李春雷,張志彪,王雨時(shí),嚴(yán) 曉,張玉峰,王秋和

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,南京 210094)

0 引言

單兵榴彈發(fā)射器所使用的小口徑破甲彈由于發(fā)射初速低、射程近,在彈丸著靶起爆或在外彈道起始段意外發(fā)火爆炸時(shí),彈底破片有回飛傷及射手的可能。若彈底破片過大,或者是整塊回飛,會(huì)造成更嚴(yán)重后果。

為了提高毀傷特性,V.M.Gold等[1]建立了殺傷戰(zhàn)斗部破片特性數(shù)學(xué)模型,并編制了相應(yīng)的計(jì)算程序,實(shí)例驗(yàn)證表明該模型及其計(jì)算程序預(yù)測(cè)結(jié)果較為準(zhǔn)確;隋樹元等[2]利用數(shù)學(xué)模型優(yōu)化設(shè)計(jì)了破片聚焦式戰(zhàn)斗部的結(jié)構(gòu)參數(shù);毛亮等[3]基于遺傳算法以某聚焦式破片殺傷戰(zhàn)斗部為例,對(duì)破片殺傷威力和戰(zhàn)斗部總質(zhì)量兩項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì);王雨時(shí)[4]根據(jù)《引信安全性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》關(guān)于延期解除保險(xiǎn)的要求運(yùn)用外彈道學(xué)、爆炸力學(xué)和威力設(shè)計(jì)理論,分析了不同形狀、不同質(zhì)量彈底破片在不同初速下的安全距離,即什么樣的彈底破片對(duì)射手的威脅最小。

為了解決某小口徑榴彈發(fā)射器破甲彈平底結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)中出現(xiàn)整塊彈底破片回飛現(xiàn)象存在的安全性隱患問題,采用數(shù)值模擬方法對(duì)彈底結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì),并結(jié)合發(fā)射強(qiáng)度的校核計(jì)算,給出滿足強(qiáng)度要求且彈底破片較小、安全性較好的破甲彈結(jié)構(gòu)參數(shù),為小口徑破甲彈結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)提供參考。

1 仿真可信性說明

M406殺傷榴彈彈體結(jié)構(gòu)(不含引信)如圖1所示。其中圖1(a)為原始結(jié)構(gòu)。為了便于在ANSYS/LS-DYNA中建立模型和劃分網(wǎng)格,并節(jié)約在AUTO DYN-3D中的計(jì)算時(shí)間,將圖1(a)簡化為圖1(b)結(jié)構(gòu),即取消了傳爆管,以部分主裝藥代替。

M406殺傷榴彈除引信外的各結(jié)構(gòu)在數(shù)值模擬中對(duì)應(yīng)的材料分別為:炸藥裝藥為B炸藥;下彈體圓柱形殼體為20號(hào)鋼;下彈體球形殼體為10號(hào)鋼;上彈體為2024鋁合金。具體的材料模型和部分參數(shù)如表2所列。其中,上、下彈體均采用Johnson Cook強(qiáng)度模型和主應(yīng)變失效,失效應(yīng)變分別為0.5和0.6。

表1 破甲彈數(shù)值模擬各部分材料模型及部分參數(shù)[5,9]

采用顯式動(dòng)力學(xué)仿真軟件AUTODYN-3D對(duì)破甲彈彈體爆炸破碎過程進(jìn)行數(shù)值模擬,全彈包括炸藥裝藥、上彈體和下彈體均采用Lagrange算法,劃分成六面體占優(yōu)網(wǎng)格,網(wǎng)格尺寸約為0.3 mm。鋁合金破片的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果列入表2。

表2 鋁合金破片的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

表2仿真結(jié)果中破片的質(zhì)量都是經(jīng)過質(zhì)量損失修正,仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差在可接受范圍內(nèi),因此利用上述仿真方法對(duì)某破甲彈進(jìn)行仿真,得到的結(jié)果是可信的。

