賈飛 劉彥池 苑大威 李哲

摘? 要：針對巡飛彈在巡飛過程中，因惡劣天氣強電磁干擾，發(fā)生的急加速、急轉、跌落時戰(zhàn)斗部的安全性進行了研究;通過對巡飛彈在急加速、急轉、跌落過程的理論分析，確定巡飛彈戰(zhàn)斗部在急加速、急轉時的過載加速度范圍和跌落時的碰撞速度和角度范圍;利用LS-DYNA開展不同加速度過載刺激，以及不同碰撞刺激下的有限元分析，確定巡飛彈戰(zhàn)斗部處于安全狀態(tài)，為巡飛彈戰(zhàn)斗部的安全性評估分析和戰(zhàn)斗部強度提升、材料優(yōu)化提供理論依據(jù)。

關鍵詞：巡飛彈;戰(zhàn)斗部;彈藥安全性;數(shù)值仿真

中圖分類號：TP391.9? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2021）23-0043-05

Research on Safety Analysis of Cruiser Based on LS-DYNA

JIA Fei1， LIU Yanchi1， YUAN Dawei1，2， LI Zhe3

（No.208 Research Institute of China Ordnance Industries， Beijing? 102202， China; 2.Science and Technology on Transient Impact Laboratory， Beijing? 102202， China; 3.North University of China， Taiyuan? 030051， China）

Abstract： The safety of the warhead in the process of cruiser flying is studied in the case of rapid acceleration， sharp turn and falling due to strong electromagnetic interference caused by bad weather. The range of overload acceleration and collision velocity and angle of cruiser warhead are determined by theoretical analysis of cruiser warhead in rapid acceleration， sharp turn and falling process. LS-DYNA is used to carry out finite element analysis under the different acceleration overload stimulation and different collision stimulation to determine that the cruiser warhead is in a safe state， which provides theoretical basis for the safety evaluation and analysis of the cruiser warhead， and the strength improvement and material optimization of the warhead.

Keywords： cruiser; warhead; ammunition safety; numerical simulation

0? 引? 言

巡飛彈的巡飛階段在相對高度為100～300 m的高空飛行時，存在因惡劣天氣強電磁干擾，人為操作失誤情況下而發(fā)生的急加速、急轉、跌落的風險，導致戰(zhàn)斗部在引信保險狀態(tài)下異常起爆，對武器及人員的安全造成威脅，進而形成惡劣的后果。因此，研究巡飛彈戰(zhàn)斗部在急加速、急轉存在的過載情況下及高空跌落的狀況下的安全性問題具有重要意義。

早在20世紀70年代，美軍經歷過幾次因彈藥意外爆炸造成的重大損失的事故后，以美軍為首的西方國家就開始進行系統(tǒng)性的彈藥安全性研究，在彈藥安全性政策研究、關鍵技術攻關、技術標準制定等方面取得了非常明顯的成效，形成完備的彈藥安全性政策、標準和技術體系[1]。國內的眾多學者也對彈藥的安全性開展了大量研究，喬良等[2]針對戰(zhàn)術導彈戰(zhàn)斗部在意外刺激源下的安全性問題，結合數(shù)值模擬、安全閾值判據(jù)與典型試驗驗證手段，提出了一種戰(zhàn)術導彈戰(zhàn)斗部安全性綜合評估方法;李廣嘉等[3]采用LS-DYNA動力學仿真軟件模擬戰(zhàn)斗部跌落試驗，基于材料本構模型對戰(zhàn)斗部跌落安全性進行預測，得到了不同狀態(tài)下戰(zhàn)斗部跌落的結構變形和裝藥響應數(shù)據(jù);謝濤等[4]對空空導彈戰(zhàn)斗部跌落過程進行理論分析，確定了戰(zhàn)斗部跌落時裝藥最大應力的彈著角范圍，并采用LS-DYNA仿真軟件進行了驗證，確定了空空導彈戰(zhàn)斗部的跌落安全高度為12 m。

