D字形預制破片戰(zhàn)斗部破片能量分布特性*

李振鐸，李翔宇，盧芳云，王馬法，梁民族（國防科學技術大學理學院工程物理研究所，長沙　410073）

D字形預制破片戰(zhàn)斗部破片能量分布特性*

李振鐸，李翔宇，盧芳云，王馬法，梁民族
（國防科學技術大學理學院工程物理研究所，長沙410073）

為了分析非對稱結構在爆炸作用下的能量輸出規(guī)律，文中以D字形結構為研究對象，對其在端部偏心和中心起爆下的破片飛散特性進行了實驗研究，同時結合有限元計算軟件LS-DYNA對5種不同結構在不同起爆方式下的破片飛散過程進行數值模擬，獲得了破片能量分布規(guī)律。研究結果表明：雙端面偏心起爆為D字形結構起爆的最優(yōu)方式，橫截面直線部分對應的圓心角介于90°～120°間時毀傷效果更好。

爆炸力學；非對稱結構；預制破片；能量分布；端面

0　引言

傳統(tǒng)的周向均勻戰(zhàn)斗部在攻擊目標時，形成的破片場在彈體軸線方向上以一定的錐角向空中飛散，環(huán)向上破片均勻分布。在理想的彈目交會距離上只有少量破片能夠作用于目標區(qū)域，破片利用率僅為1/12 ～1/8［1］。

定向戰(zhàn)斗部在目標方向上破片增益明顯，但大部分為非對稱結構且非對稱起爆，因此研究非對稱結構下的爆炸能量輸出規(guī)律是有效實現戰(zhàn)斗部定向攻擊的關鍵環(huán)節(jié)?？勺冃味ㄏ驊?zhàn)斗部通過先在目標方向上引爆輔助裝藥，在該方向上形成D字形變形面，經過一定的延時后起爆主裝藥，在一定程度上驅動更多的破片飛向目標，形成了目標方向上能量的聚焦，提升了對目標的打擊效果［2-3］。

國內外眾多學者在破片飛散特性相關領域開展了有意義的工作，Taylor［4］首先給出了殼體在爆轟沖擊下，速度與飛散角度的關系式——泰勒角公式；Chou［5］等對Taylor公式進行了改進，導出了更為精確的平板拋擲角二維近似解析解；Held［6］在偏心起爆戰(zhàn)斗部中運用Taylor公式，給出了可以應用在雙線性偏心起爆模型中，計算彈體截面內徑向破片速度的Gurney修正方程；隋樹元［7］研究破片戰(zhàn)斗部裝藥外形的優(yōu)化設計技術，提出了裝藥外形、破片飛散角、分布帶寬等之間的數學描述；李翔宇［8］、龔柏林［9］等研究D字形裝置的作用過程，分析了預制破片戰(zhàn)斗部的破片飛散特性。

輔助裝藥爆轟驅動下形成的變形面是影響主裝藥起爆后破片飛散規(guī)律的重要因素，但目前從變形面寬度方面考慮破片能量分布特性的研究較少。為考察戰(zhàn)斗部彈體變型面寬度和起爆方式對破片飛散的影響，文中對D字形結構戰(zhàn)斗部分別進行端部中心和偏心起爆實驗，利用仿真分析，對5種不同D字形結構約束下戰(zhàn)斗部的破片飛散狀態(tài)進行模擬，獲得了相應的破片飛散特性，可對彈體變形面設計提供一定參考。

1　D字形預制破片戰(zhàn)斗部實驗設計

1.1實驗研究

實驗裝置包括內外殼體、破片層、主裝藥和端蓋，如圖1（a）所示。裝置長200 mm，內外殼體材料均為鋼，壁厚1 mm，端蓋為硬鋁。內外殼體等部分均為D字形，即裝置橫截面的直線部分距離圓心25 mm，對應圓心角為120°，如圖1（b）所示。破片為單層Φ4 mm鋼珠，用環(huán)氧樹脂澆鑄。主裝藥為TNT，裝藥密度1.5 g/cm3。

圖1　裝置結構

1.2彈靶布置

靶板布置如圖2（a）所示，彈靶距離3.5 m。D字形平面中心定義為0°。在-20°、-10°、0°、10°、20°、30°、40°、90°、135°、180°布置斷通靶測速裝置。從裝置上端面A、H兩點分別以端面偏心、中心起爆這兩種方式觸發(fā)兩枚試驗裝置，如圖2（b）所示。

