史志鑫，尹建平

(中北大學 機電工程學院， 太原 030051)

預(yù)制破片戰(zhàn)斗部通過裝藥起爆產(chǎn)生的爆轟波驅(qū)動破片，使破片飛散形成毀傷元對目標進行殺傷，預(yù)制破片戰(zhàn)斗部可以通過改變裝藥結(jié)構(gòu)和改變起爆方式控制裝藥起爆后的爆轟波形，進而控制預(yù)制破片的飛散效果；通過控制裝藥起爆后的爆轟波形可以實現(xiàn)預(yù)制破片的聚焦效果，也可以控制預(yù)制破片的飛散角和飛散方向角，實現(xiàn)定向殺傷。

預(yù)制破片戰(zhàn)斗部可以根據(jù)戰(zhàn)場的作戰(zhàn)需要選擇合適的裝藥結(jié)構(gòu)和起爆方式。梁爭峰等[1]利用數(shù)值仿真的方法分析了定向破片戰(zhàn)斗部的破片數(shù)目和破片速度的分布規(guī)律，并研究了爆炸網(wǎng)絡(luò)對定向戰(zhàn)斗部破片飛散的影響。李翔宇等[2]運用LS-DYNA軟件對比分析了可變形戰(zhàn)斗部、偏心起爆戰(zhàn)斗部和傳統(tǒng)周向均勻戰(zhàn)斗部破片的飛散效果。郭子云等[3]利用LS-DYNA研究了戰(zhàn)斗部端面預(yù)制破片的威力，分析了裝藥長徑比和裝藥端面曲率半徑對戰(zhàn)斗部端面預(yù)制破片的分散速度和飛散角的影響。臧立偉等[4]利用數(shù)值仿真的方法對軸向預(yù)制破片戰(zhàn)斗部進行研究，分析了炸藥爆速、起爆點位置和殼體厚度對軸向預(yù)制破片飛散的影響。龔柏林等[5]利用試驗和數(shù)值仿真的方法對D型預(yù)制破片戰(zhàn)斗部破片的飛散過程進行了研究，試驗獲得了預(yù)制破片的毀傷效果和破片的分布，對比了Lagrange算法和ALE算法的仿真結(jié)果。從現(xiàn)有的對預(yù)制破片戰(zhàn)斗部的研究來看，很少有人對預(yù)制破片戰(zhàn)斗部的起爆方式進行研究，也很少有專家和學者對起爆方式控制裝藥內(nèi)部的爆轟波形進行研究。

本文利用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件對預(yù)制破片戰(zhàn)斗部毀傷元成型過程進行了數(shù)值模擬，分析了戰(zhàn)斗部不同起爆方式對破片飛散效果的影響。

1 計算模型

戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)由殼體、內(nèi)襯、預(yù)制破片和裝藥組成，戰(zhàn)斗部口徑為122 mm，殼體厚度為3 mm，內(nèi)襯厚度為2 mm，戰(zhàn)斗部的結(jié)構(gòu)示意圖和二分之一有限元模型示意圖如圖1所示；預(yù)制破片在戰(zhàn)斗部內(nèi)部的排列方式及測速單元的選取如圖2所示。

由于球形預(yù)制破片的初速較高[6]，本文預(yù)制破片的形狀選取為球形，直徑為7 mm，破片在戰(zhàn)斗部內(nèi)部單層排列，戰(zhàn)斗部內(nèi)裝填預(yù)制破片個數(shù)為960個，預(yù)制破片的有限元模型如圖3所示。

模擬時，戰(zhàn)斗部殼體材料選取4340鋼，選用MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型，主要參數(shù)為：密度為7.83 g/cm3、彈性模量為220 GPa、泊松比為0.22；內(nèi)襯材料選取鋁合金，選用MAT_JOHNSON_COOK材料模型，選用EOS_GRUNEISEN狀態(tài)方程進行描述，主要參數(shù)為：密度為2.77 g/cm3、彈性模量為72 GPa、剪切模量為27.07 GPa；炸藥材料選取B炸藥，選用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型，選用EOS_JWL狀態(tài)方程。主要參數(shù)為：密度為1.82 g/cm3、爆速為8 480 m/s、C-J壓力為34.2 GPa；戰(zhàn)斗部裝填的預(yù)制破片的材料選取45鋼；選用MAT_ELASTIC材料模型，主要參數(shù)為：密度為7.83 g/cm3、彈性模量為220 GPa、泊松比0.22[6]。

