聚焦式殺傷戰(zhàn)斗部形成破片的數(shù)值模擬

陳 闖，陳福紅，吳有龍

相比于普通的圓柱形殺傷戰(zhàn)斗部，聚焦式殺傷戰(zhàn)斗部的殼體為內(nèi)凹形，使得聚焦式殺傷戰(zhàn)斗部形成的破片飛散角較小，可以在較小的散布區(qū)域內(nèi)形成破片束，并完成對目標(biāo)的切割性殺傷，從而提高對目標(biāo)的毀傷能力[1]。李晉慶等[2]討論了聚焦型破片殺傷戰(zhàn)斗部聚焦曲線的工程設(shè)計；袁書強(qiáng)等[3]通過局部淬火預(yù)制工藝提出一種新的高效率聚焦戰(zhàn)斗部設(shè)計方法。本文通過改變殼體厚度及起爆方式，獲得殼體結(jié)構(gòu)、起爆方式與破片速度、飛散角、數(shù)量等特性的關(guān)系。

1 聚焦式殺傷戰(zhàn)斗部形成破片的過程

1.1 仿真模型

本文設(shè)計的聚焦式殺傷戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示。端部裝藥直徑為100 mm，殼體厚度為5 mm，殼體曲率半徑為200 mm，軸向長度為150 mm.采用Autodyn有限元軟件對聚焦式殺傷戰(zhàn)斗部的殼體膨脹破碎過程進(jìn)行三維數(shù)值模擬，為了節(jié)約計算時間，在建立仿真模型時采用1/4標(biāo)準(zhǔn)圓筒聚焦式仿真模型，如圖1（b）所示。其中殼體材料選取典型彈體材料為4340#鋼，炸藥選擇B炸藥。

圖1 聚焦式殺傷戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)與仿真模型

1.2 材料參數(shù)

數(shù)值仿真模型中殼體部分和裝藥部分均采用Lagrange算法[4]。殼體的狀態(tài)方程采用 Linear形式，強(qiáng)度模型采用經(jīng)典的Johnson-Cook模型，應(yīng)力失效模型采用Stochastic隨機(jī)失效模型，其失效準(zhǔn)則為主應(yīng)變失效。炸藥的狀態(tài)方程采用JWL模型，侵蝕準(zhǔn)則為極限幾何應(yīng)變。

1.3 破片形成的過程

聚焦式殺傷戰(zhàn)斗部利用爆轟波與殼體曲面間的相互作用，使爆轟波推動破片向曲面的聚焦帶匯集，形成一條以彈軸為中心且處于平面狀態(tài)的圓環(huán)形破片聚焦帶。在端點(diǎn)起爆中，戰(zhàn)斗部殼體在內(nèi)部裝藥作用下膨脹和破裂的過程如圖2所示。戰(zhàn)斗部殼體靠近起爆點(diǎn)部分膨脹半徑較大，出現(xiàn)沿高度方向上的裂紋，遠(yuǎn)離起爆點(diǎn)的戰(zhàn)斗部殼體也出現(xiàn)鼓起變形，如圖2（a）所示。戰(zhàn)斗部的殼體出現(xiàn)沿高度方向上的貫穿裂紋并進(jìn)一步膨脹，如圖 2（b）、（c）所示。

圖2 破片的形成過程

2 殼體厚度對形成破片特性的影響

殼體軸向長度為150 mm，壁厚分別選用 1.5 mm、2.5 mm、3.5 mm和4.5 mm，共 4種方案。其中殼體材料選取典型彈體材料為4340#鋼。

2.1 殼體厚度對破片速度特性的影響

不同位置對應(yīng)的破片速度如圖3所示，破片的速度都表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。隨著殼體厚度的增加，在同一裝藥的情況下，破片在相同位置上，破片的速度呈現(xiàn)出下降的趨勢。

圖3 不同位置對應(yīng)的破片速度分布

2.2 殼體厚度對破片數(shù)量的影響

通過分析聚焦式破片戰(zhàn)斗部模型的數(shù)值計算結(jié)果，獲得了不同厚度殼體形成破片的數(shù)量。圖4為不同厚度形成破片總數(shù)量與有效破片數(shù)量對比圖。取1g以上的破片為有效破片。圖4中的字母z表示破片的總數(shù)，字母y表示有效破片的總數(shù)，字母b表示的是有效破片占得百分比。隨著殼體厚度的增加，破片的總數(shù)是先上升后下降的。并且1 g以上的有效破片所占的百分比也是先上升后下降的。

圖4 破片數(shù)量

2.3 殼體厚度對破片飛散特性的影響

圖5為不同殼體厚度下的破片飛散角。從圖中可以看出，隨著殼體厚度的增加，破片的飛散角呈現(xiàn)出不斷減小的趨勢。

圖5 破片飛散角

3 起爆方式對形成破片速度特性的影響

起爆點(diǎn)的位置對破片的形成影響比較大[5]，本文研究的是端點(diǎn)起爆和中心起爆2種方式。圖6為不同起爆位置對應(yīng)的破片速度，采用端點(diǎn)起爆時，破片的速度是隨著破片的位置先上升然后再下降，在對稱的位置破片的速度是相同的，最大的破片速度在殼體的中心位置，最小的破片速度在殼體兩端的位置上。采用中心起爆的方式時，破片速度規(guī)律跟軸向一端起爆的規(guī)律一致，破片速度先上升然后再下降，但是上升和下降的幅度比較小。

圖6 不同起爆位置對應(yīng)的破片速度

4 結(jié)束語

本文利用Autodyn軟件對聚焦式殺傷戰(zhàn)斗部形成破片的過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，獲得了殼體厚度對破片速度分布、數(shù)量、飛散角等特性的影響規(guī)律，分析了起爆方式對破片速度分布的影響，得到中心起爆可獲得較大的破片速度。

[1]李向榮，劉宗偉，周世海.聚焦戰(zhàn)斗部與普通殺爆戰(zhàn)斗部毀傷效能比較[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2010，30（5）：100-102.

[2]李晉慶，胡煥性.聚焦型破片殺傷戰(zhàn)斗部聚焦曲線的工程設(shè)計[J].兵工學(xué)報，2004，25（5）：529-531.

[3]袁書強(qiáng)，沈正祥，李亞哲，等.雙曲線型聚焦戰(zhàn)斗部破片的設(shè)計方法[J].火炸藥學(xué)報，2015，38（1）：36-40.

[4]陳 闖，郝永平，李偉兵.三種聚能裝藥結(jié)構(gòu)形成射流的對比分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2016，22（8）：126-131.

[5]魏繼鋒，焦清介，寧建國.雙聚焦式破片戰(zhàn)斗部不同起爆方式的數(shù)值模擬研究[J].火炸藥學(xué)報，2005，13（1）：17-21.