上述研究成果并未對巡飛彈戰(zhàn)斗部在加速度過載刺激下以及高空跌落刺激下的安全性進行專項研究。數(shù)值仿真研究能克服試驗耗資巨大、安全性保障等實際問題，節(jié)約成本和時間[5-7]，因此，本文通過對巡飛彈在巡飛階段因意外出現(xiàn)的急加速、急轉以及在100～300 m的高空跌落過程的分析確定巡飛彈戰(zhàn)斗部在急加速、急轉時的過載加速度范圍和跌落時的碰撞速度和角度范圍，通過LS-DYNA動力學仿真軟件進行分析計算[8]，結合材料的安全閾值數(shù)據(jù)評估不同工況下巡飛彈戰(zhàn)斗部的安全性。

1? 過載刺激下巡飛彈安全性分析

1.1? 數(shù)值計算模型

由實際經驗可知，巡飛彈戰(zhàn)斗部在過載刺激下會受到強烈的沖擊載荷，當沖擊載荷超過彈體裝藥的承受能力時，可能會直接激發(fā)炸藥爆炸，引起安全問題，與巡飛彈的彈體外形沒有較大關系，因此為了減少仿真計算時間，僅對巡飛彈戰(zhàn)斗部開展過載刺激下安全性分析，利用UG建立的巡飛彈戰(zhàn)斗部三維模型如圖1所示。

LS-DYNA數(shù)值計算模型采用cm-g-?s單位制，其中藥形罩和預制破片采用描述材料在高速沖擊下物理特性的Johnson-Cook本構模型，模型參數(shù)如表1所示，研究的炸藥采用彈塑性模型（ELASTIC_PLASTIC_HYDRO），其沖擊引爆過程采用點火與增長狀態(tài)方程（IGNITION_AND_GROWTH_OF_REACTION_IN_HE）描述。巡飛彈戰(zhàn)斗部裝藥采用8701炸藥，本構模型基本參數(shù)如表2所示，其對應的點火與增長狀態(tài)方程參數(shù)如表3所示，戰(zhàn)斗部殼體和引信簡化模型采用PLASTIC_KINEMATIC模型[9，10]，參數(shù)如表4所示。

1.2? 計算工況

通過相關文獻資料的查詢，得知巡飛彈在巡飛階段飛行時，發(fā)生加速或急轉情況巡飛彈受到的加速度過載約為幾個G，故對巡飛彈戰(zhàn)斗部施加軸線方向的過載，進行2G、4G、6G、8G、10G、12G、14G、16G、18G、20G等10種工況分析。

1.3? 網格劃分

網格生成是偏微分方程數(shù)值求解的前處理步驟，網格生成在整個數(shù)值模擬過程中的地位極其重要，網格的“好壞”決定了后續(xù)計算的精度、效率乃至成敗。結構化網格具有質量好，生成速度快，數(shù)據(jù)結構簡單等優(yōu)點，因此，將UG建立的巡飛彈戰(zhàn)斗部模型導入Hypermesh網格劃分軟件中，各零件采用六面體三維網格構建所有零件的網格模型，如圖2所示。

1.4? 數(shù)值計算結果與分析

本文通過數(shù)值模擬結果的炸藥反應度來判斷裝藥是否安全，當反應度大于1則認為炸藥爆炸，其中，20G過載刺激下巡飛彈戰(zhàn)斗部應力云圖和反應度云圖如圖3所示，可以看出戰(zhàn)斗部殼體沒有明顯變形，應力較小，且反應度小于1，不同過載刺激下戰(zhàn)斗部裝藥反應度如表5所示。數(shù)值模擬結果表明，各種工況下炸藥反應度均遠小于1，炸藥狀態(tài)穩(wěn)定，故認為在巡飛彈在巡飛過程中因突發(fā)狀況受到過載刺激時，對戰(zhàn)斗部裝藥安全性沒有影響。

