強光爆震彈安全性優(yōu)化設(shè)計

馬永忠，劉加凱,2

(1.武警工程大學(xué) 裝備管理與保障學(xué)院，西安 710086；2.西安交通大學(xué) 機械工程學(xué)院， 西安 710049)

強光爆震彈作為一種大威力非致命彈藥，爆炸時能夠產(chǎn)生巨大的聲響和強烈的閃光，從而對有生目標(biāo)產(chǎn)生震撼、眩暈、暫時失明等生理效應(yīng)，使其喪失抵抗能力或干擾其行為，在國內(nèi)外各種反恐作戰(zhàn)、平息暴亂、處置群體性事件的行動中發(fā)揮了十分重要作用[1]。但我國當(dāng)前裝備的強光爆震彈，在爆炸過程產(chǎn)生的破片易對有生目標(biāo)造成過度傷害，主要表現(xiàn)在兩方面：一是爆炸時擊發(fā)和保險機構(gòu)等金屬部件不能被炸碎，而是以整體高速向外飛行，經(jīng)常會對處置對象造成較大傷害；二是彈體采用ABS合成材料，爆炸時產(chǎn)生帶有尖銳棱角的破片，易對人員造成殺傷。

因此，開展強光爆震彈的安全性設(shè)計，在滿足戰(zhàn)術(shù)使用效果的同時，避免對目標(biāo)造成過度傷害，對于提高強光爆震彈的作戰(zhàn)效能，更好地滿足部隊遂行反恐維穩(wěn)任務(wù)需求，具有較高的軍事應(yīng)用價值。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 設(shè)計原則與思路

針對現(xiàn)役手投強光爆震彈使用過程中所存在的問題，開展強光爆震彈的安全性設(shè)計，重點解決以下問題：爆炸時不能產(chǎn)生殺傷性破片，同時要有良好的聲、光效應(yīng)；采用通用化、系列化、模塊化設(shè)計，與現(xiàn)役強光爆震彈主要零部件通用，最大限度降低生產(chǎn)成本。

針對上述問題，設(shè)想了3種解決方案和思路[2-3]：有破片但無殺傷力，例如：紙質(zhì)破片；破片完全破碎。例如：找到一種材料，在爆炸前性能穩(wěn)定，爆炸時又能完全溶化或破碎，不會形成殺傷性破片；無破片設(shè)計方案，例如：采用內(nèi)、外殼結(jié)構(gòu)，內(nèi)殼裝藥爆炸，外殼開孔，保證聲光效果的同時，擊發(fā)和保險機構(gòu)與彈體不分離，破片滯留在外殼內(nèi)部。

對于第1種方案，由于紙質(zhì)破片強度不高，爆震聲壓級很難達到戰(zhàn)技指標(biāo)要求。對于第2種方案，此類材料很難找到或者成本較高。因此本文選擇第3種開孔外殼和內(nèi)殼相結(jié)合的雙層腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，所設(shè)計的新型強光爆震彈爆炸時不產(chǎn)生殺傷性破片，距離炸點1.5 m處，聲壓級達到140～160 dB。

1.2 設(shè)計方案

本文所設(shè)計的強光爆震彈彈體結(jié)構(gòu)由擊發(fā)和保險機構(gòu)、外殼、內(nèi)殼和噴口等組成，外殼體使用上蓋、中殼、下蓋三段式螺紋連接而成，如圖1所示。擊發(fā)和保險機構(gòu)使用現(xiàn)役通用部件，因此本文主要對內(nèi)殼、外殼和噴口進行設(shè)計。

圖1 新型爆震彈彈體結(jié)構(gòu)示意圖

1) 內(nèi)殼設(shè)計。內(nèi)殼是新型強光爆震彈的裝藥殼體，其大小決定了裝藥量多少，其殼體材料和厚度決定了內(nèi)殼的強度。內(nèi)殼需要一定強度集聚能量，并在爆開瞬間泄光泄壓。內(nèi)殼可采用塑料材料，目前主要有聚氯乙烯(PVC)、聚酰胺(如PA66)、ABS等，其中ABS還有多種改性材料[4]。通過對比研究，考慮內(nèi)殼材料需要較高的強度和較好的適應(yīng)性，本文選用ABS作為內(nèi)殼材料，其強度和改性具有較高的兼容性，在下一步設(shè)計中可以更好的適應(yīng)課題研究。

2) 外殼設(shè)計。新型強光爆震彈中，外殼既是內(nèi)殼的承載體，又是防止內(nèi)殼破片飛散的主要部件，因此設(shè)計外殼時，既需要考慮強度問題，又要考慮結(jié)構(gòu)問題。為了便于在外殼上面開孔加工，并裝入內(nèi)殼，因此將外殼設(shè)計成由上蓋、中殼、下蓋三段式連接而成，不管在哪個部位開孔，都便于加工。

