趙飛揚(yáng)，王志軍，尹建平，王雪飛，王少宏，賈子健

(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/MEFP組合式戰(zhàn)斗部數(shù)值仿真

趙飛揚(yáng)，王志軍，尹建平，王雪飛，王少宏，賈子健

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

研究了一種組合式戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)，利用ANSYS/LS-DYNA軟件對其成型過程進(jìn)行數(shù)值模擬。仿真結(jié)果表明：該新型預(yù)制破片/MEFP組合式戰(zhàn)斗部可以形成速度高、數(shù)量多、殺傷面積大的多個(gè)毀傷元。MEFP毀傷元穿孔深而大，并且可以有效提高預(yù)制破片的密集度。此外還研究了起爆方式對毀傷元的影響，結(jié)果表明中心起爆方式形成的毀傷元速度高，密度分布較差，EFP飛行方向較為發(fā)散；環(huán)形起爆可以形成穩(wěn)定軸向飛行的EFP，速度比較低。

爆炸成型彈丸；預(yù)制破片；組合式戰(zhàn)斗部；數(shù)值模擬

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，由于戰(zhàn)場目標(biāo)的多樣化，根據(jù)目標(biāo)特性，針對不同目標(biāo)使用不同毀傷效果的戰(zhàn)斗部可得到事半功倍的效果。常規(guī)毀傷戰(zhàn)斗部中一般只包含單一毀傷元形式，如破片戰(zhàn)斗部，通過炸藥驅(qū)動(dòng)殼體碎片形成有效毀傷元，一般用于殺傷人員、無裝甲或輕裝甲車輛、直升機(jī)等；聚能毀傷戰(zhàn)斗部，通過爆轟產(chǎn)物壓跨藥型罩形成聚能射流或者爆炸成型彈丸對坦克或者其他裝甲車輛進(jìn)行毀傷[1]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對組合毀傷戰(zhàn)斗部進(jìn)行了一定的研究。組合毀傷戰(zhàn)斗部即單一戰(zhàn)斗部可形成兩個(gè)或多個(gè)毀傷元形式，通過調(diào)整戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)，使多種毀傷元相互配合，對目標(biāo)產(chǎn)生更加高效的打擊[2]。Blache等[3]研究了MEFP對輕量級裝甲目標(biāo)的毀傷效果。Fong等[4]研究了藥型罩材料和炸藥性能對 MEFP成型的影響。周翔等[5]研究了 MEFP戰(zhàn)斗部的徑向飛散問題，分析了MEFP結(jié)構(gòu)中彈丸飛散角與填充物以及相鄰子裝藥間距之間的關(guān)系。趙長嘯等[6]設(shè)計(jì)了一種新型整體式多爆炸成型彈丸，可以一次產(chǎn)生7枚形狀良好的彈丸。

為了彌補(bǔ)常規(guī)戰(zhàn)斗部毀傷元與毀傷形式單一的缺陷，更高效地利用戰(zhàn)斗部爆轟產(chǎn)生的能量，適應(yīng)多樣性目標(biāo)，本文將研究一種新型的，將預(yù)制破片與整體式多爆炸成型彈丸結(jié)合的組合式毀傷結(jié)構(gòu)戰(zhàn)斗部。這種戰(zhàn)斗部在引爆裝藥后，將同時(shí)形成多個(gè)EFP毀傷元與預(yù)制破片毀傷元，形成多個(gè)毀傷元同時(shí)存在的彈幕，在提高破甲威力的同時(shí)大幅度提高了對空中目標(biāo)的殺傷概率，可以有效的對飛行器、導(dǎo)彈、裝甲目標(biāo)與人員造成毀傷。是一種多用途同時(shí)具有大威力的戰(zhàn)斗部，對其進(jìn)行研究具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 計(jì)算模型

本文所設(shè)計(jì)的新型組合式毀傷元防空反導(dǎo)穿甲戰(zhàn)斗部是由5個(gè)藥型罩和32個(gè)預(yù)制破片組成的。藥型罩和預(yù)制破片設(shè)計(jì)在軸向，預(yù)制破片呈球缺狀排列，具有定向聚焦的效應(yīng)，增加在目標(biāo)方向上破片的數(shù)量和速度，將能量集中，提高殺傷力。因?yàn)閼?zhàn)斗部具有軸對稱的性質(zhì)，考慮到計(jì)算量的簡化，節(jié)約計(jì)算時(shí)間，建立1/4模型并設(shè)置對稱邊界。為了固定藥型罩和裝藥，前端設(shè)置一個(gè)擋板。起爆點(diǎn)安裝在軸向頂端，設(shè)置不同起爆方式來研究對于毀傷元成型的影響。

