史志鑫，尹建平，王志軍

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 太原 030051)

【彈藥工程】

預(yù)制破片的形狀對(duì)破片飛散性能影響的數(shù)值模擬研究

史志鑫，尹建平，王志軍

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 太原 030051)

為了提高戰(zhàn)斗部的作戰(zhàn)毀傷性能，本文設(shè)計(jì)了一種將預(yù)制破片與EFP結(jié)合的戰(zhàn)斗部。運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件模擬了預(yù)制破片的飛散過(guò)程和戰(zhàn)斗部中EFP的成型效果，比較了四種形狀的預(yù)制破片對(duì)破片的飛散速度、戰(zhàn)斗部中裝填預(yù)制破片數(shù)量和破片飛散效果的影響。研究結(jié)果表明：當(dāng)戰(zhàn)斗部的裝藥結(jié)構(gòu)尺寸一定，單個(gè)預(yù)制破片的質(zhì)量一定，而形狀不同時(shí)效果不同。形狀為球形，戰(zhàn)斗部中能夠裝填預(yù)制破片的數(shù)量最少，預(yù)制破片的平均速度最高；形狀為三棱柱，戰(zhàn)斗部的中能夠裝填預(yù)制破片的數(shù)量最多，預(yù)制破片的平均飛散速度最低。正方體預(yù)制破片飛散的整體效果較為整齊，三棱柱預(yù)制破片的飛散較為密集。將預(yù)制破片戰(zhàn)斗部與EFP戰(zhàn)斗部結(jié)合的戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)，藥型罩對(duì)預(yù)制破片飛散速度有一定的影響，而藥型罩的存在也會(huì)影響爆轟波在藥柱中的傳播。

EFP；預(yù)制破片；數(shù)值模擬

隨著預(yù)制破片戰(zhàn)斗部以及EFP戰(zhàn)斗部發(fā)展的日益成熟，將預(yù)制破片與EFP用于同一戰(zhàn)斗部的方法也發(fā)展起來(lái)。預(yù)制破片戰(zhàn)斗部克服了自然破片戰(zhàn)斗部殼體爆炸后不能全部形成有效破片的缺點(diǎn)。EFP戰(zhàn)斗部利用成型裝藥聚能效應(yīng)能有效的對(duì)裝甲以及鋼筋混凝土等防御工事進(jìn)行有效毀傷，所以將預(yù)制破片戰(zhàn)斗部與EFP戰(zhàn)斗部結(jié)合會(huì)很大程度上提高戰(zhàn)斗部的毀傷效應(yīng)。

預(yù)制破片戰(zhàn)斗部能夠根據(jù)作戰(zhàn)要求對(duì)預(yù)制破片的大小、材料和形狀等影響毀傷效能的因素進(jìn)行選擇，做到最大限度的發(fā)揮戰(zhàn)斗部的作戰(zhàn)性能。吳宏斌等人[1]利用ANSYS/LS-DYNA仿真軟件對(duì)定向預(yù)制破片戰(zhàn)斗部的研究做了一定研究，得出關(guān)于破片飛散等一系列的結(jié)論。魏峰[2]對(duì)預(yù)制破片的分散動(dòng)態(tài)和預(yù)制破片在空氣中的衰減進(jìn)行了研究。韓夫亮[3]對(duì)預(yù)制破片戰(zhàn)斗部爆炸威力場(chǎng)進(jìn)行了研究，分析了預(yù)制破片在爆轟波的驅(qū)動(dòng)下的相互碰撞過(guò)程。EFP戰(zhàn)斗部是利用成型裝藥技術(shù)并采用大錐角的藥型罩，戰(zhàn)斗部起爆后利用炸藥起爆后產(chǎn)生的能量把藥型罩壓垮或反轉(zhuǎn)成飛行速度較高的EFP，飛行速度較高的EFP利用自身的動(dòng)能侵徹靶板[4]。侯云輝[5]利用數(shù)值仿真的方法對(duì)影響EFP成型的因素進(jìn)行了分析，提出了復(fù)合殼體的設(shè)想。耿梓圃[6]分析了EFP以及破片的成型機(jī)理，通過(guò)設(shè)置不同的起爆點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了戰(zhàn)斗部模式的轉(zhuǎn)換。本文結(jié)合預(yù)制破片戰(zhàn)斗部和EFP戰(zhàn)斗部的特點(diǎn)，提出了將EFP戰(zhàn)斗部與預(yù)制破片戰(zhàn)斗部結(jié)合的戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)。在原有預(yù)制破片的基礎(chǔ)上，在戰(zhàn)斗部的軸向加裝藥型罩，這樣在提高有效破片率的同時(shí)能夠提高戰(zhàn)斗部對(duì)裝甲以及混凝土等防御工事的毀傷效能。本文主要分析了預(yù)制破片的形狀對(duì)破片性能的影響。