2 數(shù)值模擬方法和初步結(jié)果

該破甲彈彈體結(jié)構(gòu)(不含引信)如圖2所示。其中圖2(a)為原始結(jié)構(gòu)。為了便于在ANSYS/LS-DYNA中建立模型和劃分網(wǎng)格,并節(jié)約在AUTO DYN-3D中的計(jì)算時(shí)間,將圖2(a)簡化為圖2(b)結(jié)構(gòu)。圖2(b)取消了傳爆管(以部分主裝藥代替)。為便于建模,未考慮彈口螺紋結(jié)構(gòu)。

2.1 數(shù)值模擬計(jì)算模型

采用上一章所述仿真方法對(duì)破甲彈彈體爆炸破碎過程進(jìn)行數(shù)值模擬。

考慮到數(shù)值模擬的主要關(guān)注點(diǎn)在彈體底部的破碎情況,因而為了提高計(jì)算效率,全彈包括炸藥裝藥、藥型罩、上彈體和下彈體均采用Lagrange算法,并劃分成六面體占優(yōu)網(wǎng)格,網(wǎng)格尺寸約為0.5 mm。

2.2 數(shù)值模擬材料模型

破甲彈除引信外的各結(jié)構(gòu)在數(shù)值模擬中對(duì)應(yīng)的材料分別為:炸藥裝藥為JH-2;藥型罩為Cu-OFHC;下彈體為2024鋁合金;上彈體為高強(qiáng)度鋼。具體的材料模型和部分參數(shù)如表3所列。其中,藥型罩和上、下彈體均采用Johnson Cook強(qiáng)度模型。上、下彈體均采用主應(yīng)變失效,失效應(yīng)變分別為0.6和0.5。

表3 破甲彈數(shù)值模擬各部分材料模型及部分參數(shù)[5,7-8]

2.3 數(shù)值模擬初步結(jié)果

數(shù)值模擬采用點(diǎn)起爆方式,起爆點(diǎn)設(shè)置如圖2(b)所示。在計(jì)算機(jī)上對(duì)該破甲彈原始結(jié)構(gòu)[圖2(b)]的動(dòng)態(tài)破碎過程進(jìn)行計(jì)算。圖3所示為數(shù)值模擬得到的原始彈體68 μs時(shí)的破碎圖像,可看出彈底存在整塊的大型破片(碟狀)向后回飛,該破片重約9.947 g。該爆炸現(xiàn)象與試驗(yàn)?zāi)苡^察到的彈底破碎結(jié)果(破片大小)較為一致。

因此,采用上述軟件、計(jì)算模型和材料模型能夠較為準(zhǔn)確的模擬該小口徑破甲彈的爆炸破碎情況。

3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬

為了防止彈底產(chǎn)生較大破片,擬改進(jìn)彈底結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)改進(jìn)設(shè)計(jì)三種下彈體和相應(yīng)的裝藥結(jié)構(gòu)(上彈體與藥型罩結(jié)構(gòu)不變),并數(shù)值模擬其爆炸過程。

3.1 3 mm等壁厚球形彈底

圖4所示為3 mm等壁厚球形彈底結(jié)構(gòu),彈底隔板形狀由平面改為球面,厚度為3 mm。從理論上講,球面對(duì)應(yīng)的弧度越大,破碎性就越好,但裝藥工藝就越復(fù)雜?？紤]兩者之間的平衡,現(xiàn)將弧面對(duì)應(yīng)的圓心角取為88°。彈底以上結(jié)構(gòu)不變。

由AUTODYN-3D軟件對(duì)其爆炸過程進(jìn)行數(shù)值模擬后,得到如圖5所示的3 mm等壁厚球形彈底破碎圖像。彈底破碎為很多小破片,其中最大破片質(zhì)量0.17 g。該彈底結(jié)構(gòu)能避免產(chǎn)生大塊彈底破片。

3.2 4.4 mm等壁厚球形彈底

數(shù)值模擬結(jié)果顯示,彈底部分已較為均勻的破碎,最大破片質(zhì)量0.63 g。

3.3 十字刻槽型彈底

圖6為十字刻槽型彈底結(jié)構(gòu),由原彈底結(jié)構(gòu)從外側(cè)向內(nèi)加刻十字槽而成。最小厚度4.4 mm(槽深1.1 mm),最大厚度5.5 mm,裝藥量不變。