2 數(shù)值模擬及分析

從動能的角度出發(fā)，在假設(shè)條件下，Gurney能量法利用Gurney比能和爆炸載荷系數(shù)β推導出破片的初速[7]，破片理論初速的方程為：

Gurney比能與炸藥爆速成線性關(guān)系，方程為：

式中：De為炸藥的爆速。

2.1 數(shù)值模擬

本文分析了戰(zhàn)斗部底部中心點起爆、中心線起爆、一端面環(huán)起爆和兩端面環(huán)起爆四種起爆方式對對預(yù)制破片飛散的影響；中心點起爆、中心線起爆和環(huán)起爆示意圖如圖4、圖5和圖6所示，起爆環(huán)的半徑為45 mm。在數(shù)值模擬的過程中，用INITIAL_DETONATION關(guān)鍵字添加起爆點，利用在戰(zhàn)斗部中心軸線上每隔2 mm設(shè)置一個起爆點模擬中心線起爆；在圖3所示的戰(zhàn)斗部端面圓環(huán)上，每隔2 mm設(shè)置一個起爆點模擬端面環(huán)起爆。

預(yù)制破片戰(zhàn)斗部選擇不同的起爆方式在裝藥中產(chǎn)生不同的爆轟波形，裝藥內(nèi)部不同的爆轟波形使破片的飛散效果不同。戰(zhàn)斗部裝藥起爆后，爆轟波沿裝藥的徑向和軸向傳播，并產(chǎn)生高溫高壓的爆轟產(chǎn)物，爆轟波和爆轟產(chǎn)物沿徑向和軸向膨脹使得內(nèi)襯破裂，爆轟波和爆轟產(chǎn)物從內(nèi)襯破裂的裂縫中傳出并驅(qū)動預(yù)制破片和破裂的內(nèi)襯。預(yù)制破片在爆轟波和爆轟產(chǎn)物的驅(qū)動下向戰(zhàn)斗部的徑向飛散對殼體產(chǎn)生徑向壓力，戰(zhàn)斗部殼體在破片的擠壓和爆轟波的膨脹作用下破裂，部分殼體破裂形成有效破片。預(yù)制破片擠出殼體之后向空氣中飛散，預(yù)制破片在空氣中飛散的整體效果形狀呈“燈籠形”。預(yù)制破片是預(yù)制破片戰(zhàn)斗部的主要毀傷元，殼體和內(nèi)襯破裂產(chǎn)生的部分自然破片也具有一定的殺傷能力。預(yù)制破片的飛散過程如圖7所示。

預(yù)制破片戰(zhàn)斗部選取底部中心點起爆、中心線起爆、一端面環(huán)起爆和兩端面環(huán)起爆四種起爆方式在戰(zhàn)斗部起爆后，t=100 μs時破片的飛散效果和速度云圖如圖8、圖9、圖10和圖11所示。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

戰(zhàn)斗部內(nèi)部裝填預(yù)制破片的層數(shù)為20層，每層48個破片，從戰(zhàn)斗部上方到下方依次將層數(shù)編為1層至20層。破片的初速、飛散角和飛散方向角是衡量預(yù)制破片戰(zhàn)斗部殺傷效能的重要指標，破片的飛散方向角定義為預(yù)制破片的飛散方向與戰(zhàn)斗部赤道面的夾角[8]。本文利用破片的初速和飛散方向角來分析起爆方式對預(yù)制破片戰(zhàn)斗部破片飛散的影響。

戰(zhàn)斗部選用底部中心點起爆t=100 μs時，從表1數(shù)據(jù)可以看出，位于戰(zhàn)斗部中間的預(yù)制破片速度較大，飛散方向角較小，預(yù)制破片的平均速度為1 915 m/s，平均飛散方向角為10.1°，飛散角為55.7°；戰(zhàn)斗部選用底部中心點起爆，當戰(zhàn)斗部起爆后，爆轟波從起爆點向戰(zhàn)斗部的軸向和徑向傳播并驅(qū)動預(yù)制破片運動，爆轟波傳到戰(zhàn)斗部的頂部將會返回沿戰(zhàn)斗部的軸向和徑向再次傳播，使得預(yù)制破片再次被爆轟波驅(qū)動，爆轟波沿戰(zhàn)斗部軸向和徑向的傳播會進行多次，進而對戰(zhàn)斗部中間的預(yù)制破片進行多次驅(qū)動，所以戰(zhàn)斗部中間的預(yù)制破片速度會大于戰(zhàn)斗部兩端的預(yù)制破片。

