余志統(tǒng)，施冬梅，尚春明，石永相，李文釗

(1.陸軍工程大學石家莊校區(qū) 彈藥工程系， 石家莊 050003；2.西北核技術研究所， 西安 710024)

進入新世紀以來，彈箭技術發(fā)展的目標主要是實現(xiàn)精確打擊、遠程壓制和高效毀傷多種類型目標的能力。戰(zhàn)斗部是武器系統(tǒng)的有效載荷，是彈藥毀傷目標或完成其他戰(zhàn)斗任務的重要組成部分。殺爆彈歷來是戰(zhàn)爭中的常規(guī)武器之一，能兼顧殺傷、爆破兩種作用，以打擊空中、地面、水上各種目標，如飛機、導彈、軍事工事、坦克、裝甲車輛、艦艇以及有生力量等[1]。目前在預制破片戰(zhàn)斗部中，多采用鎢合金材料，典型配方為W93和W95，該材料具有高密度、高強度、高熔點等良好性能，已經逼近晶態(tài)合金材料的極限狀態(tài)[2-3]。若要提高預制破片毀傷效能，可從起爆方式、破片材料與預制體形狀等方面進行研究。在破片環(huán)上進行刻槽，可以使產生的破片更加規(guī)則，使破片分布更加均勻[4]。

戰(zhàn)斗部的設計是一個復雜的系統(tǒng)工程，一方面，戰(zhàn)斗部的爆轟、破片的飛散是一個復雜的物理、力學過程，難以利用數(shù)學、力學等方法進行直接求解；另一方面，采用實驗的方法，需多次實驗反復校正，不僅成本極高，并且周期較長。隨著計算機仿真技術的飛速發(fā)展，數(shù)值仿真方法能夠較好地模擬介質間的高速碰撞、形變和斷裂等復雜過程，獲得清晰直觀的圖像以及完整的試驗數(shù)據(jù)，因此可用于新型預制破片戰(zhàn)斗部的設計研制過程中[5]。目前，國內關于V形刻槽預制破片的爆炸飛散規(guī)律的研究較少，幾乎沒有公開發(fā)表的仿真研究文獻。

1 仿真模型構建

1.1 實體模型的建立與簡化

本文選取某型殺爆彈彈丸作為研究對象，該種彈丸所采用預制破片為V形刻槽結構。本文重點對預制破片飛散規(guī)律進行研究，為簡化計算，在不影響預制破片爆炸飛散效果的基礎上，建立殺爆彈彈丸圓柱戰(zhàn)斗部的實體模型，如圖1。同時，為了保證炸藥爆轟的密閉環(huán)境，增加一端蓋，實體模型及剖面圖如圖2所示。由于該實體模型旋轉對稱，因此為減小工作量、提高仿真計算速度，建模過程中可建造四分之一模型。環(huán)裝刻槽鎢合金預制破片如圖3所示。

圖1 彈丸實體模型

圖2 預制破片戰(zhàn)斗部簡化模型

圖3 預制破片實體模型

1.2 V形刻槽預制破片有限元模型

將在SOLIDWORKS中建立的實體模型另存為.x-t幾何文件，導入ICEM中進行有限元網(wǎng)格劃分。ICEM CFD是一款計算前處理軟件，包括從幾何創(chuàng)建、網(wǎng)格劃分、前處理條件設置等功能，能夠滿足復雜分析對集成網(wǎng)格劃分與后處理的需求。

在有限元模型網(wǎng)格劃分過程中，若有限元的數(shù)過于龐大，則易出現(xiàn)計算運行緩慢，甚至是無法進行運算的問題。如網(wǎng)格過于稀疏，則不能很好地模擬實際爆轟加載過程，出現(xiàn)較大誤差甚至是錯誤。因此，需要對模型的網(wǎng)格疏密進行合理的布局安排。預制破片部分，適當加密其網(wǎng)格數(shù)量，尤其是V形刻槽[6]處，在炸藥爆轟作用下會發(fā)生斷裂，增加此處有限元數(shù)量能夠更加真實地模擬出預制破片槽口處變形直至斷裂的過程。

