李玉文,郭秋萍,杜 寧,3,姜夏冰,3,李 松

(1.遼沈工業(yè)集團有限公司, 沈陽 110045;2.陸軍裝備部駐沈陽地區(qū)第二軍事代表室, 沈陽 110045;3.沈陽理工大學(xué), 沈陽 110159)

0 引言

殺傷爆破彈(殺爆彈)是最基本的彈藥,主要通過空氣沖擊波、破片毀傷有生力量、飛機等目標(biāo)[1]?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭中,殺爆彈是應(yīng)用最廣泛,消耗量巨大,改型換代較快的彈藥之一,在戰(zhàn)場上發(fā)揮著非常重要的作用[2]。Mott、Taylor、Gurney給出了殼體爆炸驅(qū)動下形成破片的質(zhì)量分布、速度分布的計算模型[3-5]。Zecevic等[6]使用耦合數(shù)值CAD(計算機輔助設(shè)計)技術(shù)確定了殺爆彈形成自然破片的殺傷半徑及破片質(zhì)量分布。Alan等[7]研究了殺爆彈殺傷半徑,給出了殺爆彈破片質(zhì)量變化規(guī)律、殼體不同位置處破片速度分布規(guī)律。羅興柏等[8]研究了空氣中自然破片規(guī)律,并建立了Simulink仿真模型對破片的運動微分方程,獲得了破片運動軌跡、落地參數(shù)。李偉兵等[9-10]研究了不同回火溫度條件對殼體形成破片性能的影響規(guī)律,并應(yīng)用AUTODYN軟件分析了殼體破碎形成破片過程及破片質(zhì)量、速度變化規(guī)律,結(jié)果表明:隨著回火溫度的升高,質(zhì)量在1 g以上的有效破片數(shù)目增加。綜上所述,國內(nèi)外學(xué)者的相關(guān)研究主要集中于平原環(huán)境中殼體的破裂行為及自然破片質(zhì)量分布規(guī)律,較少涉及高原環(huán)境下(大氣溫度和環(huán)境壓力偏低)殺爆彈形成破片特性的研究。此外,殺爆彈面臨完全不同的使用環(huán)境,研究高原低壓低氧環(huán)境下殺爆彈形成破片質(zhì)量、速度變化規(guī)律成為一個迫切的問題,有必要研究殺爆彈在高原環(huán)境下的破片特性。

本文中針對典型殺爆彈,采用端面中心點起爆方式研究殺爆彈形成的破片特性。結(jié)合空氣密度隨海拔高度變化修正系數(shù)及高原氣壓,得到高原環(huán)境比內(nèi)能,利用AUTODYN仿真軟件模擬平原、高原環(huán)境下典型殺爆彈形成破片特性,分析比較不同環(huán)境下破片形成的過程、速度規(guī)律以及破片的質(zhì)量分布。

1 殺爆彈模型建立及仿真

1.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

考慮所受載荷、邊界條件及結(jié)構(gòu)的對稱特性,建立了殺爆彈結(jié)構(gòu)的1/4模型,建立的仿真模型與試驗殺爆彈結(jié)構(gòu)保持一致。在仿真模型中,忽略引信對于主炸藥的影響,起爆點位于炸藥頂端,不考慮彈帶對破片的影響。由于高原測試環(huán)境氣壓較低,通過在空氣的狀態(tài)方程中植入氣壓控制參量來考慮氣壓對于破片的影響。在上述假設(shè)下建立了殺爆彈威力數(shù)值模擬的三維模型,仿真模型如圖1所示。為了分析炸藥爆轟過程中空氣域內(nèi)破片速度的分布,在模型中設(shè)置了一系列觀測點(Gauges)來進行觀測。通過觀測點的設(shè)置可以在運算完成后獲得該點的坐標(biāo)、壓力、速度以及某時刻該空間點處物質(zhì)種類等信息。在殺爆彈威力數(shù)值模擬中,沿著殼體軸向均勻分布了59個觀測點。

