阮喜軍,梁爭峰,李廣嘉,程淑杰

(西安近代化學(xué)研究所,西安　710065)

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線列式離散桿戰(zhàn)斗部可行性仿真分析*

阮喜軍,梁爭峰,李廣嘉,程淑杰

(西安近代化學(xué)研究所,西安710065)

摘要:綜合利用桿條毀傷元周向及軸向的飛散規(guī)律,提出一種新型離散桿戰(zhàn)斗部,該戰(zhàn)斗部具有線殺傷密度高、威力半徑大等特點,在彈目動態(tài)交匯條件下可對目標(biāo)形成線列式穿孔,實現(xiàn)線切割毀傷。文中通過理論分析和數(shù)值仿真的方法對該戰(zhàn)斗部進(jìn)行初步研究與探索,在理論方面給出了設(shè)計原理和設(shè)計參數(shù)數(shù)學(xué)計算模型,并運用動力學(xué)軟件ANSYS/LS-DYNA對該戰(zhàn)斗部模型進(jìn)行仿真計算,仿真結(jié)果初步驗證了其作用原理和設(shè)計方法的正確性和可行性。

關(guān)鍵詞:線列式離散桿戰(zhàn)斗部;線切割;數(shù)值模擬

0引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭作戰(zhàn)的空天目標(biāo)呈現(xiàn)類型多樣化、特性復(fù)雜化等特點。由過去以飛機(jī)為主的空中目標(biāo),發(fā)展到飛機(jī)、導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星為主的空天軍事目標(biāo)?？炻繕?biāo)兼有,機(jī)動性更強,最大運動速度可提高到每秒幾千米,生存能力不斷提高。為適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭需要,防空反導(dǎo)戰(zhàn)斗部集中向著定向戰(zhàn)斗部、聚焦戰(zhàn)斗部、多功能戰(zhàn)斗部、新型離散桿戰(zhàn)斗部四大結(jié)構(gòu)類型發(fā)展[1]。俄、美等國家目前已經(jīng)從破片殺傷爆破、連續(xù)桿殺傷戰(zhàn)斗部為主的防空反導(dǎo)戰(zhàn)斗部發(fā)展到以離散桿戰(zhàn)斗部和定向戰(zhàn)斗部為主的防空反導(dǎo)戰(zhàn)斗部[2]。

文中提出了一種新型離散桿戰(zhàn)斗部——線列式離散桿戰(zhàn)斗部,該戰(zhàn)斗部具有線殺傷密度高、威力半徑大等特點。從根本上改變桿條的排布方式,采用桿條的周向放置,相對應(yīng)的桿條列傾斜排布,一方面實現(xiàn)單枚桿條的不偏轉(zhuǎn)的水平直飛,一方面實現(xiàn)任意半徑上,高密度、小間距的桿條群的線切割。

文中簡要論述了該戰(zhàn)斗部的作用原理、特點和優(yōu)勢,給出了工程設(shè)計方法,同時利用動力學(xué)軟件ANSYS/LS-DYNA[3]對戰(zhàn)斗部模型進(jìn)行數(shù)值模擬,初步驗證了其作用原理及設(shè)計方法的正確性和可行性。

1線列式離散桿戰(zhàn)斗部作用原理及設(shè)計方法

1.1基本作用原理

線列式離散桿戰(zhàn)斗部作用原理是通過設(shè)計桿條的排列形式,合理利用桿條軸向及周向的飛散規(guī)律,最終可控制每個桿條的飛散軌跡,使得桿條群在目標(biāo)靶上的落點穿孔呈線性分布。

首先采用桿條的環(huán)形排布設(shè)計,使得桿條在沖擊波及爆轟產(chǎn)物的驅(qū)動作用下,受力較均勻,可沿飛散方向保持姿態(tài)飛行。其次,設(shè)計軸向桿條的質(zhì)心連線與戰(zhàn)斗部軸線的夾角θ(稱為均布角),能實現(xiàn)桿條沿周向360°均勻、連續(xù)分布,如圖1所示。再次,桿條組合體采用合理的曲線結(jié)構(gòu),既能產(chǎn)生軸向等爆轟場強又能達(dá)到軸向聚焦的目的,保證了軸向桿條的速度一

圖1　某列桿條的周向坐標(biāo)分布

致性和間距最小性。但由于端部稀疏波的影響,前后端的桿條會受到影響,導(dǎo)致兩端間距較大,見圖2。綜合周向與軸向的飛散規(guī)律,可得列桿條周期性線列式穿孔和桿條飛散示意圖,參見圖3和圖4。