本文利用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件對(duì)預(yù)制破片戰(zhàn)斗部毀傷元成型進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬了不同形狀預(yù)制破片的飛散過(guò)程。分析了破片形狀對(duì)破片飛散性能的影響。

1 計(jì)算模型

1.1 戰(zhàn)斗部的結(jié)構(gòu)及幾何模型

戰(zhàn)斗部的結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。本文分析的戰(zhàn)斗部的直徑為122 mm，殼體壁厚為3 mm，內(nèi)襯的厚度選取為2 mm。裝藥為B炸藥，裝藥高度選為126 mm，裝藥的直徑為98 mm。本文選取的藥型罩為球缺形藥型罩，球缺形藥型罩的曲率半徑為90 mm，厚度為7 mm。

圖1 預(yù)制破片戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)四分之一模型示意圖

圖2 預(yù)制破片戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)圖

本文分析球形預(yù)制破片、立方體預(yù)制破片、圓柱預(yù)制破片以及三棱柱預(yù)制破片的飛散特性。為了便于分析不同形狀預(yù)制破片的飛散時(shí)的動(dòng)能，本文將四種不同形狀的預(yù)制破片體積統(tǒng)一選取為179.6 mm3。四種預(yù)制破片的尺寸如圖3～圖6所示。

圖3 球形預(yù)制破片有限元模型及其尺寸示意圖

圖4 正方體預(yù)制破片有限元模型及其尺寸示意圖

圖5 圓柱預(yù)制破片有限元模型及其尺寸示意圖

圖6 三棱柱預(yù)制破片有限元模型及其尺寸示意圖

1.2 有限元模型的建立及網(wǎng)格的劃分

本文應(yīng)用了數(shù)值建模軟件TureGrid進(jìn)行模型建立，建立預(yù)制破片戰(zhàn)斗部的有限元模型如圖7所示。網(wǎng)格單元選取八節(jié)點(diǎn)六面體單元。在建立藥型罩和裝藥藥柱時(shí)，按照1 mm3一個(gè)單元建立。戰(zhàn)斗部的殼體為厚度3 mm 外徑122mm的薄壁圓桶，有限元模型有45 360個(gè)單元，61 200個(gè)節(jié)點(diǎn)。戰(zhàn)斗部的內(nèi)襯為厚度2 mm外徑102 mm的薄壁圓桶，有限元模型有30 240個(gè)單元，45 900個(gè)節(jié)點(diǎn)。裝藥藥柱有限元模型有475 266個(gè)單元，632 541個(gè)節(jié)點(diǎn)。藥型罩有限元模型有25 892個(gè)單元，37 896個(gè)節(jié)點(diǎn)。本文所分析的四種形狀的預(yù)制破片單個(gè)有限元模型的單元個(gè)數(shù)和節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為：在建立有限元模型的時(shí)，一個(gè)球形預(yù)制破片有256個(gè)單元，321個(gè)節(jié)點(diǎn)；一個(gè)立方體預(yù)制破片有216個(gè)單元，343個(gè)節(jié)點(diǎn)；一個(gè)圓柱預(yù)制破片有288個(gè)單元，399個(gè)節(jié)點(diǎn)；一個(gè)三棱柱預(yù)制破片有336個(gè)單元，488個(gè)節(jié)點(diǎn)。四種預(yù)制破片的有限元模型如圖3～圖6所示。

1.3 材料模型及參數(shù)

戰(zhàn)斗部殼體材料選取的為4340鋼，4340鋼用MAT_PLASTIC_KINEMATIC的材料模型，主要參數(shù)為：密度為7.83 g/cm3、彈性模量為220 GPa、泊松比為0.22。內(nèi)襯材料選取鋁合金，鋁合金用MAT_JOHNSON_COOK的材料模型，用EOS_GRUNEISEN狀態(tài)方程進(jìn)行描述，主要參數(shù)為：密度為2.77 g/cm3、彈性模量為72 GPa、剪切模量為27.07 GPa。炸藥材料選取B炸藥，B炸藥用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN的材料模型，用EOS_JWL狀態(tài)方程進(jìn)行描述，主要參數(shù)為：密度為1.82、爆速為8480 m/s、C-J壓力為34.2 GPa。藥型罩的材料選取銅，銅用MAT_JOHNSON_COOK的材料模型，用EOS_GRUNEISEN狀態(tài)方程進(jìn)行描述，主要參數(shù)為：密度為7.87 g/cm3、彈性模量為200 GPa、剪切模量為81.8 GPa。戰(zhàn)斗部裝填的預(yù)制破片的材料選取為45鋼，45鋼用MAT_ELASTIC的材料模型，主要參數(shù)為：密度為7.83 g/cm3、彈性模量為220 GPa、泊松比0.22。