1.1 幾何模型的建立

幾何模型采用如圖1所示的戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu),其中計(jì)算裝藥為8701炸藥，裝藥直徑CD=100 mm。藥型罩采用五個(gè)球缺罩，藥型罩直徑是D=18 mm，材料為紫銅，其中一個(gè)中心與戰(zhàn)斗部同軸，其余四個(gè)軸線與中心軸相距25 mm，每個(gè)藥型罩相距90°，曲率半徑為20 mm。破片每個(gè)直徑是3 mm，分布在軸向最外側(cè)，每層36個(gè)，一共設(shè)置兩層預(yù)制破片，一共72個(gè)。預(yù)制破片的材料為鎢，擋圈材料為45#鋼。

1.2 有限元模型的建立及網(wǎng)格劃分

在對新型防空反導(dǎo)戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行有限元計(jì)算的過程中，結(jié)構(gòu)材料參數(shù)的選取和有限元網(wǎng)格的劃分對計(jì)算精度和真實(shí)性起著關(guān)鍵性作用，為了增加數(shù)值計(jì)算的真實(shí)性和可靠性，選擇LS-DYNA 軟件，但是由于該軟件只能建立簡單的有限元結(jié)構(gòu)模型，比較復(fù)雜的需要借助其它前處理軟件，本文選用擁有輸出接口豐富 True Grid 軟件建立其中的復(fù)雜模型。

圖1 戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)幾何模型

本文運(yùn)用Truegrid前處理軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立如圖2所示的預(yù)制破片/MEFP組合式戰(zhàn)斗部的有限元模型。由于該結(jié)構(gòu)為軸對稱結(jié)構(gòu)，所以有限元模型采用1/4結(jié)構(gòu)劃分網(wǎng)格并添加對稱約束的方式來以減少模型單元數(shù)目，節(jié)約計(jì)算時(shí)間，即限制模型對稱界面中節(jié)點(diǎn)移動(dòng)和自由旋轉(zhuǎn)。為簡化計(jì)算，本文模型中不考慮殼體影響，僅考慮藥型罩、炸藥和預(yù)制破片和擋圈的影響?？紤]到要觀察多EFP復(fù)雜的形態(tài)，選用拉格朗日算法來模擬EFP的形成過程。網(wǎng)格單元選用solid164八節(jié)點(diǎn)六面體單元。藥型罩采用*MAT_JOHNSON_COOK材料模型和GRUNEISEN狀態(tài)方程，炸藥采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型、JWL狀態(tài)方程。預(yù)制破片使用*MAT_ELASTIC。擋圈使用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC[7]。使用的單位制為：mm-ms-kg-GPa。

圖2 戰(zhàn)斗部有限元模型

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1 預(yù)制破片/MEFP組合式戰(zhàn)斗部成型過程

為研究該戰(zhàn)斗部的成型機(jī)理，通過對裝藥口徑為CD=100 mm，裝藥長徑比為0.8，曲率半徑R=20 mm，藥型罩壁厚為δ=2 mm的帶擋環(huán)的裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，起爆方式為頂端環(huán)形起爆，在裝藥頂端每隔45°設(shè)置一個(gè)起爆點(diǎn)，一共設(shè)置8個(gè)起爆點(diǎn)。

如圖3所示，主裝藥起爆后大約15 μs，藥型罩受到炸藥爆轟壓力和爆轟產(chǎn)物的沖擊和推動(dòng)作用，開始被壓垮變形，在22 μs時(shí)，罩頂微元首先被壓垮變形，藥型罩了發(fā)生翻轉(zhuǎn)，罩壁微元向?qū)ΨQ中心集中，在對稱中心發(fā)生堆積并且發(fā)生相互擠壓、碰撞，藥型罩被壓合形成彈丸的形狀向前高速運(yùn)動(dòng)。四周的藥型罩因?yàn)槭艿經(jīng)_擊波作用的情況不同，形成向前壓垮形EFP。由于有速度梯度，EFP會(huì)在運(yùn)動(dòng)中被逐漸拉長。最終在t=32 μs時(shí)，侵徹體頭尾速度趨于一致，速度差小于20 m/s，形成穩(wěn)定的EFP。

通過圖3可以明顯的觀察到在傳統(tǒng)的圓柱形裝藥結(jié)構(gòu)中，在炸藥端面中心起爆后，爆轟波在6 μs 時(shí)傳播到軸向預(yù)制破片，在8 μs時(shí)傳播到了藥型罩。

