石志彬，王曉方，劉加凱

(1 武警后勤學(xué)院，天津 300309;2 武警工程大學(xué)裝備工程學(xué)院，西安 710086)

0 引言

前向戰(zhàn)斗部的破片位于柱形裝藥前端，起爆后破片沿戰(zhàn)斗部軸線形成一定錐角的破片束，在動(dòng)態(tài)條件下前向破片可高效利用導(dǎo)彈速度，以非常高的相對(duì)速度毀傷目標(biāo)［1］。破片均勻散布可獲得盡量大的有效攔截面積，與周向戰(zhàn)斗部相比，前向戰(zhàn)斗部破片的裝配空間縮小，破片數(shù)量相對(duì)減少，因此，破片散布均勻性顯得更為重要。目前戰(zhàn)斗部破片飛散均勻性的相關(guān)研究集中于傳統(tǒng)周向戰(zhàn)斗部，孫學(xué)清［2-3］等研究了起爆方式對(duì)偏心起爆戰(zhàn)斗部破片飛散的影響，邢恩峰［4-7］等學(xué)者對(duì)前向戰(zhàn)斗部破片初速的變化規(guī)律及原理進(jìn)行了系統(tǒng)研究，但是沒(méi)有涉及破片散布均勻性及其變化規(guī)律。

前向戰(zhàn)斗部破片散布大致呈中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其周向均勻性是指以破片散布中心為圓心，在不同方向上的相同角度范圍內(nèi)所包含破片數(shù)量的一致性程度。不同方向上破片數(shù)差異越小，其周向均勻性越好。文中根據(jù)特定的戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)，通過(guò)數(shù)值模擬及對(duì)比分析，研究底面四點(diǎn)同步起爆方式引起的破片周向散布變化，然后通過(guò)靜爆試驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果，并分析底面四點(diǎn)同步起爆對(duì)破片散布的影響機(jī)理。

1 前向戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)

前向戰(zhàn)斗部的結(jié)構(gòu)及破片排布見圖1、圖2。

戰(zhàn)斗部為圓柱形，整體尺寸Φ240 mm×180 mm，由裝藥、外殼、破片、約束鋼環(huán)、底部蓋板和起爆藥柱組成。戰(zhàn)斗部裝藥采用熔奧梯鋁炸藥，密度1.8 g/cm3，裝藥質(zhì)量11.09 kg，起爆藥柱設(shè)置在裝藥底端面，通過(guò)選擇不同的輸入點(diǎn)起爆，可以實(shí)現(xiàn)不同預(yù)定方式的爆炸輸出。殺傷元為高密度鎢合金立方體預(yù)制破片，單枚破片重25.1 g，每發(fā)戰(zhàn)斗部含破片數(shù)量261枚，在戰(zhàn)斗部前端經(jīng)緯方向均勻緊密排列。戰(zhàn)斗部外殼和底部蓋板材料為鋁合金，厚5 mm。為加強(qiáng)對(duì)爆轟燃?xì)獾姆忾]作用，約束最外緣破片的飛散，在破片層的最外緣設(shè)置鋼環(huán)。底部蓋板、鋼環(huán)與戰(zhàn)斗部殼體之間用螺釘連接。

圖1 前向戰(zhàn)斗部的結(jié)構(gòu)

圖2 前向戰(zhàn)斗部的破片排布

2 前向破片周向散布仿真分析

當(dāng)前向戰(zhàn)斗部采用底面多點(diǎn)同步起爆方式，特別是當(dāng)起爆點(diǎn)周向均布于某一圓上時(shí)，會(huì)導(dǎo)致裝藥中周向不同角度位置爆轟波強(qiáng)度存在差異。下面對(duì)該戰(zhàn)斗部底面中心起爆、底面四點(diǎn)同步起爆兩種模式引起的破片散布變化進(jìn)行仿真和對(duì)比分析。

仿真選用LS-DYNA非線性動(dòng)力分析程序，利用ALE算法處理模型各部分之間的關(guān)系，前、后處理軟件分別為Oasys/Primer和Oasys/D3Plot。

2.1 戰(zhàn)斗部有限元模型

建立戰(zhàn)斗部網(wǎng)格模型，剖面如圖3所示，其中炸藥和空氣為多物質(zhì)ALE單元，破片、鋼環(huán)、殼體為拉格朗日單元，采用經(jīng)典流固耦合算法LAGRANGE-INSOLID處理這兩類單元之間的相互作用。炸藥、空氣、破片、鋼環(huán)、底部蓋板和破片控制器采用Solid網(wǎng)格進(jìn)行劃分，外殼采用Shell網(wǎng)格劃分。為提高計(jì)算精度和防止計(jì)算步太小導(dǎo)致計(jì)算終止，破片與破片控制器、約束鋼環(huán)之間采用AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE方式定義接觸，破片間用AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE方式定義接觸。