圖1 仿真模型

由于仿真模型中,網(wǎng)格太小會導(dǎo)致數(shù)量太大而影響計算效率。為了能夠較詳細的描述殼體形成破片過程,網(wǎng)格尺寸不宜過大,結(jié)合經(jīng)驗以及計算對比發(fā)現(xiàn)三維模型中網(wǎng)格為邊長1 mm的正方形時能夠兼顧炸藥尺寸和計算效率,因此模型中空氣域和殼體域采用1 mm網(wǎng)格。

1.2 材料本構(gòu)模型及參數(shù)

在殺爆彈威力數(shù)值模擬計算模型中涉及的材料有4種:炸藥、空氣、殼體以及引信。各種材料的本構(gòu)模型和參數(shù)以及狀態(tài)方程的確定直接影響破片速度、質(zhì)量分布等的數(shù)值。

模型中RL-F炸藥為文獻中查找,狀態(tài)方程為JWL(Jones-Wilkins-Lee)狀態(tài)方程,在炸藥爆轟及爆炸驅(qū)動的數(shù)值模擬中廣為采用。JWL方程的一般壓力形式為

(1)

在仿真模型中,炸藥采用JWL狀態(tài)方程下的參數(shù)如表1所示。

表1 炸藥狀態(tài)方程參數(shù)

表2 材料模型

空氣采用理想氣體描述:

P=ρ(γ-1)e

(2)

式中,平原環(huán)境下比內(nèi)能e=2.068 5×105J/kg。

當(dāng)?shù)乜諝饷芏韧ǔＶ钙破w行在高空中的氣體密度,它隨離開海平面高度而定[11],一般表達式為

ρa=ρH(y)

(3)

H(y)為空氣密度隨海拔高度變化的修正系數(shù)為

(4)

根據(jù)文獻等材料確定,海拔4.510 km時,溫度-14.31 ℃,空氣密度0.776 5 kg/m3,氣壓為57 657 Pa。結(jié)合式(2)—式(4)可以確定高原環(huán)境下(4.51 km時)e比內(nèi)能e=1.856 31×105J/kg。

殼體為50SiMnVB鋼,引信為2A12鋁合金,采用經(jīng)典的Johnson-Cook本構(gòu)模型描述其在爆炸驅(qū)動下動態(tài)力學(xué)行為。Johnson-Cook本構(gòu)主要是為了模擬承受大應(yīng)變、高應(yīng)變率的材料的強度特性,這些性能可能會出現(xiàn)在由于高速碰撞和炸藥爆轟引起的強烈沖擊載荷問題中,模型定義屈服應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系為

(5)

式中:常數(shù)A是材料低應(yīng)變下的基本屈服應(yīng)力;而B和n表示應(yīng)變硬化效應(yīng),第2個括號和第3個括號內(nèi)的項分別表示應(yīng)變率效應(yīng)和溫度效應(yīng)。其中,第3個括號內(nèi)的熱軟化效應(yīng),當(dāng)T為熔化溫度時,屈服應(yīng)力降為0。

2 數(shù)值模擬計算結(jié)果與分析

2.1 平原環(huán)境下殺爆彈殼體形成破片過程

平原環(huán)境下殺爆彈殼體形成破片過程如圖2所示。由圖2可知,接近起爆點處的殼體首先發(fā)生徑向膨脹且逐漸傳播至整個殼體,當(dāng)起爆至40 μs時刻殼體隨機產(chǎn)生裂紋,隨著時間增加殼體最終破碎且形成破片。在軸線方向上,由于稀疏波的傳入,殼體中心處初速比2個端部要高。