圖7 預(yù)制破片戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)的有限元模型

2 數(shù)值模擬及模擬結(jié)果分析

2.1 破片的理論初速

破片的初速對(duì)于預(yù)制破片戰(zhàn)斗部的毀傷性能有著重要的影響。本文中所分析的四種形狀的預(yù)制破片在戰(zhàn)斗部中均為單層排列。本文應(yīng)用Gurney公式計(jì)算破片的理論初速值。對(duì)于戰(zhàn)斗部的結(jié)構(gòu)，Gurney公式為：

2.2 數(shù)值模擬

對(duì)于預(yù)制破片戰(zhàn)斗部，預(yù)制破片的形狀對(duì)戰(zhàn)斗部的毀傷性能有著重要的影響。當(dāng)戰(zhàn)斗部起爆后，爆轟波從起爆點(diǎn)向四周傳播，爆轟波首先驅(qū)動(dòng)距離起爆點(diǎn)近的一層預(yù)制破片，隨著爆轟波的傳播，預(yù)制破片被逐層驅(qū)動(dòng)。當(dāng)爆轟波傳到戰(zhàn)斗部底部時(shí)，爆轟波開(kāi)始?jí)嚎逅幮驼中纬蒃FP，與此同時(shí)，爆轟波被反射回傳來(lái)的方向，再一次對(duì)預(yù)制破片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。傳來(lái)的爆轟波與被反射的爆轟波在戰(zhàn)斗部的中部疊加導(dǎo)致戰(zhàn)斗部中部的預(yù)制破片的速度相對(duì)較大。表1中的數(shù)據(jù)均為預(yù)制破片在戰(zhàn)斗部?jī)?nèi)單層排列，從中可以看出三棱柱的排列數(shù)量最多為1 530個(gè)，三棱柱的預(yù)制破片能充分利用戰(zhàn)斗部殼體與內(nèi)襯之間的空間，所以在戰(zhàn)斗部尺寸和單個(gè)預(yù)制破片質(zhì)量一定的情況下，能夠排列較多的預(yù)制破片。對(duì)于球形預(yù)制破片排列的數(shù)量，因?yàn)樵谇蛐纹破c球形破片之間留有較大的閑置空間沒(méi)能充分利用戰(zhàn)斗部殼體與內(nèi)襯之間的空間，所以在戰(zhàn)斗部尺寸和預(yù)制破片質(zhì)量一定的情況下，球形預(yù)制破片排列的數(shù)量較少。從不同形狀的預(yù)制破片飛散速度上看，球形預(yù)制破片飛散時(shí)的平均速度最高為2 029.4 m/s，三棱柱預(yù)制破片飛散的平均速度最低為1 508.1 m/s。從圖8、圖9、圖10、圖11中可以看出四種形狀的預(yù)制破片在80時(shí)破片的飛散速度不在加速，基本穩(wěn)定。對(duì)于這四種形狀的預(yù)制破片，速度較高的預(yù)制破片都位于戰(zhàn)斗部中間的位置，戰(zhàn)斗部?jī)啥说念A(yù)制破片速度較低，速度最低的預(yù)制破片位于藥型罩一側(cè)。數(shù)值模擬出的預(yù)制破片的飛散速度比理論計(jì)算的速度高。

圖8 圓柱預(yù)制破片速度隨時(shí)間變化的曲線

圖9 球形預(yù)制破片速度隨時(shí)間變化的曲線

圖10 立方體預(yù)制破片速度隨時(shí)間變化的曲線

圖11 三棱柱預(yù)制破片速度隨時(shí)間變化的曲線

破片形狀破片個(gè)數(shù)/個(gè)最低速度/(m·s-1)最高速度/(m·s-1)平均速度/(m·s-1)圓柱20×56=1120 829．182094．01810．0球18×48=8641273．202371．32029．4正方體22×56=1232 981．802035．31736．3三棱柱17×90=1530 754．2117911508．1

從4種不同形狀預(yù)制破片的飛散效果出發(fā)，觀察圖12、圖13、圖14、圖15我們可以看出。圓柱形預(yù)制破片的飛散情況與球形預(yù)制破片的較為相似，爆轟波從頂部沿軸向向下傳播驅(qū)動(dòng)破片向徑向傳播，在飛散的過(guò)程中預(yù)制破片列與列之間仍有較大的空隙。正方體形預(yù)制破片飛散的整體效果較為整齊，炸藥起爆后爆轟波對(duì)正方體的一個(gè)平面進(jìn)行驅(qū)動(dòng)而且正方體形預(yù)制破片的質(zhì)量分布均勻，而對(duì)于圓柱形預(yù)制破片和球形預(yù)制破片，爆轟波對(duì)其曲面進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，所以正方體形預(yù)制破片飛散效果較圓柱形預(yù)制破片和球形預(yù)制破片的飛散效果整齊。對(duì)于三棱柱形預(yù)制破片，破片的飛散密集度較另外三種形狀的預(yù)制破片好，這樣有利于提高破片命中目標(biāo)的命中率，因?yàn)楸Z波驅(qū)動(dòng)三棱柱的初期，三棱柱與三棱柱之間也有徑向的驅(qū)動(dòng)力，飛散時(shí)的應(yīng)力分布較其他三種形狀預(yù)制破片復(fù)雜。