圖2　實驗過程設計

1.3試驗結果分析

中心起爆和偏心起爆下破片初速的實驗結果如圖3（a）所示。圖中橫坐標為方位角，縱坐標為考慮衰減［10］后的破片初速。中心起爆下破片速度從0°～30°呈遞減的趨勢，在大于30°后破片速度緩慢增加；偏心起爆在20°內與中心起爆差異較小，在36°附近速度突然上升，之后速度隨方位角度的增加而緩慢下降。

通過統(tǒng)計靶板上規(guī)則孔洞數，獲得破片沿方位角的分布。將統(tǒng)計結果表示成各區(qū)域的破片數量占統(tǒng)計總破片數的比例形式，繪制破片數沿方位角分布的直方圖如圖3（b）所示。圖中縱坐標表示區(qū)域破片數占實驗統(tǒng)計總數的比例。從圖中可以看出，偏心起爆時，-3°～3°區(qū)域的破片比例遠高于中心起爆，在8° ～20°區(qū)域低于中心起爆，說明偏心起爆在0°方向上的破片聚焦能力強于中心起爆。

圖3　兩種起爆方式下破片特性對比

2　仿真分析

2.1計算模型與材料參數

有限元模型的結構與試驗裝置相同，采用流固耦合算法可以計算炸藥與殼體的相互作用。炸藥、環(huán)氧樹脂和空氣采用歐拉模型；上端蓋、下端蓋、內外殼體和破片層為拉格朗日模型。裝藥的爆轟過程采用高能炸藥燃燒材料模型和標準JWL狀態(tài)方程來描述。為了模擬無限歐拉場，空氣網格邊界施加壓力外流邊界條件。采用隨動硬化材料模型來描述預制破片和端蓋的動態(tài)響應行為，采用流體彈塑性材料模型和Gruneisen狀態(tài)方程來描述殼體的動態(tài)響應行為。表1給出了破片、端蓋和殼體的材料參數，σs表示屈服應力，EY為彈性模量。

表1　預制破片、端蓋和殼體的材料參數

2.2結果分析

圖4（a）給出D字形裝置在上端面偏心起爆仿真過程中150 μs時破片的飛散狀態(tài)；圖4（b）表示在距離3.5 m遠的靶板上的破片著靶分布情況，破片著靶速度在圖上以不同顏色區(qū)分。圖中縱坐標為空間坐標；橫坐標表示破片所在位置對應的方位角。從圖中可以看出，破片在弦線位置比較集中，在弦線和弧線交匯處破片非常稀疏，在圓弧方向比較均勻；戰(zhàn)斗部幾何中心平面附近的破片具有較大速度，并且在靠近弦線中心的位置破片速度達到峰值。

圖4　端面偏心起爆下D字形結構破片飛散狀態(tài)

對試驗44°內破片分布進行統(tǒng)計并與仿真結果進行對比，端面中心起爆的結果如圖5（a）所示。曲線上的點表示落在某方位角內的破片數占總數的百分比，即破片累計數比例隨方位角的變化曲線。在2°～8°以及18°～34°方位角內，仿真破片比例略大于試驗值，仿真破片的聚集程度比試驗要略高一些，兩者的整體貼合度較高。對破片飛散速度進行了統(tǒng)計，獲得大量破片在各方位角上的平均速度曲線如圖5（b）所示。隨著方位角的增加，破片初速先減小后增加，且在0°位置處破片初速最大。圖中還給出了中心起爆條件下破片初速的試驗結果。對比可得，仿真結果與試驗結果吻合很好。

對于端面偏心起爆，統(tǒng)計破片累計數比例隨方位角的變化規(guī)律如圖5（c）所示，仿真破片聚焦程度在15°內略強于實驗結果，15°之外仿真數值與實驗結果具有較高的貼合度。破片在各方位角上的平均速度曲線如圖5（d）所示。隨著方位角的增加，破片初速先迅速減小，再在40°左右上升，然后又緩慢減小，此趨勢與試驗結果吻合。綜合以上兩種起爆方式的對比可以確定，文中采用的仿真模型及材料參數能夠有效的計算D字形結構約束下的破片飛散問題。

3　破片能量分布影響規(guī)律研究

3.1起爆方式

為了分析起爆方式對破片能量分布的影響，研究了幾何中心起爆、偏心起爆、雙端面中心起爆、雙端面偏心起爆、中心線起爆、偏心線起爆這八種起爆方式下的破片飛散過程，獲得不同起爆方式下D字形結構戰(zhàn)斗部的破片飛散特征。

