馬永忠,趙法棟
(武警工程大學 裝備管理與保障學院,西安 710086)
強光爆震彈是一種大威力非致命彈藥,其爆炸時產生強烈聲響和炫目閃光刺激,使人員暫時性致聾致盲,從而失去抵抗能力。因其作用威力大、驅散效果好,在強行驅散、武力突擊等任務中得到了各國警憲部隊的普遍使用[1]?!叭绾巫畲笙薅冉档推淦破瑲?,保證使用安全性”一直是該類彈藥研發(fā)設計的重點問題[2]。比如美國7290型爆震彈[3]和M84震撼彈[4]均采用鋼制金屬外殼,爆炸時不會產生任何破片,但也增加了全彈質量,給彈藥投擲和攜帶帶來不利影響;法國0446型聲光彈則采用了預制破片的方法來控制破片大小和形狀,達到降低殺傷力的目的。我國學者郭三學[5]專門對V形槽法提高爆震彈安全性的可行性進行過實驗研究。
為開展強光爆震彈破片殺傷問題研究,我們設計了一種卵形彈體結構的小型強光爆震彈(如圖1所示)。對其破片質量分布和破片速度等進行了仿真分析,評估了其殺傷半徑。
采用有限元法進行爆炸仿真是現(xiàn)代武器彈藥設計的常用方法。余志統(tǒng)等[6]對戰(zhàn)斗部爆炸加載及破片飛散過程進行有限元仿真,分析了預制破片的爆炸飛散規(guī)律。樊壯卿等[7]仿真分析了艙室爆炸載荷傳播特性,為艦艇毀傷和防護提供了參考。
張國強[8]基于非線性有限元軟件LS-DYNA采用ALE算法對某強光爆震彈的沖擊波超壓進行仿真,分析了其致傷特性,證實了仿真的正確性。本文仍采用該方法,對所設計的小型強光爆震彈的爆炸過程進行數值仿真,探究其破片分布規(guī)律,以期為該彈藥的研制和應用提供科學依據。
小型強光爆震彈由發(fā)火機構、保險機構、聯(lián)接座和爆炸體4部分構成(如圖1所示)。其工作原理是:當拔出保險銷投擲后,保險柄脫落,擊針板翻轉刺燃一級分離點火管,經過延期后,一級分離點火管發(fā)火,產生的高溫高壓氣體使聯(lián)接座與爆炸體分離拋出,同時引燃二級延期點火體中的點火藥,再次延期后,二級延期點火體發(fā)火激勵閃光劑爆炸,爆炸體殼體破碎,產生巨大聲響和強閃光。
1.聯(lián)接座; 2.二級延期點火體; 3.下蓋; 4.發(fā)火與保險機構;5.拉環(huán)鎖定扣; 6.一級分離點火管; 7.閃光劑
由工作原理可知,由于采用了雙延期管串聯(lián)點傳火機構,使得聯(lián)接座在爆炸體爆炸前就以較低速度分離,徹底消除了聯(lián)接座整體激射帶來的殺傷風險,殼體破片就成了該彈的主要殺傷來源。因此,本文主要對爆炸體的爆炸過程進行仿真分析。在各種有限元分析平臺中,軟件LS-DYNA在分析各種爆炸、結構撞擊、沖擊等動態(tài)非線性問題方面具有獨特的優(yōu)勢[9],本文就以該軟件為仿真平臺。
在分析本彈結構及爆炸特性的基礎上,同時考慮到計算資源的限制,本文作出如下假設:1) 閃光劑線性爆轟;2) 忽略應力波在殼體內傳播和反射的細微過程,忽略較小的應力波在傳播過程中的疊加;3) 經爆轟驅動的殼體破片不存在質量損耗和變形。
由于爆炸體為軸對稱結構,本文建立1/4物理模型。
爆炸體為ABS材料,其二維截面結構及尺寸如圖2所示。
空氣和閃光劑截面如圖3所示。其中,藍色部分為閃光劑,裝藥高度為33.7 mm,重28 g;紫色部分為空氣。
圖2 爆炸體截面圖(mm) 圖3 空氣和閃光劑截面圖
通過旋轉,生成的實體模型分別如圖4、圖5所示。
圖4 爆炸體實體模型 圖5 空氣和閃光劑實體模型
由于彈體結構對稱,本文采用四面體網格對爆炸體、炸藥和空氣部分進行網格劃分,網格總數約40萬。爆炸體網格劃分如圖6所示,空氣和閃光劑網格劃分如圖7所示。
圖6 爆炸體網格劃分 圖7 空氣和閃光劑網格劃分
爆炸體爆炸過程中涉及閃光劑、空氣和爆炸體3種材料,需分別進行建模。
閃光劑采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN的材料模型,狀態(tài)方程采用*EOS_JWL。JWL狀態(tài)方程能夠精準地描述爆炸驅動過程中爆轟氣體產物的能量特性、壓力和體積,表達式為:
(1)
式(1)中:A、B、R1、R2和ω為常數;P為爆轟產物的壓力;V為爆轟產物的相對比容;E是與爆熱成正比的常數。