圖3 戰(zhàn)斗部模型剖面圖

設(shè)置底面中心起爆模式戰(zhàn)斗部的起爆點(diǎn)位于裝藥底端面圓心處，底面四點(diǎn)同步起爆戰(zhàn)斗部的起爆點(diǎn)均勻分布在直徑為200 mm的圓上，其方位分別為45°、135°、225°和 315°。圖 4 顯示了兩模型在起爆后約2 μs時(shí)裝藥底端面的爆轟波形，從壓力分布中可辨別起爆點(diǎn)位置。除起爆點(diǎn)外，兩模型其他各種參數(shù)完全相同。

圖4 兩模型底面起爆點(diǎn)的位置

2.2 材料模型

戰(zhàn)斗部裝藥采用HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型和EOS_JWL狀態(tài)方程，JWL狀態(tài)方程可表示為:

式中:p為爆轟壓力;E為炸藥初始內(nèi)能;V為初始相對(duì)體積;E0表示單位體積炸藥的初始能量;A、B、R1、R2和ω是描述炸藥本身特性的參數(shù)。裝藥及其狀態(tài)方程的主要參數(shù)見表1。

表1 裝藥模型主要材料參數(shù)

戰(zhàn)斗部殼體與約束鋼環(huán)選用塑性隨動(dòng)硬化材料模型PLASTIC_KINEMATIC，空氣場(chǎng)選用NULL模型和EOS_LINEAR_POLYNOMIAL狀態(tài)方程。鎢合金破片強(qiáng)度很大，在爆轟產(chǎn)物驅(qū)動(dòng)下飛散時(shí)很少發(fā)生碎裂，建模時(shí)破片采用剛體(RIGID)材料模型。主要材料參數(shù)見表2。

表2 戰(zhàn)斗部模型主要材料參數(shù)

2.3 仿真結(jié)果

圖5為兩戰(zhàn)斗部爆炸后2 000 μs，沿戰(zhàn)斗部軸線方向的破片散布情況視圖。從圖中可以看出，底面中心起爆戰(zhàn)斗部，其破片散布在周向相對(duì)比較均勻;而底面四點(diǎn)同步起爆戰(zhàn)斗部，其破片在45°、135°、225°和315°四個(gè)方位上分布比較稠密，破片聚集區(qū)的角方位與起爆點(diǎn)方位恰好一致。

圖5 底面中心起爆與底面四點(diǎn)同步起爆的破片飛散情況

3 破片周向散布的試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性，本節(jié)通過(guò)靜爆試驗(yàn)定量分析破片的實(shí)際散布情況。

3.1 戰(zhàn)斗部靜態(tài)爆炸試驗(yàn)

試驗(yàn)場(chǎng)地的布置如圖6所示。用3塊尺寸為4 m×1.5 m的6 mm厚鋼靶板攔截破片，3塊靶板并排放置且與地面垂直，組成4 m×4.5 m的攔截面，每塊靶板中心與戰(zhàn)斗部爆心的距離均為7 m。前向戰(zhàn)斗部水平臥放于托彈架上，與鋼靶板中心同高，且戰(zhàn)斗部軸線“瞄準(zhǔn)”中間靶板的中心位置。

試驗(yàn)使用底面中心起爆和底面四點(diǎn)同步起爆戰(zhàn)斗部各1發(fā)。四點(diǎn)同步起爆戰(zhàn)斗部在托彈架上的放置情況見圖7，其4個(gè)起爆點(diǎn)分別位于45°、135°、225°和315°方位，呈“×”形等間位分布。戰(zhàn)斗部爆炸后，鎢合金破片穿透鋼靶板，破片穿孔情況如圖8所示。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果的周向均勻性分析

根據(jù)靶板上破片穿孔位置，繪制出破片坐標(biāo)如圖9所示?？擅黠@看出在周向，底面四點(diǎn)同步起爆戰(zhàn)斗部的破片在“×”方向上分布相對(duì)密集，且其方位與起爆點(diǎn)方位大概相同。

圖6 試驗(yàn)場(chǎng)地

圖7 四點(diǎn)同步起爆戰(zhàn)斗部的起爆點(diǎn)位置

圖8 爆炸后鋼靶板穿孔

圖9 試驗(yàn)得到的破片散布情況

為對(duì)比分析破片散布的周向均勻性，首先在不同方向上將散布區(qū)劃分為若干扇形區(qū)。根據(jù)散布特點(diǎn)，為充分反映破片散布在周向的變化規(guī)律，可劃分為8個(gè)扇形區(qū)，如圖10所示，扇形區(qū)中心線方位為=0，1，2，3，…，7)，角幅度為

圖10 破片散布區(qū)的周向劃分

根據(jù)每個(gè)扇區(qū)內(nèi)的破片數(shù)，利用式(2)求出每個(gè)扇區(qū)的周向均勻度uZi。

其中:Nt為攔截破片總數(shù);Ni為第i扇區(qū)內(nèi)的破片數(shù)。各扇區(qū)內(nèi)周向均勻度算術(shù)平均，得到兩戰(zhàn)斗部破片散布的總體周向均勻度，即:

總體周向均勻度越接近1，說(shuō)明周向均勻性越好。從式(3)、式(4)可以看出，底面中心起爆模式下的破片散布周向均勻性優(yōu)于于底面四點(diǎn)同步起爆模式。