圖12 球形預(yù)制破片起爆后t=100時(shí)的飛散情況

圖13 圓柱預(yù)制破片起爆后t=100時(shí)的飛散情況

圖14 正方體預(yù)制破片起爆后t=100時(shí)的飛散情況

圖15 三棱柱預(yù)制破片起爆后t=100時(shí)的飛散情況

3 結(jié)論

對(duì)于球形預(yù)制破片、圓柱形預(yù)制破片、正方體預(yù)制破片、三棱柱預(yù)制破片，當(dāng)戰(zhàn)斗部的裝藥結(jié)構(gòu)尺寸一定，單個(gè)預(yù)制破片的質(zhì)量一定的時(shí)候，預(yù)制破片的形狀為球形，戰(zhàn)斗部中能夠裝填預(yù)制破片的數(shù)量最少，預(yù)制破片的裝填數(shù)量為864個(gè)，但預(yù)制破片的平均速度是最高的，速度為2 029.4 m/s；預(yù)制破片的形狀為三棱柱，戰(zhàn)斗部的中能夠裝填預(yù)制破片的數(shù)量最多，預(yù)制破片的裝填數(shù)量為1 530個(gè)，但是預(yù)制破片的平均飛散速度是最低的，為1 508.1 m/s。比較四種形狀的預(yù)制破片的飛散效果，正方體預(yù)制破片飛散的整體效果較為整齊，三棱柱預(yù)制破片的飛散較為密集。

對(duì)于本文論述的將預(yù)制破片戰(zhàn)斗部與EFP戰(zhàn)斗部結(jié)合的戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)，藥型罩對(duì)預(yù)制破片飛散速度有一定的影響，戰(zhàn)斗部中靠近藥型罩的一側(cè)預(yù)制破片的速度最低，而且藥型罩的存在也影響爆轟波在藥柱中的傳播。

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NumericalSimulationoftheInfluenceofPrefabricatedFragmentsShapeonFragmentScatteringPerformance

SHI Zhixin， YIN Jianping， WANG Zhijun

(School of Mechatronic Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

In order to improve the combat damage performance of warhead,this paper designs a warhead that combines prefabricated fragments with EFP,ANSYS/LS-DYNA finite element analysis software was used tosimulate the scattering process of prefabricated fragments and the forming effect of EFP in warhead,the influence of the four kinds of prefabricated fragments on the velocity of the fragment, the number of the prefabricate fragments and the scattering effect of the fragment were compared.The results showthat: for spherical prefabricated fragments, cylindrical prefabricated fragments, cubes prefabricated fragments, triangular prism prefabricated fragments,when the warhead charge structure size is certain, the quality of single precast fragment is certain,when the shape of the prefabricated fragments is spherical,the number of prefabricated fragments is the least in warhead, but the average speed of the prefabricated fragment is the highest;the shape of the prefabricated fragments is triangular prism,the number of prefabricated fragments in the warhead is the highest, but the average flying speed of the prefabricated fragments is the lowest.Compare the scattering effect of four preformed fragments,the overall effect of cube precast fragmentation is relatively orderly,triangular prism prefabricated fragments of the scattering is more intensive.The warhead of combines the precast fragment warhead with the EFP warhead,the liner has a certain influence on the velocity of precast fragmentation,the existence of the liner also influences the propagation of detonation wave in the drug column.

EFP; prefabricated fragments; numerical simulation

2017-08-09；

2017-08-30

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11572291)；山西省研究生聯(lián)合培養(yǎng)基地人才培養(yǎng)資助項(xiàng)目(20160033)

史志鑫(1993—)，男，碩士研究生，主要從事彈藥工程與毀傷技術(shù)研究。

10.11809/scbgxb2017.12.008

本文引用格式：史志鑫，尹建平，王志軍.預(yù)制破片的形狀對(duì)破片飛散性能影響的數(shù)值模擬研究[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(12):31-35.

formatSHI Zhixin，YIN Jianping，WANG Zhijun.Numerical Simulation of the Influence of Prefabricated Fragments Shape on Fragment Scattering Performance[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(12):31-35.

TJ413

A

2096-2304(2017)12-0031-05

(責(zé)任編輯周江川)