發(fā)射速度過(guò)大且兩級(jí)間距過(guò)小，都將可能導(dǎo)致隨進(jìn)子彈變形，甚至其內(nèi)部引信零部件變形使其無(wú)法正常作用。因此，要充分考慮這兩個(gè)影響因素，同時(shí)注意隨進(jìn)子彈要選擇高強(qiáng)度材料，內(nèi)部引信零部件要做好隔爆措施。

［1］段振龍，袁鵬舉，郝益民，等.隨進(jìn)引信前級(jí)爆轟場(chǎng)環(huán)境解除保險(xiǎn)方法［J］.探測(cè)與控制學(xué)報(bào)，2011，33（1）：1-5.

［2］張先鋒，陳惠武.破爆型串聯(lián)戰(zhàn)斗部前級(jí)對(duì)后級(jí)影響數(shù)值模擬［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2006，26（2）：66-68.

［3］王樹(shù)有，陳惠武，趙有守.串聯(lián)攻堅(jiān)戰(zhàn)斗部前級(jí)爆轟場(chǎng)對(duì)后級(jí)影響分析［J］.火炸藥學(xué)報(bào)，2006，29（2）：4-6.

［4］曾必強(qiáng)，姜春蘭，嚴(yán)翰新，等.串聯(lián)攻堅(jiān)戰(zhàn)斗部前級(jí)爆轟場(chǎng)對(duì)隨進(jìn)彈隨進(jìn)影響分析［J］. 兵工學(xué)報(bào)，2010，31（1）：162-166.

［5］張樂(lè)源，李永勝，王偉力，等.相對(duì)速度對(duì)隨進(jìn)戰(zhàn)斗部影響的仿真研究［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2013，35（7）：87-90.

［6］李國(guó)鄧，王平，薛鑫瑩.爆炸沖擊過(guò)載對(duì)隨進(jìn)子彈影響的仿真與分析［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2011，31（2）：102-104.

［7］王健，阮文俊.串聯(lián)隨進(jìn)戰(zhàn)斗部前后級(jí)影響數(shù)值仿真［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2010，22（9）：2231-2234.

Numerical Simulation Research on Before and after Effect Relationship of Tandem Warhead

ZHANG Wei-guang，GAO Xing-yong
（Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

TJ410

A

10.3969/j.issn.1002-0640.2017.09.023

1002-0640（2017）09-0108-04

2016-05-05

2016-08-29

張偉光（1991- ），男，河北廊坊人，碩士研究生。研究方向：彈藥保障與安全技術(shù)。