在材料的選用上，外殼首先應(yīng)具有良好的抗爆炸沖擊能力，其次需要考慮成本及重量因素。常用抗沖擊材料主要有銅材、鋼材及鋁材[5]。銅材最貴且密度最大，不適合作為彈體外殼材料；而鋼材密度是鋁材的3倍，重量過重；鋁合金特別是超硬鋁合金既有和鋼材相當(dāng)?shù)膹姸?，又具有銅材的抗腐蝕的特點，密度相對較低，是相對理想的外殼材料。因此，本文選用超硬鋁合金7A09作為新型強光爆震彈的外殼材料。

3) 噴口設(shè)計。噴口設(shè)計主要包括3個指標(biāo)：位置、數(shù)量和直徑。由于彈藥投擲后，一般側(cè)面著地，若噴口位置在側(cè)面，則可能受力不均而產(chǎn)生跳彈現(xiàn)象。另外爆震彈主要應(yīng)用于室內(nèi)，若前后設(shè)置噴口，滾至墻壁側(cè)或角落導(dǎo)致一邊噴口受堵時，會造成彈體受力不均而產(chǎn)生激射。因此，在外殼上、下蓋造圓弧面，使用斜開噴口，可以有效適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境地形。從理論上講，爆震聲響的產(chǎn)生與裝藥燃氣的急速釋放和擴散有直接關(guān)系，是一個氣固兩相流問題，因此噴口處的流量和流速越大，聲響也就越大，因此，噴口直徑并不是越大越好，因為泄爆面積大了，流量增大的同時流速卻小了，也不是越小越好，流速雖然提高了，流量卻小了；綜合分析，噴口的數(shù)量和直徑，暫定為上下蓋各開10個φ4的小孔，均勻分布，具體數(shù)量和直徑需要通過仿真來進一步優(yōu)化。

2 仿真分析

2.1 模型的建立

在強光爆震彈的安全性設(shè)計中，重點改進的是彈體的內(nèi)、外殼雙層空腔結(jié)構(gòu)，在進行彈藥爆炸仿真過程中，為了減少不必要的計算，將模型進行如下假設(shè)簡化：

1) 模型的擊發(fā)機構(gòu)對爆炸過程影響忽略不計，爆炸起爆點設(shè)在藥劑最上沿中心。

2) 螺紋使用添加固連失效的平面代替，效果一致。

3) 彈藥為軸對稱模型，爆炸仿真模型建立四分之一模型，減少計算量。

4) 為了討論沖擊波超壓的影響，還需在模型外建立空氣模型。

通過以上合理假設(shè)、簡化，模型建立后如圖2所示。內(nèi)殼厚度2 mm，內(nèi)徑即裝藥直徑為18 mm，高度為52 mm；外殼厚度3 mm，外徑為40 mm，外殼三段總長度為110 mm；噴口直徑為4 mm，與軸向角度為45°，數(shù)量10個。彈體裝藥為Al粉和KClO4，其比例為4∶6，裝藥量為8 g。

圖2 彈體1/4模型示意圖

2.2 網(wǎng)格的劃分和參數(shù)設(shè)置

在LS-DYNA中，爆炸模型常采用Solid 164單元，其一般使用映射六面體單元，可以得到較高效率和精度。而像彈藥這種帶曲面的實體，映射網(wǎng)格有一定難度。但在前處理中，對于不規(guī)則體，使用掃略網(wǎng)格可以快速進行六面體網(wǎng)格劃分。

在爆炸仿真過程中，彈體裝藥和ABS內(nèi)殼的主要仿真參數(shù)如表1和表2所列。

表1 彈體裝藥的主要仿真參數(shù)

表2 ABS內(nèi)殼的主要仿真參數(shù)

2.3 仿真結(jié)果分析

2.3.1結(jié)構(gòu)分析

主要分析爆炸過程中內(nèi)殼破片分散情況，破片與外殼作用情況及螺紋連接處強度。在強光爆震彈起爆的500 μs時間內(nèi)，煙火劑集聚能量，破開內(nèi)殼，內(nèi)殼破片分散過程如圖3所示。從后處理動畫中可知：在0～40 μs之間，爆轟波沒有傳遞到內(nèi)殼壁上，內(nèi)殼基本沒有變形；40 μs后，ABS殼體開始向外變形；在80 μs左右，內(nèi)殼上部開始破裂，此后逐漸向下傳遞破裂現(xiàn)象；在200 μs時，內(nèi)殼ABS頂部被螺紋連接固定在上蓋上，圓周部向四周破碎飛散，底部破片呈向下運動趨勢。