在有限元爆炸仿真過程中，網(wǎng)格的長寬比必須處于一定范圍內，才能保證計算結果的正確性和精確程度，一般來說單個網(wǎng)格長寬比不大于10∶1。為了提高計算精度，同時控制總體有限元數(shù)量，在V形槽口處采用扁矩形網(wǎng)格，同時以其長邊作為破片網(wǎng)格短邊，減低網(wǎng)格的數(shù)量，保證了總體有限元網(wǎng)格的質量，刻槽處網(wǎng)格劃分如圖4所示。在ICEM中，對網(wǎng)格質量進行檢查，檢查結果如圖5所示，質量參數(shù)0.3以上的網(wǎng)格基本滿足有限元仿真要求，越接近1說明網(wǎng)格質量越高，本模型網(wǎng)格質量參數(shù)為0.6～1，可以保證爆炸仿真試驗的準確性。

圖4 預制破片網(wǎng)格局部放大示意圖

1.3 材料參數(shù)設定

有限元仿真軟件AUTODYN是美國Century Dynamics公司于1985年在加州硅谷開發(fā)的一款軟件產品，其采用有限差分和有限元技術解決固體、流體、氣體及其相互作用的高度非線性動力學問題。它提供很多高級功能，具有濃厚的軍工背景，在國際軍工行業(yè)占據(jù)80%以上的市場，尤其在水下爆炸、空間防護、戰(zhàn)斗部設計等領域具有不可替代性[7-8]。

戰(zhàn)斗部主要包括殼體、炸藥、預制破片、包覆層和端蓋五部分，其中，殼體、包覆層和端蓋均采用823鋼材料(50SiMnVB)，預制破片材料為鎢合金，炸藥選用B炸藥。炸藥爆轟加載條件下，殼體、包覆層、端蓋發(fā)生變形、斷裂，預制破片受到爆轟產物沖擊，槽口處由于應力集中會發(fā)生斷裂。因此，殼體、包覆層、端蓋和預制破片可采用Lagrange單元，空氣和炸藥選擇Euler單元?？諝獠捎美硐霘怏w模型，初始能量參數(shù)Int Energy為2.068×105。

圖5 網(wǎng)格質量檢查結果

1.4 起爆點及觀測點設置

起爆方式對戰(zhàn)斗部爆轟效果具有顯著的影響[9]，起爆方式不同，戰(zhàn)斗部爆轟所產生破片的初速、分布均不同。原彈戰(zhàn)斗部由引信自彈頭處起爆，當爆轟波傳播至預制破片部分時，可將波陣面視為平面。因此，在進行預制破片戰(zhàn)斗部爆炸仿真時，將其起爆方式設置為炸藥端面處面起爆，更貼合實際情況。

為了獲得詳盡的破片參數(shù)，在每一個鎢合金破片上設置Gauge點以記錄爆炸過程數(shù)據(jù)。Gauges分為兩種，一種是固定在空間某一點，另一種固定在網(wǎng)格節(jié)點上，跟隨網(wǎng)格移動。在破片上設置隨動Gauge，可監(jiān)測并記錄破片的實時速度、角度等信息。如圖6所示，靠近端蓋的為第一圈破片，按照先軸向后周向的順序對預制破片依次編號，共設置84個破片隨動觀測點。

圖6 Gauges觀測點設置

2 仿真結果及分析

采用ANSYS/AUTODYN軟件對預制破片戰(zhàn)斗部爆炸過程進行仿真模擬，整個計算過程耗時約185 h，初始階段，炸藥在72 μs內完成爆轟，爆轟波在炸藥內迅速傳播，戰(zhàn)斗部爆炸所形成破片的飛散效果如圖7、圖8所示。

