相對(duì)速度對(duì)隨進(jìn)戰(zhàn)斗部影響的仿真研究

張樂(lè)源，李永勝，王偉力，宋之勇，白連建，王海生

(1.海裝重慶局，重慶 402760;2.海軍航空工程學(xué)院 兵器科學(xué)與技術(shù)系，山東 煙臺(tái) 264001;3.中國(guó)人民解放軍92514部隊(duì)，山東 煙臺(tái) 264001)

0 引言

串聯(lián)戰(zhàn)斗部的毀傷機(jī)理是利用前級(jí)成型裝藥壓潰藥型罩，形成金屬射流或EFP對(duì)目標(biāo)進(jìn)行毀傷;后級(jí)戰(zhàn)斗部隨進(jìn)侵徹與爆破，從而對(duì)硬目標(biāo)、艦艇、人員、裝備等造成高效的毀傷。對(duì)于串聯(lián)戰(zhàn)斗部，第1級(jí)裝藥量較大，2級(jí)間距較小，第1級(jí)爆炸會(huì)對(duì)第2級(jí)產(chǎn)生重要的影響［1－5］。這些影響主要包括以下幾方面:

1)爆炸后形成的空氣沖擊波超壓對(duì)第2級(jí)戰(zhàn)斗部的作用，沖擊波超壓可能損壞第2級(jí)彈體，甚至可能引爆第2級(jí)裝藥;

2)空氣沖擊波和爆轟產(chǎn)物直接作用在第2級(jí)彈體上，產(chǎn)生較大的沖量，結(jié)果會(huì)使第2級(jí)戰(zhàn)斗部的速度降低，并且可能引起第2級(jí)戰(zhàn)斗部姿態(tài)的改變，從而使第2級(jí)戰(zhàn)斗部不能順利穿進(jìn)由第1級(jí)戰(zhàn)斗部爆炸在目標(biāo)靶上所侵徹的孔洞內(nèi)。

本文針對(duì)王偉力、李永勝［1－2］等設(shè)計(jì)的用于串聯(lián)戰(zhàn)斗部的環(huán)形切割器，運(yùn)用ANSYS/LS－DYNA軟件，對(duì)在不同的前后級(jí)相對(duì)速度條件下，該環(huán)形切割器對(duì)隨進(jìn)戰(zhàn)斗部的影響進(jìn)行數(shù)值仿真，為串聯(lián)戰(zhàn)斗部隔爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 環(huán)形切割器和隨進(jìn)戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)和材料模型

1.1 環(huán)形切割器和隨進(jìn)戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)模型

環(huán)形切割器和隨進(jìn)戰(zhàn)斗部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。數(shù)值計(jì)算時(shí)不考慮由于零件制造、裝配等造成的不對(duì)稱(chēng)性，不考慮其他部件的影響。模型假設(shè):1)環(huán)形切割器的炸藥、藥型罩、殼體，空氣和隨進(jìn)戰(zhàn)斗部的殼體、炸藥為均勻連續(xù)介質(zhì);2)整個(gè)爆炸過(guò)程為絕熱過(guò)程;3)忽略重力的作用。

圖1 環(huán)形切割器和隨進(jìn)戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.1 The structural design of annular cutter and following warhead

為研究處于不同隨進(jìn)狀態(tài)的隨進(jìn)戰(zhàn)斗部受環(huán)形切割器起爆后空氣沖擊波作用的響應(yīng)規(guī)律，根據(jù)實(shí)際需要采用ANSYS/LS－DYNA軟件，建立“環(huán)形切割器+隨進(jìn)戰(zhàn)斗部”的串聯(lián)戰(zhàn)斗部模型，根據(jù)對(duì)稱(chēng)性，為簡(jiǎn)化計(jì)算采用1/4模型，如圖2所示。其中隨進(jìn)戰(zhàn)斗部與環(huán)形切割器的相對(duì)速度v分別為0 m/s，300 m/s，600 m/s。

模型由環(huán)形切割器的炸藥、藥型罩、殼體、空氣、隨進(jìn)戰(zhàn)斗部殼體及炸藥6部分組成。將環(huán)形切割器炸藥、藥型罩、殼體和空氣4種材料采用Euler網(wǎng)格單元?jiǎng)澐郑谟?jì)算中單元使用多物質(zhì)ALE算法，克服了單元嚴(yán)重畸變引起的數(shù)值計(jì)算困難的問(wèn)題。隨進(jìn)戰(zhàn)斗部的殼體和裝藥2種材料采用Lagrange網(wǎng)格單元?jiǎng)澐帧?/p>

為保證計(jì)算的精確可靠性，在空氣域四周設(shè)置透射邊界，避免沖擊波在空氣域邊界反射造成的誤差。對(duì)于整個(gè)模型，在對(duì)稱(chēng)面上施加對(duì)稱(chēng)約束。空氣域四周設(shè)置透射邊界，起爆方式為環(huán)形起爆，爆轟波按非直線(xiàn)方式傳播。計(jì)算時(shí)間為200 μs，并記錄環(huán)形切割器及周?chē)諝庥蚝碗S進(jìn)戰(zhàn)斗部加速度、速度、壓力等參數(shù)。