圖3 破片分散過程圖

破片飛散后與外殼作用主要分為兩部分：第1部分是內(nèi)殼圓周部破片與中殼作用，破片被中殼擋住，擠壓、變形、減速，最終滯留外殼體內(nèi)部。中殼只有極小彈性變形，沒有發(fā)生破壞；第2部分是內(nèi)殼底部大型破片在爆炸力的驅(qū)動下，以極大加速向外殼體底部飛去。從圖3(e)可以看到：內(nèi)殼底部破片絕大部分被下蓋擋住，下蓋變形較小，下蓋與中殼的螺紋連接沒有脫落。極少部分破片從噴口飛出，但其具有偶然性，加之破片質(zhì)量小于0.01 g，初速小于150 m/s，速度在1 m處衰減至100 m/s以下，屬于非殺傷性破片。綜上所述，可以得出：爆炸破片被外殼體擋住無殺傷性破片，上、下蓋螺紋連接沒有失效，外殼體沒有發(fā)生破壞。

2.3.2聲壓分析

新型強光爆震彈采用雙層結(jié)構(gòu)，其聲光通過噴口泄出，噴口的設(shè)置對光能量影響不大，但對爆震彈的聲壓效應(yīng)影響較大。

當(dāng)沒有外殼體存在時，爆炸峰值聲壓和峰值超壓的關(guān)系為[6-7]

(1)

式中：Lp為峰值聲壓級；Ppeak為爆炸峰值超壓；P0一般為2×10-5Pa。

當(dāng)有開孔外殼體存在時，爆震彈的聲源變?yōu)槎鄠€，主要是各噴口泄壓造成的聲音，類似于多個噪聲源，其總聲壓級為所有噴口的聲壓級之和：

Lps=Lp0+10lg(n)

(2)

式中：Lps為總聲壓級；Lp0為單個噴口聲壓級；n為噴口個數(shù)。

根據(jù)超壓衰減公式，當(dāng)開孔處1 mm為基準(zhǔn)位置的總峰值聲壓級為Lp0時，則1.5 m處峰值聲壓級Lp可表示為

(3)

也就是說，當(dāng)需要作用于1.5 m處人耳的聲壓級為140～160 dB時，新型強光爆震彈在噴口處1 mm的總聲壓級為216～236 dB。

圖4所示為爆炸時彈體在351 μs時的超壓云圖。從結(jié)果動畫中可以得到：70 μs前，煙火劑產(chǎn)生的超壓被束縛在ABS殼內(nèi)；70 μs后，內(nèi)殼開裂，壓力從內(nèi)殼傳遞到外殼體；在200 μs左右，超壓逐漸從外殼體噴口泄出。符合爆炸超壓傳遞現(xiàn)象。

圖4 彈體超壓云圖

在噴口處取超壓最大的空氣單元16658，其超壓曲線如圖5所示，峰值超壓約為0.2 MPa，根據(jù)式(1)換算成峰值聲壓級為200 dB，上下蓋共計20個噴口，根據(jù)式(2)計算疊加聲壓級為213 dB，則根據(jù)式(3)1.5 m處聲壓級為137 dB，接近預(yù)期戰(zhàn)技指標(biāo)。下一步，通過優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，使超壓、聲壓滿足預(yù)期的戰(zhàn)技指標(biāo)。

圖5 16658單元超壓曲線

3 優(yōu)化設(shè)計

新型強光爆震彈的初步方案經(jīng)第2節(jié)的仿真分析，驗證了方案的有效性，但其許多參數(shù)如內(nèi)殼厚度、噴口數(shù)量及直徑等關(guān)鍵參數(shù)還需要進一步優(yōu)化選取，以滿足戰(zhàn)技指標(biāo)。

3.1 ABS內(nèi)殼的優(yōu)化

ABS內(nèi)殼是新型強光爆震彈的重要部件，通過優(yōu)化內(nèi)殼參數(shù)來提高聲壓級是可行的，本節(jié)主要研究內(nèi)殼厚度對新型彈的影響，即在其他條件不變的情況下，研究噴口處峰值超壓隨厚度的變化情況。

通過爆炸仿真分析，得到不同內(nèi)殼厚度(厚度從1 mm間隔0.2 mm增加到4 mm)的彈體在同一噴口處的空氣單元超壓峰值，如圖6所示。從圖6中可知：在內(nèi)殼厚度為1～2 mm范圍內(nèi)，隨著厚度的增加，噴口處超壓峰值緩慢增加；在2～3 mm范圍內(nèi)，隨著內(nèi)殼厚度的增加，超壓峰值明顯增加；在3～4 mm范圍內(nèi)，噴口處超壓峰值基本恒定。這是由于在1～2 mm范圍內(nèi)，內(nèi)殼強度很低，爆炸時泄壓過早，峰值超壓接近于沒有內(nèi)殼爆炸的超壓；當(dāng)內(nèi)殼厚度增加到2～3 mm時，隨著內(nèi)殼強度的提高，內(nèi)殼泄壓越晚，峰值超壓越大；而當(dāng)內(nèi)殼厚度達到3 mm以上時，內(nèi)殼強度足夠使所有藥劑燃燒完畢，已達到此藥量的最大壓強，因此增加厚度已不能使超壓再明顯增加。綜上，可以將初步方案的內(nèi)殼厚度2 mm優(yōu)化到3 mm，此時，單個噴口處峰值超壓達到1 MPa。