圖4為圓柱形裝藥環(huán)形起爆軸向預(yù)制破片與EFP平均加速度曲線和平均速度歷程曲線。球形預(yù)制破片在爆轟波驅(qū)動(dòng)作用下開始向前做加速逐漸增大的加速運(yùn)動(dòng)。在12 μs 時(shí)加速度達(dá)到最大，最大值為1.65×102m/(如圖4下排二圖所示之圓柱形裝藥軸向預(yù)制破片平均加速度曲線)，隨后開始做加速逐漸減小的加速運(yùn)動(dòng)，在20 μs 速度基本達(dá)到相對穩(wěn)定。藥型罩在10 μs時(shí)加速度達(dá)到最大值，最大值為3.6×102m/(如圖4上排二圖所示之圓柱形裝藥軸向EFP平均加速度曲線所示)，隨后開始做加速逐漸減小的加速運(yùn)動(dòng)，在20 μs 速度基本達(dá)到相對穩(wěn)定，首尾速度差逐漸減小，基本達(dá)到了穩(wěn)定飛行的狀態(tài)。最終速度為1 750 m/s。

圖3 環(huán)形起爆時(shí)不同時(shí)刻形成侵徹體的外形

圖4 圓柱形裝藥環(huán)形起爆軸向預(yù)制破片(下排)與EFP(上排)平均加速度(左列)和平均速度(右列)歷程曲線

2.2 不同起爆方式對于成型結(jié)果的影響

由于該戰(zhàn)斗部的長徑比比較小，而起爆方式不同，炸藥中爆轟波傳播的方式有很大差別。在中心起爆的條件下爆轟波傳播的方式是一個(gè)球面。爆轟波會(huì)首先傳播到中央的藥型罩，再以偏心的方式傳播到四周的藥型罩上。這種爆轟波的傳播方式會(huì)導(dǎo)致四周的EFP成型是偏心的，在空中的運(yùn)動(dòng)方式是由中心向外發(fā)散的，形成的EFP的飛行穩(wěn)定性也必將受到影響。環(huán)形起爆的方式是在炸藥的頂端設(shè)置數(shù)個(gè)起爆點(diǎn)，同時(shí)起爆。起爆點(diǎn)越多，炸藥形成的爆轟波的形狀就越接近一個(gè)平面。在起爆點(diǎn)趨于無限多的情況下就達(dá)到了面起爆的效果。平面型爆轟波會(huì)使各個(gè)藥型罩同時(shí)受到爆轟波的驅(qū)動(dòng)，同時(shí)形成EFP，并且形成的EFP飛行的方向是一致的，EFP的飛行穩(wěn)定性會(huì)提高。

為了研究不同起爆方式對于預(yù)制破片/MEFP組合式戰(zhàn)斗部毀傷元成型的影響，本文對于中心起爆的方式進(jìn)行了討論。

戰(zhàn)斗部的結(jié)構(gòu)參數(shù)與環(huán)形起爆完全相同，起爆方式為中心起爆。

圖5所示為中心起爆時(shí)不同時(shí)刻形成侵徹體的外形。

圖5 中心起爆時(shí)不同時(shí)刻形成侵徹體的外形

如圖5所示，由于炸藥材料沒有改變，爆速與爆轟波的傳播速度與環(huán)形起爆相同，主裝藥同樣起爆后大約15 μs，藥型罩受到炸藥爆轟壓力和爆轟產(chǎn)物的沖擊和推動(dòng)作用，開始被壓垮變形。在22 μs時(shí)，罩頂微元首先被壓垮變形，藥型罩被壓垮，罩壁微元向?qū)ΨQ中心集中，在對稱中心發(fā)生堆積并且發(fā)生相互擠壓、碰撞，藥型罩被壓合形成彈丸的形狀向前高速運(yùn)動(dòng)。所有的藥型罩都形成了形成向前壓垮形EFP。EFP會(huì)在運(yùn)動(dòng)中被逐漸拉長后，最終在t=40 μs時(shí)，侵徹體頭尾速度趨于一致，速度差小于20 m/s，形成穩(wěn)定的EFP。

由于中心起爆所形成的爆轟波是一個(gè)球面，所以預(yù)制破片的飛散角明顯大于環(huán)形起爆時(shí)預(yù)制破片的飛散角。破片由中心向外圈飛散，定向效果減弱，在一定范圍內(nèi)殺傷力減小，但是殺傷范圍增加。EFP飛散的方向同樣向外擴(kuò)張，而環(huán)形起爆時(shí)EFP飛行的方向是近似同向的。

圖6所示為圓柱形裝藥中心起爆軸向預(yù)制破片與EFP平均加速度和平均速度歷程曲線。

由圖6可以看出，中心起爆時(shí)EFP和預(yù)制破片受到炸藥驅(qū)動(dòng)的時(shí)間基本相同，最終預(yù)制破片的速度穩(wěn)定在 1 200 m/s，EFP的速度穩(wěn)定在3 000 m/s。可以發(fā)現(xiàn)，中心起爆方式由于對炸藥利用比較充分，產(chǎn)生的毀傷元速度比較高，殺傷半徑也比較大。