如圖7所示,數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)雖然加設(shè)了十字形刻槽,但仍會(huì)發(fā)生整塊彈底破片回飛現(xiàn)象,最大破片質(zhì)量7.30 g。因而十字刻槽型彈底結(jié)構(gòu)方案無法滿足減小彈底破片質(zhì)量的目標(biāo)。

4 各彈底結(jié)構(gòu)發(fā)射強(qiáng)度校核

該小口徑破甲彈由榴彈發(fā)射器發(fā)射,火藥氣體直接推動(dòng)彈丸向前飛行,最大膛壓為98 MPa。

根據(jù)彈底發(fā)射強(qiáng)度相關(guān)理論[6]計(jì)算可得原始結(jié)構(gòu)5.5 mm厚鋁合金制平底發(fā)射強(qiáng)度在98 MPa的最大膛壓下滿足要求。

由于彈底壁厚較薄,其壁厚比曲率半徑小得多,故其應(yīng)力可按薄壁容器公式計(jì)算。根據(jù)球形彈底發(fā)射強(qiáng)度相關(guān)理論[6]計(jì)算可知3 mm與4.4 mm等壁厚球形彈底發(fā)射強(qiáng)度在98 MPa的最大膛壓下均能滿足要求。由于理論計(jì)算將火藥氣體最大壓力時(shí)間假設(shè)為無窮大,所以所得結(jié)論會(huì)偏于保守。

由于十字槽彈底結(jié)構(gòu)復(fù)雜,借用簡單結(jié)構(gòu)的理論公式只是近似估算,故采用有限元數(shù)值模擬方法校核彈底強(qiáng)度。

彈底的等效載荷情況如圖8所示?，F(xiàn)估計(jì)彈底所受98 MPa的火藥氣體壓力持續(xù)時(shí)間為1 ms。P為火藥氣體壓力,Pi為裝填物后坐壓力。根據(jù)彈底發(fā)射強(qiáng)度相關(guān)理論[6]可計(jì)算出Pi的大小為33 MPa。

采用ANSYS Workbench 14.0對(duì)下彈體的應(yīng)力情況進(jìn)行數(shù)值模擬。約束下彈體上端面,如圖9所示對(duì)下彈體加載壓力,然后根據(jù)彈底強(qiáng)度校核相關(guān)理論[6]計(jì)算所得的慣性力(對(duì)下彈體加載一個(gè)與裝填物壓力方向相同,大小為481 210 m/s2的加速度)。將模型劃分成四面體網(wǎng)格,網(wǎng)格尺寸為1 mm,其中下彈體材料為2024鋁合金。

如圖9所示,十字槽彈底所受最大應(yīng)力處于十字槽中心部分,其值為574.88 MPa,該值大于2024鋁合金的許用應(yīng)力,因而該彈底結(jié)構(gòu)發(fā)射強(qiáng)度在98 MPa的最大膛壓下不滿足要求。

5 結(jié)論

通過結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核結(jié)果可知,原始設(shè)計(jì)的5.5 mm厚鋁合金制平底結(jié)構(gòu)發(fā)射強(qiáng)度在98 MPa的最大膛壓下滿足要求。但通過爆炸過程數(shù)值模擬結(jié)果可知該彈底結(jié)構(gòu)彈底破片過大,無法滿足減小彈底破片質(zhì)量的要求。

十字刻槽型彈底結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核結(jié)果為發(fā)射強(qiáng)度在98 MPa的最大膛壓下不滿足要求。同時(shí),由爆炸過程數(shù)值模擬結(jié)果可知,最大彈底破片質(zhì)量7.30 g,無法滿足減小彈底破片質(zhì)量的要求。

3 mm與4.4 mm等壁厚球形彈底的發(fā)射強(qiáng)度在98 MPa的最大膛壓下滿足要求,并且由爆炸過程數(shù)值模擬結(jié)果可知3 mm和4.4 mm等壁厚球形彈底產(chǎn)生的破片較小,質(zhì)量分別為0.17 g和0.63 g。因此3 mm等壁厚球形彈底為比較合適的彈底結(jié)構(gòu),產(chǎn)生的破片較小,對(duì)發(fā)射人員的威脅較小。