圖2 平原環(huán)境下殼體形成破片過程

2.2 高原環(huán)境下殺爆彈殼體形成破片過程

高原環(huán)境下殺爆彈殼體形成破片過程如圖3所示。由圖3可知,接近起爆點處的殼體首先發(fā)生徑向膨脹且逐漸傳播至整個殼體,當(dāng)起爆至40 μs時刻殼體隨機產(chǎn)生裂紋,隨著時間增加殼體最終破碎且形成破片。在軸線方向上,由于稀疏波的傳入,殼體中心處初速比2個端部要高。

圖3 高原環(huán)境下殼體形成破片過程

3 數(shù)值模擬計算結(jié)果的對比與討論

3.1 殺爆彈殼體形成破片質(zhì)量變化規(guī)律

本文中采用AUTODYN-3D軟件Stochastic模型模擬殼體在炸藥爆轟作用下破裂運動加速過程,通過Stochastic模型中“Output fragment analysis”可以統(tǒng)計破片的質(zhì)量分布。仿真得到平原、高原環(huán)境下殺爆彈殼體形成破片質(zhì)量、數(shù)量分級數(shù)據(jù)見表3。由表3可知,2種環(huán)境下隨著破片質(zhì)量范圍的增加,破片數(shù)量減少。同時,比較而言高原環(huán)境下輕破片數(shù)量增加,重破片數(shù)量減少,破片總數(shù)量略有增加。在12.00～15.99 g時,高原環(huán)境下破片數(shù)量相對增加了66.66%;在30.00～49.99 g時,破片數(shù)量相對降低了46.15%;在50.00～99.99 g時,破片數(shù)量相對降低了25%;100.00～199.999 g時,破片數(shù)量相對增加了1倍;其他區(qū)間范圍內(nèi)數(shù)量相差10%以內(nèi)。

表3 破片質(zhì)量、數(shù)量分級數(shù)據(jù)

由于仿真中破片存在一定質(zhì)量損失,因此兩高原環(huán)境與平原環(huán)境下破片數(shù)量會有差距,總體而言破片數(shù)量差距不大。

3.2 高原環(huán)境下殺爆彈殼體形成破片速度變化規(guī)律

通過仿真計算獲得了平原環(huán)境及高原環(huán)境下破片速度分布,如圖4所示。由起爆端到殼體底端,破片初速先增大后減小,由圖4可知,頭部破片初速較大,平原環(huán)境、高原環(huán)境下破片初速最大值分別為1 503、1 502 m/s,不同位置處高原環(huán)境破片與平原環(huán)境破片速度分布規(guī)律相差不多。隨著爆轟波的傳播,爆轟產(chǎn)物也運動,因此非起爆端的破片初速要比靠近起爆端的破片初速高。

圖4 不同位置破片速度分布

圖5為高原與平原觀測點33處(圓柱部)破片初速結(jié)果對比。由圖5可知,不同環(huán)境殼體在爆轟驅(qū)動下形成破片的速度變化不大。總體而言,高原環(huán)境與平原環(huán)境下殺爆彈形成的破片速度差距較小,破片初速分布規(guī)律差異不大。

圖5 典型觀測點33處破片初速結(jié)果對比

4 結(jié)論

針對平原、高原2種典型環(huán)境下殺爆彈形成破片特性進行了仿真研究,獲得以下結(jié)論:

1) 平原和高原環(huán)境下,均符合隨著破片質(zhì)量的增加,破片數(shù)量減少的趨勢,但高原破片總量略有增加,約1.7%。

2) 平原、高原環(huán)境下,破片質(zhì)量分布區(qū)間略有不同,其表現(xiàn)高原環(huán)境下輕破片數(shù)量增加,重破片數(shù)量減少的趨勢。例如,在12.00～15.99 g時,高原環(huán)境下破片數(shù)量相對增加了66.66%,在30.00～49.99 g時,破片數(shù)量相對降低了46.15%。

3) 高原環(huán)境與平原環(huán)境相比,殺爆彈形成的破片速度分布規(guī)律差距較小,破片初速基本相同。