2.3 仿真結(jié)果與分析

通過對預(yù)制破片/MEFP組合式戰(zhàn)斗部進(jìn)行的數(shù)值仿真，得到了爆轟驅(qū)動(dòng)藥型罩和破片毀傷元的全過程。得到了每個(gè)預(yù)制破片和EFP的形狀、空間分布和速度分布。

圖7所示為圓柱形裝藥軸向預(yù)制破片中心起爆和環(huán)形起爆內(nèi)外圈破片的速度曲線。

圖6 圓柱形裝藥中心起爆軸向預(yù)制破片(下排)與EFP(上排)平均加速度(左列)和平均速度(右列)歷程曲線

圖7 圓柱形裝藥中心起爆(左)和環(huán)形起爆(右)軸向預(yù)制破片內(nèi)外圈的速度曲線

環(huán)形起爆時(shí)，里圈破片的速度最終穩(wěn)定在1 000 m/s左右，外圈破片的速度最終穩(wěn)定在800 m/s。中心起爆時(shí)，內(nèi)圈預(yù)制破片的速度穩(wěn)定在1 100 m/s左右，外圈預(yù)制破片的速度穩(wěn)定在1 300 m/s左右。由此可見，內(nèi)外圈預(yù)制破片的速度差接近。中心起爆時(shí)對于炸藥的利用比較充分，所以預(yù)制破片的速度較高，飛散角較大；環(huán)形起爆時(shí)的定向性好。

3 結(jié)論

1) 本文研究了一種新型的組合式戰(zhàn)斗部的結(jié)構(gòu)，可以生成預(yù)制破片與MEFP兩種毀傷元；兩種毀傷元均可以對于導(dǎo)彈之類的空中目標(biāo)造成有效打擊，對于防空反導(dǎo)有重要意義。

2) 起爆方式對于該戰(zhàn)斗部的影響很大，環(huán)形起爆時(shí)MEFP具有較好的成型效果，同時(shí)可以得到較好的破片群密度分布和驅(qū)動(dòng)速度。中心起爆時(shí)MEFP和預(yù)制破片具有較高的速度，但是飛行姿態(tài)差，向四周發(fā)散飛行，殺傷面積增大但是密度分布性差。在以后的研究中應(yīng)考慮分析逆序起爆對戰(zhàn)斗部的影響。

[1] 苗潤源,梁爭峰.防空反導(dǎo)用多爆炸成型彈丸技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].飛航導(dǎo)彈,2017(7):89-93.

[2] 戚康乾,李文彬,李偉兵,等.格柵結(jié)構(gòu)對復(fù)合毀傷戰(zhàn)斗部影響研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),2016,36(3):47-50,68.

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NumericalSimulationofPrefabricatedFragment/MEFPCombatWarhead

ZHAO Feiyang， WANG Zhijun， YIN Jianping， WANG Xuefei, WANG Shaohong, JIA Zijian

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

A new type of combined warhead structure, which can form prefabricated fragments and MEFP, is used to simulate the forming process of ANSYS/LS-DYNA software. The simulation results show that the new prefabricated fritters/MEFP combined warheads can form multiple damage elements with high speed, large quantity and large killing area. MEFP Damage Element has the characteristics of deep perforation and can cause large perforation. The prefabricated fragmentation group has the characteristics of large killing area and has the design of directional prefabricated warheads, which can effectively improve the density of prefabricated fragments. In addition, the effect of the detonation method on the damage element is studied. The results show that the damage rate of the center point is high, but the density distribution is poor and the EFP flight direction is more divergent. Ring initiation can form a stable axial flight of the EFP, but the speed is relatively low.

explosive forming projectile; prefabricated fragments; combined warhead; numerical simulation

2017-09-27；

2017-10-09

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11572291)；山西省研究生聯(lián)合培養(yǎng)基地人才培養(yǎng)項(xiàng)目資助項(xiàng)目(20160033)；中北大學(xué)第十四屆研究生科技立項(xiàng)項(xiàng)目(20171404)

趙飛揚(yáng)(1994—)，男，碩士，主要從事彈藥高效毀傷技術(shù)研究。

10.11809/scbgxb2017.12.013

本文引用格式：趙飛揚(yáng)，王志軍，尹建平，等.預(yù)制破片/MEFP組合式戰(zhàn)斗部數(shù)值仿真[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(12):52-56.

formatZHAO Feiyang， WANG Zhijun， YIN Jianping，et al.Numerical Simulation of Prefabricated Fragment/MEFP Combat Warhead[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(12):52-56.

TJ410.3

A

2096-2304(2017)12-0052-05

(責(zé)任編輯周江川)