圖6 超壓峰值隨內(nèi)殼厚度變化曲線

3.2 噴口的優(yōu)化

新型強光爆震彈中，噴口是泄出聲光能量的主要部位，不能過多，導(dǎo)致聲光能量不集中，達不到爆震效果；不能過大，過大的噴口有可能導(dǎo)致過大的破片從孔洞飛出致人傷亡；還不能過小，過小可能導(dǎo)致孔洞被堵死導(dǎo)致彈體激射。因此，需要對噴口數(shù)量和直徑進行優(yōu)化。

3.2.1噴口數(shù)量的優(yōu)化

其他參數(shù)不變，內(nèi)殼厚度取3 mm，噴口數(shù)量從2間隔2增加到12。同樣，按照3.1節(jié)的數(shù)據(jù)處理方法，得到峰值超壓隨噴口數(shù)量的變化如圖7所示。

圖7 峰值超壓隨噴口數(shù)量的變化曲線

從圖7中可以得到：隨著噴口數(shù)量的增多，總泄爆面積增大，單個噴口流量減少，會使得單個噴口峰值超壓減少。但由于噴口數(shù)量是增多的，所以爆炸后總的聲壓級需要根據(jù)噴口數(shù)量和單個噴口峰值超壓具體計算得到。根據(jù)式(2)計算，2～12個噴口總聲壓級(單位dB)分別為：234.3 dB、231.3 dB、229.3 dB、227.6 dB、227.2 dB、226.1 dB?？梢钥闯觯偮晧杭夒S著噴口數(shù)量的增加而減少，但變化幅值較小。因此可將噴口數(shù)量適當(dāng)增多，有利于增強光學(xué)刺激效應(yīng)。但通過仿真可知：當(dāng)噴口數(shù)量大于8個時，會有特別小的內(nèi)殼碎片飛出噴口的情況發(fā)生。這是由于隨著噴口數(shù)量的增多，碎片飛出的概率增加。因此將初步方案中噴口數(shù)量由10個優(yōu)化為8個。

3.2.2噴口直徑的優(yōu)化

其他參數(shù)不變，內(nèi)殼厚度取3 mm，噴口數(shù)量取8個，為了便于實際加工，噴口直徑由3 mm間隔1 mm增加到6 mm，分別進行仿真。仿真表明：隨著噴口直徑增大，噴口的峰值超壓呈減少趨勢，但變化幅值較小。這是由于噴口直徑增大，泄爆面積增大，峰值超壓隨之減少。當(dāng)噴口直徑為6 mm時，碎片飛出較多。為了保證外殼能盡可能快的泄爆，將噴口直徑選取為5 mm。

優(yōu)化后的內(nèi)殼厚度為3 mm，上、下蓋的噴口數(shù)量為8個，噴口直徑為5 mm，此時，噴口處峰值超壓為0.98 MPa，換算到1.5 m處總聲壓級為149.8 dB，符合強光爆震彈戰(zhàn)技指標(biāo)要求。

4 結(jié)論

本文采用無破片設(shè)計方案，即強光爆震彈在爆炸發(fā)出聲光效應(yīng)的同時，不產(chǎn)生殺傷性破片。本文采用開孔外殼和內(nèi)殼相結(jié)合的雙層腔體彈體結(jié)構(gòu)，選用ABS、超硬鋁合金作為內(nèi)、外殼材料，并對外殼噴口的位置、數(shù)量和直徑進行了初步設(shè)計。利用LS-DYNA軟件對爆炸過程中彈體的結(jié)構(gòu)和聲壓進行了仿真分析，表明所設(shè)計的強光爆震彈在爆炸過程中不會產(chǎn)生殺傷性破片，同時在距離彈藥1.5 m處聲壓級為137 dB，接近預(yù)期戰(zhàn)技指標(biāo)。對設(shè)計方案進行了優(yōu)化，使得距離彈藥1.5 m處的聲壓級可達到149.8 dB，滿足了預(yù)期戰(zhàn)技指標(biāo)要求，為強光爆震彈的安全設(shè)計、試制驗證、安全使用，提供了經(jīng)仿真優(yōu)化的指導(dǎo)性安全設(shè)計方案和數(shù)據(jù)。