統(tǒng)計3.5 m距離靶板上，每度方位角內所有破片的總能量，則第n個角度帶內所有破片的總能量可表示為：

其中：j表示第n個角度帶內所包含的破片總數；vi表示第n個角度帶第i個破片的速度。對Φ4 mm鋼珠，m=0.881 g。統(tǒng)計結果見圖6所示，在18°外，靶板上破片的能量密度受起爆方式的影響差異很小，所以僅列出了18°內靶板上的能量密度曲線。圖6還給出了典型圓柱形裝置中心起爆的數據作為對比。

與傳統(tǒng)圓柱形結構相比，具有D字形變形面結構的裝置其破片在目標方向上有明顯的能量聚焦。對于同種模型，通過選擇合理位置起爆主裝藥，能夠調整炸藥能量在徑向和軸向上的分布，使殺傷能量在目標方向上相對集中，由于20°方位角內的破片數目受起爆方式影響很小，所以起爆點位置的差異是導致破片能量密度差異的主要原因。偏心起爆時，目標方向上的破片至起爆點的距離增大，對應的有效裝藥增多，作用在破片上的拋射能量大。15°內偏心起爆和中心起爆各4種模式的破片總能量平均值為892.2 kJ和745.3 kJ，偏心起爆下能量聚焦效果更佳；偏心起爆的4種方式中，線起爆和雙端面偏心起爆在目標方向上的能量聚焦能力強且總能量輸出較高，15°內總能量分別達到965.8 kJ和919.8 kJ，是端面中心起爆能量的1.36倍和1.30倍。

圖5　端面中心、偏心起爆下破片特性

圖6　不同起爆方式下破片能量分布

3.2結構類型

為了分析典型圓柱形結構以及圓心角為60°、90°、150°的D字形結構和圓心角為120°的凸型結構的能量分布特性，建立仿真模型如圖7所示，各結構中圓弧部分尺寸相同。

圖7　不同變形面結構圖

圖8　不同模型的破片特性圖

在端面偏心起爆方式下對破片飛散過程進行數值模擬，繪制破片總能量與方位角關系曲線如圖8 （a）所示?？v坐標表示對應方位角內所有破片的總能量，曲線的曲率代表了對應模型的能量聚焦效果。分析得出，150°圓心角所對應模型雖然目標方向上具有很大的變形面，但是在3.5 m的彈靶距離下，破片總能量和能量聚焦能力不佳；90°和120°兩種D字形結構在30°方位角內的破片總能量與能量聚焦能力近乎一致且最高，與傳統(tǒng)圓柱形戰(zhàn)斗部相比，能量增益分別為119.3%和117.4%，由圖8（b）對破片個數的統(tǒng)計得出，對應的破片數增益分別為133.3%和149.9%。

4　結論

1）對120°圓心角所對應的D字形結構進行了端面中心和偏心起爆實驗，獲得了破片速度和能量分布規(guī)律。用有限元軟件LS-DYNA對實驗過程進行數值模擬，其結果與實驗數據相吻合，說明了所選材料參數與計算方法的準確性。

2）8種起爆方式中，偏心線起爆和雙端面偏心起爆為D字形結構起爆的較優(yōu)方式。與端面中心起爆相比，在15°方位角內破片的能量增益達到136%和130%，考慮起爆的難易程度，雙端面偏心起爆更容易實現。

3）變形面對應的圓心角在90°～120°之間時，目標方向能量和破片數增益較為明顯。和傳統(tǒng)圓柱形結構相比，端面偏心起爆下90°和120°兩種D字形結構在目標方向30°內的能量增益分別為119.3%和117.4%，破片數增益分別達到133.3%和149.9%。

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［4］TAYLOR G I.Analysis of the explosion of a long cylindrical bomb detonated at one end［M］.Cambridge：Cambridge University Press，1963：277-286.

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Study on Fragment Energy Distribution Characteristics of Premade D-shape Warhead

LI Zhenduo，LI Xiangyu，LU Fangyun，WANG Mafa，LIANG Minzu
（Institute of Engineering Physics，College of Science，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China）

In order to obtain explosion energy dispersion rules of confined asymmetric structure，experiments of a D-shape warhead in center initiation mode and off-center initiation mode on end faces were conducted to analyze fragment projection angles.The fragment ejection process of five different structures at different initiation modes were simulated by using the finite element software LS-DYNA.The study result shows that：as for the D-shape warhead，off-center initiation at both ends is the best initiation mode；Better damage effect can be achieved by controlling length of deformed arc intervenient between third and quarter of circumference.

explosion mechanics；asymmetric structure；premade fragment；energy distribution；end face

O383

A

10.15892/j.cnki.djzdxb.2016.01.014

2015-01-23

國家自然科學基金項目（11202237；11132012）資助

李振鐸（1991-），男，天津人，碩士研究生，研究方向：高效毀傷戰(zhàn)斗部技術。