由于本文的閃光劑配方在JWL材料參數手冊中無法查找,對此采用凝聚體炸藥狀態(tài)方程[10]來擬合得出。
由K方程,有:
(2)
利用爆轟波陣面參數:
(3)
進而可以擬合出閃光劑狀態(tài)方程,參數如表1所示。
表1 閃光劑狀態(tài)方程參數
空氣采用*MAT_NULL,狀態(tài)方程采用*EOS_LINEAR_ POLYNOMIAL,參數如表2所示。
表2 空氣模型參數
爆炸體采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC,隨動強化的塑性材料模型,參數如表3所示。
表3 ABS材料模型參數
極限塑性應變取0.06。
在LS-DYNA中設置求解時間為0.5 ms,求解步數設置為100步,施加YZ、XY對稱邊界條件,并將起爆點設置在閃光劑的中心位置,生成K文件后即可運算。
圖8所示為爆炸時刻為0.05~0.45 ms時爆炸體破碎仿真。由圖8可見,爆炸體爆炸后,產生了大量的破片,由于結構較復雜,爆炸體各區(qū)域(區(qū)域劃分見圖9所示)破片大小分布不均,飛散方向也不同,具體而言:
1) 端蓋部破片總體來說較大,沿爆炸體軸向方向飛散;
2) 上部以小破片居多,與爆炸體軸向成45°向上飛散;
3) 中部破片較大,由于該位置為聯(lián)接處,筒體較厚,運動方向垂直于爆炸體軸向,向周向飛散;
4) 底部破片大小相對較小,其中弧底部分破片與爆炸體軸向約成45°向下飛散,平底部分破片沿爆炸體軸向方向飛散。
圖8 爆炸體在0.05~0.5 ms時的破碎仿真
圖9 爆炸體示意圖
運用PREPOST對破片速度進行處理分析,爆炸體總動能隨時間變化曲線如圖10所示。
圖10 爆炸體總動能-時間曲線
由圖10可以看出,爆炸體在0.035 ms時,開始受到炸藥爆炸的沖擊波,在0.005 ms的時間內,動能急劇增大到最大值,之后0.1 ms內,炸藥仍在爆炸產生持續(xù)的沖擊波,爆炸體自身部分微小破片也在迅速消失造成動能損失,兩者最終達到平衡,動能又一次達到最大值,此時,閃光劑主體爆炸完畢,爆炸體由于微小碎片的消失,動能又開始逐漸減小。
隨機選取不同部位破片進行速度分析,結果見圖11~圖14??梢?,爆炸體不同部位爆炸時破片速度變化各不相同。最大速度產生在爆炸體上部,最大速度為132 m/s,上部破片速度分布比較廣,最小為10 m/s。中部由于破片比較大,速度也相對較小,平均為45 m/s,端蓋部和底部速度主要是沿爆炸體軸向,具體來看,速度大約在0.05 ms時開始急劇增加,到0.1 ms時達到頂峰,而后或緩慢上升、或緩慢下降、或保持穩(wěn)定。
圖11 端蓋部部分破片時間-速度曲線
圖12 中部部分破片速度-時間曲線
圖13 上部部分破片速度-時間曲線
圖14 底部部分破片速度-時間曲線
破片的質量、形狀及速度是影響破片殺傷的三大因素,但是相比大質量破片而言,小質量破片存速能力弱、飛行距離近,動能較小,因此,爆炸體的殺傷來源主要來自于低速大質量破片,本文選取仿真結果中質量最大的破片(質量為Mt=2.15 g,最大初始速度V0=97.6 m/s),對其進行殺傷半徑評估。
破片比動能為:
et=Et/St
(4)
式(4)中:Et為破片動能;St為破片與皮膚的接觸面積。
由于破片運動不規(guī)則,故一般將St按均勻取向理論處理,采用破片平均接觸面積計算,即1/4面積計算。破片表面積可由下式推出:
(5)
式(5)中:MT為爆炸體質量;ST為爆炸體表面積。則破片初速與比動能關系為:
(6)
式(6)中:emin為擦傷皮膚的最小比動能,為9.8 J/cm2;vmin為擦傷皮膚的破片最小初速。
假定彈藥在海平面附近爆炸,則H(y)=1。由于破片飛行中仍保持柱形,則其衰減系數α為:
(7)
式(7)中:Cx為柱形破片空氣阻力系數,取1.17;ρ0為空氣密度。
破片運動方程為:
V=V0exp(-αx)
(8)
將圖2中爆炸體結構參數代入,即可得出該彈的殺傷半徑約為2.33 m。
通過對小型強光爆震彈爆炸仿真分析可以看出:爆炸體各部分破片大小分布不均,端部和中部破片較大;爆炸后總動能逐漸衰減,上部破片速度最大但破片較小;中部破片速度相對較小,是主要的殺傷源;通過評估計算,整彈的殺傷半徑為2.33 m。本文的仿真評估方法能為同類強光爆震彈設計提供借鑒。