圖7 徑向破片飛散場

圖8 軸向破片飛散場

2.1 預制破片初速分析

炸藥端面被起爆后，炸藥內部壓力迅速升高至33 GPa，爆轟波在炸藥內部傳播，產生大量爆轟產物。鎢合金預制破片槽口在高溫高壓氣體的作用下斷裂成單枚破片[10-11]。受到沖擊波的高壓作用時，預制破片徑向被壓縮，在軸向和周向出現(xiàn)輕微拉伸變形。從其速度-時間曲線(圖9和圖10)可以看出，周向的破片由于位置對稱，均在很短的時間內被驅動至較高的速度，然后保持穩(wěn)定飛行。

圖9 徑向預制破片速度-時間曲線

圖10 軸向預制破片速度-時間曲線

該型戰(zhàn)斗部靜爆試驗中，鎢合金預制破片的平均初速為1 039 m/s，仿真試驗結果的初速為950.6 m/s，兩者相差8.5%，試驗結果與仿真結果較為吻合。仿真試驗初速較低，可能是由于戰(zhàn)斗部簡化，仿真試驗過程中殼體內裝藥爆轟壓力低于靜爆試驗爆轟壓力[12]。

取軸向破片Gauge1～6數(shù)據(jù)，其時間-速度曲線如圖10，從圖10中可以清晰地看出，越靠近起爆面，破片的初速越低。六圈破片的平均初速分別為：896 m/s、901 m/s、924 m/s、953 m/s、981 m/s、1 046 m/s。炸藥被起爆后，爆轟波在炸藥內部傳播，戰(zhàn)斗部內部氣體產物的壓力不斷升高。從圖11時間-壓力曲線可以看出，靠近的破片，雖然先受到爆轟波的沖擊，但由于炸藥還未完全爆轟，壓力較小，所以速度比遠離炸藥端面的破片速度稍小。

對所設置Gauge點的速度進行統(tǒng)計，通過其軸向分速和速度的比值，可計算出破片的方向角φ?？滩垲A制破片的平均方向角為91.7°，飛散方向角為88.3°～93.4°。與自然破片相比，V形刻槽預制破片的飛散角相對較小，所形成的破片場為環(huán)帶狀，有效殺傷區(qū)域內破片較為密集。

2.2 離散式預制破片對比分析

為分析V形刻槽對鎢合金預制破片爆炸飛散的影響，僅改變破片連接方式，建立離散式預制破片戰(zhàn)斗部有限元模型，并進行爆炸仿真計算。離散式預制破片平均初速為1 028 m/s，平均方向角為87.1°～95.5°。離散式預制破片戰(zhàn)斗部破片飛散速度-時間曲線如圖11、圖12。

與V刻槽預制破片爆炸飛散過程對比可知，刻槽式破片初速較低。其原因是，V形槽口的深度較淺，炸藥使其斷裂所消耗的能量小于鎢合金的斷裂能，所以初速低于離散型預制破片。兩者飛散角相差不大，破片的飛散分布基本不受破片間連接方式的影響。

圖11 徑向離散破片速度-時間曲線

圖12 軸向離散破片速度-時間曲線

3 結論

1) 本文提出的優(yōu)化網(wǎng)格比值的有限元網(wǎng)格的建立方法，適用于V形刻槽式預制破片戰(zhàn)斗部的爆炸仿真研究，優(yōu)化了爆炸仿真模型，提高了數(shù)值模擬的精度和效率。下一步可考慮對結構等效簡化，減少刻槽處網(wǎng)格層數(shù)替代直接進行網(wǎng)格劃分。

2) V形刻槽預制破片平均初速為950.6 m/s，飛散方向角為88.3°～93.4°。與靜爆試驗平均初速1 039 m/s比較，誤差為8.5%?？拷鸨娴钠破跛佥^小，且由于僅有六圈預制破片，在一定范圍內破片密度較高，整體毀傷效果受彈目交匯姿態(tài)影響較大。

3) 與離散式破片相比較，V形刻槽預制破片平均初速低于離散式預制破片7.5%；飛散角基本不受刻槽結構的影響。