圖2 環(huán)形切割器和隨進(jìn)戰(zhàn)斗部仿真模型Fig.2 The simulation model of annular cutter and following warhead

1.2 環(huán)形切割器和隨進(jìn)戰(zhàn)斗部材料模型

表1 空氣材料參數(shù)Tab.1 Air material parameters

表2 B炸藥材料參數(shù)Tab.2 B explosive matlrial parameters

表3 殼體鋼材料的參數(shù)Tab.3 The case steel material parameters

表4 藥型罩紫銅材料參數(shù)Tab.4 Liner copper material parameters

2 不同相對(duì)速度對(duì)隨進(jìn)戰(zhàn)斗部影響的數(shù)值計(jì)算結(jié)果

探討環(huán)形切割器起爆后對(duì)不同相對(duì)速度 (v=0 m/s，v=300 m/s，v=600 m/s)的隨進(jìn)戰(zhàn)斗部加速度、速度、壓力等的影響。

2.1 v=0 m/s時(shí)

1)隨進(jìn)戰(zhàn)斗部加速度曲線(xiàn)如圖3所示。從圖中可以看出，隨進(jìn)戰(zhàn)斗部受到前級(jí)聚能裝藥產(chǎn)生的加速度從沖擊波到達(dá)隨進(jìn)彈頭部開(kāi)始，當(dāng)沖擊波陣面到達(dá)隨進(jìn)戰(zhàn)斗部錐體中段時(shí)，戰(zhàn)斗部加速度最大值為3.18×105m/s2;當(dāng)沖擊波陣面掃過(guò)隨進(jìn)戰(zhàn)斗部錐體和柱體結(jié)合部附近時(shí)，加速度逐漸下降，加速度持續(xù)作用時(shí)間較長(zhǎng)，約為60 μs。

圖3 隨進(jìn)戰(zhàn)斗部加速度變化曲線(xiàn) (v=0 m/s)Fig.3 The acceleration curve of following warhead(v=0 m/s)

2)隨進(jìn)戰(zhàn)斗部速度變化曲線(xiàn)如圖4所示。從圖中可以看到，隨進(jìn)戰(zhàn)斗部受沖擊波作用為120 μs達(dá)到向后運(yùn)動(dòng)的最大速度為12.6 m/s。

圖4 隨進(jìn)戰(zhàn)斗部速度變化曲線(xiàn) (v=0 m/s)Fig.4 The velocity curve of following warhead(v=0 m/s)

3)隨進(jìn)戰(zhàn)斗部殼體最大主應(yīng)力為1164 MPa，如圖5所示。最大應(yīng)力出現(xiàn)在戰(zhàn)斗部頂端附近一個(gè)面區(qū)域內(nèi);隨進(jìn)戰(zhàn)斗部裝藥最大壓力出現(xiàn)在裝藥的頂端，且最大壓力為690.7 MPa。

2.2 v=300 m/s時(shí)

圖5 隨進(jìn)戰(zhàn)斗部殼體和裝藥表面最大壓力 (v=0 m/s)Fig.5 The maximum pressure of following warhead and charge surface(v=0m/s)

1)隨進(jìn)戰(zhàn)斗部加速度曲線(xiàn)如圖6所示。從圖中可以看出，隨進(jìn)戰(zhàn)斗部受到前級(jí)聚能裝藥產(chǎn)生的加速度從沖擊波到達(dá)隨進(jìn)彈頭部開(kāi)始，當(dāng)沖擊波陣面到達(dá)隨進(jìn)戰(zhàn)斗部錐體中段時(shí)，戰(zhàn)斗部加速度最大，最大值為4.08×105m/s2，當(dāng)沖擊波陣面掃過(guò)隨進(jìn)戰(zhàn)斗部錐體和柱體結(jié)合部附近時(shí)，加速度逐漸下降，加速度持續(xù)作用時(shí)間較長(zhǎng)，約為50 μs。

圖6 隨進(jìn)戰(zhàn)斗部加速度變化曲線(xiàn) (v=300 m/s)Fig.6 The acceleration curve of following warhead(v=300m/s)

2)隨進(jìn)戰(zhàn)斗部速度變化曲線(xiàn)如圖7所示。從圖中可以看到，隨進(jìn)戰(zhàn)斗部受沖擊波作用為100 μs，運(yùn)動(dòng)速度最后降為285.2 m/s。

圖7 隨進(jìn)戰(zhàn)斗部速度變化曲線(xiàn) (v=300 m/s)Fig.7 The velocity curve of following warhead(v=300 m/s)

3)隨進(jìn)戰(zhàn)斗部殼體最大主應(yīng)力為1153 MPa，如圖8所示，最大應(yīng)力出現(xiàn)在戰(zhàn)斗部頂端附近的一個(gè)區(qū)域內(nèi);隨進(jìn)戰(zhàn)斗部裝藥最大壓力出現(xiàn)在頂端，為911.3 MPa。