單憑總體周向均勻度這一參數(shù)不能完全反映出破片周向散布的規(guī)律。為確定破片“聚集區(qū)”的方位與起爆點(diǎn)方位的關(guān)系，運(yùn)用Matlab軟件計(jì)算出破片數(shù)量沿周向隨角度變化的擬合曲線如圖11所示，圖中極大值點(diǎn)或極小值點(diǎn)已用坐標(biāo)標(biāo)出。

圖11 四點(diǎn)同步起爆時(shí)破片密度沿周向變化的擬合曲線

從擬合曲線可以看出，沿周向破片數(shù)呈波浪形變化，共有4個(gè)間隔幾乎相同的波峰值，每個(gè)波峰對(duì)應(yīng)一個(gè)破片聚集區(qū)。將破片聚集區(qū)中心線方位(波峰橫坐標(biāo))與起爆點(diǎn)方位進(jìn)行對(duì)比，見表3。可以看出，破片聚集區(qū)中心的方位與靜爆試驗(yàn)起爆點(diǎn)的方位平均相差只有3.825°。因此，可認(rèn)為兩者在周向的方位基本一致，同時(shí)也驗(yàn)證了仿真結(jié)果是正確的。

表3 破片聚集區(qū)中心與起爆點(diǎn)的方位對(duì)比

4 機(jī)理分析

仿真和試驗(yàn)結(jié)果都表明，前向戰(zhàn)斗部采用底面四點(diǎn)同步起爆模式作用時(shí)，破片會(huì)在相應(yīng)方位上匯聚，且破片密集區(qū)方位與起爆點(diǎn)方位一致。下面利用仿真模型，分析裝藥中爆轟波對(duì)破片的作用過(guò)程，研究起爆點(diǎn)分布對(duì)周向均勻性的影響機(jī)理。

圖12為爆轟波與破片層接觸前后，一點(diǎn)起爆和四點(diǎn)起爆模型在緊貼破片層下方的截面上爆轟波壓力變化情況，圖中的爆轟波壓力區(qū)采用相同的壓力梯度和顏色繪制。

圖12 爆轟波與破片層接觸時(shí)的壓力變化

從圖12可知，四點(diǎn)同步起爆戰(zhàn)斗部在起爆后約21 μs，爆轟波的波陣面?zhèn)髦疗破瑢樱谄鸨c(diǎn)對(duì)應(yīng)的4個(gè)方位上，波陣面壓力大于其他方位。這說(shuō)明裝藥中爆轟波向前傳播時(shí)產(chǎn)生疊加，但疊加區(qū)波陣面稍靠后。起爆后約23 μs，爆轟波疊加區(qū)的壓力要高于起爆點(diǎn)方位處的壓力。起爆后25 μs，四點(diǎn)起爆戰(zhàn)斗部的破片層下，爆轟波疊加方位處的超壓已經(jīng)造成鋁板(破片控制器)大部分破壞，而起爆點(diǎn)方位處的鋁板破碎較少。這說(shuō)明疊加方位上的爆轟波壓力明顯高于起爆點(diǎn)方位上爆轟波壓力，對(duì)相應(yīng)區(qū)域破片的驅(qū)動(dòng)作用較強(qiáng)。

疊加波強(qiáng)度較高，它與相鄰的起爆點(diǎn)方位間存在壓力差，該壓力差使疊加波方位上的破片在受強(qiáng)加速的同時(shí)，有被“推向兩側(cè)”的趨勢(shì)。正是這種被“推開”的趨勢(shì)，使破片飛散偏向兩側(cè)，導(dǎo)致爆轟波疊加方位上的破片較為稀疏，而與之相鄰的起爆點(diǎn)方位處，破片分布相對(duì)密集。

5 結(jié)論

文中采用仿真和靜爆試驗(yàn)的方法研究了底面四點(diǎn)同步起爆方式對(duì)前向戰(zhàn)斗部破片散布周向均勻性的影響，定量描述了底面中心起爆和底面四點(diǎn)同步起爆兩種模式引起的周向均勻性差異及其分布規(guī)律，并分析了其影響機(jī)理。主要結(jié)論有:

1)前向戰(zhàn)斗部采用底面四點(diǎn)同步起爆模式時(shí)，若4個(gè)起爆點(diǎn)均勻分布在某一半徑的同一圓上，在與起爆點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)的方位會(huì)出現(xiàn)破片相對(duì)密集的區(qū)域，降低整體周向均勻性;

2)多點(diǎn)起爆時(shí)，源自相鄰兩起爆點(diǎn)的爆轟波向前傳播時(shí)產(chǎn)生疊加，疊加波壓力大于相鄰起爆點(diǎn)方位處的壓力，這使得疊加波方位上的破片在受強(qiáng)加速的同時(shí)被“推向兩側(cè)”，導(dǎo)致破片在起爆點(diǎn)方位上相對(duì)密集。

根據(jù)破片周向分布不均的機(jī)理分析，可采用增多起爆點(diǎn)數(shù)量的方法，并使起爆點(diǎn)均勻分布，以減弱爆轟波疊加對(duì)破片散布均勻性的影響。

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