圖2　某列桿條的軸向坐標(biāo)分布

圖3　列桿條周期性線列式穿孔

圖4　桿條飛散

1.2參數(shù)設(shè)計

對線列式離散桿戰(zhàn)斗部設(shè)計過程涉及到的兩個主要參數(shù)周向桿條數(shù)、均布角進(jìn)行理論分析。

1.2.1周向桿條數(shù)

由殼體破裂理論[7-8]可知周向桿條數(shù)存在臨界值,桿條周向尺寸長度越長,桿條周向越易斷裂,有效破片生成率越低;周向尺寸越小,對于全預(yù)制形式桿條則無法充分發(fā)揮大質(zhì)量桿條的優(yōu)勢。

基于物體斷裂的尺度效應(yīng)(無論靜態(tài)或動態(tài)加載下物體尺寸對于其強度和塑性極限的影響),從量綱分析入手對周向桿條數(shù)的臨界值進(jìn)行估算,爆炸過程中形成的毀傷元具有特征質(zhì)量m,它是殼體系數(shù)a0、L0、δ和炸藥性質(zhì)ρ0、De以及金屬性質(zhì)γ0、G、E的函數(shù),其中a0為殼體內(nèi)半徑,L0為殼體總長,δ為殼壁厚度,ρ0為炸藥密度,De為炸藥爆速,γ0為金屬密度,G為剪切模量,E為斷裂比能量,有:

(1)

而質(zhì)量m可以理解為當(dāng)殼體分裂為nθ個縱向條帶時得到的似規(guī)則毀傷元的質(zhì)量,最廣泛估算周向分裂數(shù)的方法是梯度方法,其基本概念是毀傷元端部存在某個臨界的速度矢量差。

利用梯度方法得到周向桿條數(shù)公式為:

(2)

式中:v0為毀傷元初速;vcr為破片端部的臨界速度差。

最終可得周向桿條數(shù)的計算關(guān)系式:

(3)

式中:c為修正系數(shù);χ0為殼體內(nèi)半徑與外半徑的比值;E為斷裂比能量,鋼形成裂紋所需的能量為14～169J/cm2,20#鋼為14J/cm2。

1.2.2均布角的計算公式推導(dǎo)

根據(jù)線列式離散桿戰(zhàn)斗部作用原理,為使桿條沿周向360°均勻、連續(xù)分布,通過幾何關(guān)系可得軸向桿條質(zhì)心連線與戰(zhàn)斗部軸線夾角即均布角的計算公式:

(4)

式中:m為周向桿條的數(shù)目;L為戰(zhàn)斗部桿條組合體的長度;A為線列式破片周向連續(xù)、均布修正系數(shù)A≥1;D為戰(zhàn)斗部桿條組合體平均直徑。

2數(shù)值模擬

運用動力學(xué)軟件ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行模擬。簡化戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu),僅考慮炸藥、桿條、空氣內(nèi)腔和端蓋。

2.1材料模型

炸藥采用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BU-RN材料模型和EOS_JWL狀態(tài)方程描述。所選取炸藥與JWL狀態(tài)方程的基本參數(shù)見表1和表2。

表1　炸藥基本參數(shù)

表2　JWL狀態(tài)方程參數(shù)

空氣采用MAT_NULL空材料模型和EOS_LINEAR_POLYNOMIAL線性多項式狀態(tài)方程。取密度為1.292 9kg/m3。

桿條和端蓋采用非線性塑性模型PLASTIC_KINEMATIC材料模型,參數(shù)見表3和表4。

表3　桿條材料參數(shù)

表4　端蓋材料參數(shù)

2.2有限元計算模型

有限元計算模型如圖5所示。采用全預(yù)制破片形式,戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)參數(shù)見表5。

表5　戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖5　戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)模型

圖6　單枚預(yù)制桿條

炸藥和空氣為避免單元發(fā)生畸變采用多物質(zhì)ALE算法,桿條、端蓋使用拉格朗日算法,并通過*CONSTRAINED_LAGR-ANGE_IN_SOLID關(guān)鍵字進(jìn)行耦合。采用cm-g-μs單位制建模。

2.3變量參數(shù)設(shè)計

設(shè)定A=1的情況下,預(yù)設(shè)5組不同的周向桿條數(shù)進(jìn)行模擬,參數(shù)設(shè)計見表6,一方面考察并分析該戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)設(shè)計的可行性,一方面對c的范圍進(jìn)行初步預(yù)估。