圖8 隨進(jìn)戰(zhàn)斗部殼體和裝藥表面最大壓力 (v=300 m/s)Fig.8 The maximum pressure of following warhead and charge surface(v=300 m/s)

2.3 v=600 m/s時(shí)

1)隨進(jìn)戰(zhàn)斗部加速度曲線(xiàn)如圖9所示。從圖中可以看出，隨進(jìn)戰(zhàn)斗部受到前級(jí)聚能裝藥產(chǎn)生的加速度從沖擊波到達(dá)隨進(jìn)彈頭部開(kāi)始，當(dāng)沖擊波陣面到達(dá)隨進(jìn)戰(zhàn)斗部錐體中段時(shí)，戰(zhàn)斗部加速度最大，最大值為5.08×105m/s2;當(dāng)沖擊波陣面掃過(guò)隨進(jìn)戰(zhàn)斗部錐體和柱體結(jié)合部附近時(shí)，加速度逐漸下降，加速度持續(xù)作用時(shí)間較長(zhǎng)，約為50 μs。

圖9 隨進(jìn)戰(zhàn)斗部加速度變化曲線(xiàn) (v=600 m/s)Fig.9 The acceleration curve of following warhead(v=600 m/s)

2)隨進(jìn)戰(zhàn)斗部速度變化曲線(xiàn)如圖10所示。從圖中可以看到，隨進(jìn)戰(zhàn)斗部受沖擊波作用為100 μs，運(yùn)動(dòng)速度最后降為582.7 m/s。

圖10 隨進(jìn)戰(zhàn)斗部速度變化曲線(xiàn) (v=600 m/s)Fig.10 The velocity curve of following warhead(v=600 m/s)

3)隨進(jìn)戰(zhàn)斗部受力情況如圖11所示。其中殼體主應(yīng)力最大為1155 MPa;裝藥最大壓力為1287 MPa，出現(xiàn)在距裝藥頂端5.2 cm處;隨進(jìn)戰(zhàn)斗部的速度降為18 m/s。

圖11 隨進(jìn)戰(zhàn)斗部殼體和裝藥表面最大壓力 (v=600 m/s)Fig.11 The maximum pressure of following warhead and charge surface(v=600 m/s)

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)利用ANSYS/LS－DYNA軟件進(jìn)行環(huán)形切割器對(duì)隨進(jìn)戰(zhàn)斗部影響的數(shù)值仿真，對(duì)仿真結(jié)果分析得到如下結(jié)論:

1)隨著2級(jí)戰(zhàn)斗部間相對(duì)速度的增加，隨進(jìn)戰(zhàn)斗部受前級(jí)環(huán)形切割器爆炸沖擊作用時(shí)的加速度逐漸增大，速度落差也逐漸增大。最終在600 m/s時(shí)，將引爆隨進(jìn)戰(zhàn)斗部的裝藥，進(jìn)而導(dǎo)致串聯(lián)戰(zhàn)斗部失去其價(jià)值。

2)隨進(jìn)戰(zhàn)斗部殼體頂端附近區(qū)域處主應(yīng)力最大，后端圓柱段主應(yīng)力較小;當(dāng)隨進(jìn)戰(zhàn)斗部以低于300 m/s速度隨進(jìn)時(shí)，裝藥最大壓力低于1.0 GPa;而當(dāng)隨進(jìn)戰(zhàn)斗部以600 m/s速度隨進(jìn)時(shí)，裝藥最大壓力超過(guò)1.0 GPa。通常認(rèn)為，隨進(jìn)戰(zhàn)斗部裝藥壓力不超過(guò)1.0 GPa就不足以引爆炸藥［5］，因此串聯(lián)戰(zhàn)斗部要添加必要的隔爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

［1］李永勝，王偉力，姜濤.用于串聯(lián)戰(zhàn)斗部的環(huán)形切割器優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2010，30(2):93－96.

［2］王偉力，李永勝，田傳勇.串聯(lián)戰(zhàn)斗部前級(jí)環(huán)形切割器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］.火炸藥學(xué)報(bào)，2011，34(2):39－43.

［3］王健，阮文俊.串聯(lián)隨進(jìn)戰(zhàn)斗部前后級(jí)影響數(shù)值仿真［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2010，22(9):2231 －2234.

［4］曾必強(qiáng)，姜春蘭，嚴(yán)翰新，等.串聯(lián)攻堅(jiān)戰(zhàn)斗部前級(jí)爆轟場(chǎng)對(duì)隨進(jìn)彈隨進(jìn)影響分析［J］.兵工學(xué)報(bào)，2010，31(S1):162－166.

［5］涂侯杰，惲壽榕，趙衡陽(yáng).破爆型串聯(lián)戰(zhàn)斗部第一級(jí)對(duì)第二級(jí)影響的研究［J］.兵工學(xué)報(bào)，1994(3):18－22.