戰(zhàn)斗部選用中心線起爆時，戰(zhàn)斗部起爆后爆轟波從中心線戰(zhàn)斗部徑向和軸向傳播，爆轟波在傳播的過程中驅(qū)動預(yù)制破片向外飛散，每層預(yù)制破片的速度差較??；表2中的數(shù)據(jù)為t=100 μs時每層預(yù)制破片的速度和分散方向角，預(yù)制破片的平均速度為1 967.1 m/s，平均飛散方向角為9.2°，飛散角為52.6°。

一端環(huán)起爆是在戰(zhàn)斗部的一端設(shè)置起爆環(huán)，起爆環(huán)的設(shè)置位置如圖6所示，此種起爆方式使得沿起爆環(huán)一端的破片先被驅(qū)動，爆轟波沿起爆環(huán)軸向和徑向傳播，徑向傳播的過程中驅(qū)動每層預(yù)制破片向外飛散。表3為t=100 μs時每層預(yù)制破片的速度和分散方向角的數(shù)據(jù)，預(yù)制破片的平均速度為1 957.4 m/s，平均飛散方向角為8.8°，飛散角為43.7°。

兩端環(huán)起爆是在戰(zhàn)斗部兩端設(shè)置起爆環(huán)，在戰(zhàn)斗部的兩個端面起爆環(huán)設(shè)置的位置如圖6所示，戰(zhàn)斗部兩端的起爆環(huán)同時起爆，爆轟波從戰(zhàn)斗部的兩端沿戰(zhàn)斗部軸向和徑向傳播，并驅(qū)動預(yù)制破片向外飛散，戰(zhàn)斗部兩端爆轟波在戰(zhàn)斗部的中間相遇，一部分爆轟波繼續(xù)向前傳播，另一部分爆轟波反方向傳播，戰(zhàn)斗部中間的預(yù)制破片被戰(zhàn)斗部兩端傳來的爆轟波驅(qū)動，戰(zhàn)斗部中間的預(yù)制破片速度較高，飛散方向角也較小。表4為t=100 μs時每層預(yù)制破片的速度和飛散方向角的數(shù)據(jù)，預(yù)制破片的平均速度為2 037.8 m/s，平均飛散方向角為5.6°，飛散角為30.8°。

四種起爆方式的預(yù)制破片戰(zhàn)斗部破片的飛散性能如表5所示。

表1 戰(zhàn)斗部底部中心點起爆每層破片速度及飛散方向角

表2 戰(zhàn)斗部中心線起爆每層破片速度及飛散方向角

表3 戰(zhàn)斗部一端環(huán)起爆每層破片速度及飛散方向角

表4 戰(zhàn)斗部兩端環(huán)起爆每層破片速度及飛散方向角

表5 四種起爆方式的預(yù)制破片戰(zhàn)斗部破片飛散性能

3 結(jié)論

1) 戰(zhàn)斗部采用底部中心點起爆，預(yù)制破片的平均速度最低，為1 915 m/s，每層預(yù)制破片的速度差較大；戰(zhàn)斗部采用中心線起爆，每層預(yù)制破片的速度差較小，破片的平均速度為1 967.1 m/s；戰(zhàn)斗部采用兩端環(huán)起爆，預(yù)制破片的平均速度最高，為2 037.8 m/s，戰(zhàn)斗部中間幾層預(yù)制破片的速度較高；戰(zhàn)斗部選用一端環(huán)起爆時，破片的平均速度為1 957.4 m/s。四種起爆方式仿真結(jié)果所得的破片速度較理論計算的結(jié)果大。

2) 戰(zhàn)斗部采用底部中心點起爆，預(yù)制破片的平均飛散方向角最大，為10.1°，飛散角也最大，為55.7°；戰(zhàn)斗部采用中心線起爆，預(yù)制破片的平均飛散方向角為9.2°，方向角為52.6°；戰(zhàn)斗部采用兩端環(huán)起爆，預(yù)制破片的平均飛散方向角最小，為5.6°，飛散角也最小，為30.8°；戰(zhàn)斗部選用一端環(huán)起爆時，預(yù)制破片的平均飛散方向角為8.8°，方向角為43.7°。

3) 預(yù)制破片戰(zhàn)斗部采用兩端環(huán)起爆有利于提高預(yù)制破片飛散的速度，減小飛散方向角和飛散角、能夠提高預(yù)制破片的飛散密集度。