表6　5組不同周向桿條數(shù)的模擬彈桿條參數(shù)

3仿真結(jié)果與分析

對每組桿條驅(qū)動飛散的仿真過程進(jìn)行記錄,圖7為桿條在200μs時刻的飛散狀態(tài)。

圖7　桿條在200 μs時刻飛散狀態(tài)

從桿條飛散過程來看,桿條組合環(huán)飛散形成多個桿條列周期,同時每個桿條列周期中的桿條質(zhì)心連線具有一定的線性規(guī)律,與理論設(shè)計保持一致。

觀察并統(tǒng)計5組桿條的斷裂和變形數(shù)據(jù),仿真結(jié)果顯示1#～3#模擬彈桿條出現(xiàn)斷裂,4#～5#模擬彈桿條基本完整,圖8為1#～3#彈3組桿條在200μs時刻局部斷裂變形狀態(tài)。

表7　桿條飛散及斷裂情況統(tǒng)計

從桿條斷裂情況判斷,當(dāng)周向桿條數(shù)為20時,初步認(rèn)定為是相對應(yīng)此種戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)狀態(tài)下的臨界周向數(shù)桿條,周向桿條數(shù)小于臨界值時(1#～3#),單枚桿條周向長度較大易斷裂;大于臨界值時(5#),桿條基本無斷裂。因此將臨界值代入式(3)可得:c=1.998。

圖8　桿條局部斷裂失效圖

進(jìn)一步對模擬樣彈的驅(qū)動過程從不同的角度進(jìn)行記錄,同時對桿條沿短對稱軸的旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計,4#彈的桿條基本完整,因此對4#彈的桿條的飛散進(jìn)行多時刻、多角度的觀察,圖9為4#模擬彈不同時刻桿條的飛散狀態(tài)。

在200μs時刻對桿條水平夾角進(jìn)行統(tǒng)計,由于有端部稀疏波的影響,兩端部桿條不計入統(tǒng)計,并認(rèn)為10°以內(nèi)為保持水平狀態(tài)。

表8　桿條水平夾角統(tǒng)計

圖9　4#模擬彈不同時刻桿條飛散姿態(tài)

4#模擬彈的仿真結(jié)果再現(xiàn)了桿條的整個驅(qū)動過程。從俯視圖可看出桿條飛散過程中始終能形成一個連續(xù)圓環(huán),桿條列之間首尾相接,桿條周向分布均勻,說明均布角設(shè)計的合理性;從桿條列的單個周期來看,86.7%桿條保持水平飛行,與理論分析相一致,只有首尾部分桿條有較大的變形與偏轉(zhuǎn),這主要是由于端部稀疏波的影響。

綜上所述,該仿真結(jié)果初步驗證了線列式離散桿戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性,可實現(xiàn)桿條分布控制,技術(shù)方法具有可行性。

4結(jié)論

1)突破了傳統(tǒng)桿條的排列方式,提出了一種能對目標(biāo)實現(xiàn)線切割的線列式離散桿戰(zhàn)斗部桿條分布控制技術(shù),并在理論上給出一種工程設(shè)計方法。

圖10　單個桿條列周期的飛散姿態(tài)

2)利用數(shù)值模擬進(jìn)行了驗證分析,模擬結(jié)果與理論設(shè)計基本一致,初步驗證了其戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性,可實現(xiàn)桿條分布控制,技術(shù)方法具有可行性。

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*收稿日期:2015-04-09

作者簡介:阮喜軍(1989-),女,河北任丘人,碩士研究生,研究方向:戰(zhàn)斗部技術(shù)。

中圖分類號:TJ760.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

FeasibilityAnalysisofLinearDiscreteRodWarheadbyNumericalSimulation

RUANXijun,LIANGZhengfeng,LIGuangjia,CHENGShujie

(Xi’anModernChemistryResearchInstitute,Xi’an710065,China)

Abstract:Based on scattering law of circumferential and axial discrete rods, a so-called linear discrete rod warhead was proposed in this paper, which has advantages of high linear destruction density and large power radius. The warhead can produce almost linear fragment perforation on target in actual combat, similar to wire cutting. The design principle of this warhead and calculation formula of major parameter were given in this paper. Then validity and feasibility were proved by numerical simulation.

Keywords:linear discrete rod warhead; wire cutting; numerical simulation