2? 跌落刺激下巡飛彈安全性分析

2.1? 數(shù)值計算模型

通過UG建模軟件建立巡飛彈三維模型，將真實模型中不影響或影響較小的小邊、小面、小孔、倒角等幾何尺寸刪除，對模型進行簡化，巡飛彈簡化模型及地面如圖4所示。

跌落安全性仿真模型中，巡飛彈的頭部與剛性面發(fā)生碰撞，因此巡飛彈的頭部、機身、機前翼、機尾以及戰(zhàn)斗部殼體和引信簡化模型，均采用描述材料在高速沖擊下物理特性的Johnson-Cook本構模型，參數(shù)如下表6所示。戰(zhàn)斗部其余部件的材料參數(shù)與過載刺激下戰(zhàn)斗部安全性分析模型中的相同。

在LS-dyna中，利用材料剛體材料模型*MAT_RIGID定義一個剛性板，讓巡飛彈以不同角度、不同速度撞擊剛性板，材料參數(shù)如下表7所示。

2.2? 計算工況

巡飛彈在異常跌落情況下，撞擊地面的撞擊速度與撞擊角度的大小與巡飛彈的飛行速度、跌落高度有關，基于正交設計原理，構建2因素6水平正交表，以飛行速度v=30～50 m/s，跌落高度100～300 m為例，假設理想狀態(tài)下，通過計算不同跌落高度時垂直地面的速度和不同水平飛行速度，得到巡飛彈的撞擊速度范圍為44.27～91.54 m/s，撞擊角度范圍41.52°～90°。因此，選擇40 m/s、50 m/s、60 m/s、?70 m/s、80 m/s、90 m/s，6個撞擊速度，15°、30°、45°、60°、75°、90°6個撞擊角度，組成36種工況，進行不同撞擊速度，不同撞擊角度下的彈藥安全性分析。

2.3? 網格劃分

將UG建立的巡飛彈簡化模型導入Hypermesh網格劃分軟件中，各零件采用六面體三維網格構建所有零件的網格模型，如圖5所示。

2.4? 數(shù)值計算結果與分析

巡飛彈以90 m/s的速度90°撞擊時的應力云圖如圖6所示，巡飛彈的頭部撞在剛性板后，發(fā)生劇烈擠壓變形，戰(zhàn)斗部以及其余部件在慣性作用下繼續(xù)向前運動，直至撞到剛性板，戰(zhàn)斗部產生劇烈形變，當戰(zhàn)斗部撞擊剛性板速度衰減為0時，戰(zhàn)斗部裝藥反應度如圖7所示，反應度為0.002，遠小于1，巡飛彈處于安全狀態(tài)。不同撞擊工況下戰(zhàn)斗部裝藥的反應度如表8所示，從數(shù)值模擬計算結果可以看出，所有工況下戰(zhàn)斗部裝藥的反應度均遠小于1，炸藥未燃未爆，說明巡飛彈處于安全狀態(tài)。

3? 結? 論

本文針對巡飛彈在巡飛過程中，存在急加速、急轉、跌落的風險，通過數(shù)值仿真，模擬巡飛彈在加速度過載刺激和跌落刺激下的各種實際工況，分析了巡飛彈在不同加速度過載和不同撞擊姿態(tài)、速度對剛性地面的動態(tài)響應，得到炸藥內部的應力和反應度響應，巡飛彈戰(zhàn)斗部在巡飛階段因意外情況急加速、急轉、跌落時，裝藥不會發(fā)生爆炸，處于安全狀態(tài)，為今后戰(zhàn)斗部的跌落安全性評價分析和戰(zhàn)斗強度提升、材料優(yōu)化提供理論依據(jù)。

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[10] Livermore Software Technology Corporation.LS-DYNA theory manual [Z].Livermore Software Technology Corporation，2007.

作者簡介：賈飛（1987.08—），男，漢族，山西大同人，高級工程師，碩士研究生，研究方向：仿真技術。