基于環(huán)形切割器的串聯(lián)戰(zhàn)斗部隔爆結(jié)構(gòu)的優(yōu)選

呂　進，王偉力，李永勝，傅　磊（海軍航空工程學(xué)院.兵器科學(xué)與技術(shù)系；.研究生管理大隊，山東煙臺264001）

?

基于環(huán)形切割器的串聯(lián)戰(zhàn)斗部隔爆結(jié)構(gòu)的優(yōu)選

呂進b，王偉力a，李永勝a，傅磊b
（海軍航空工程學(xué)院a.兵器科學(xué)與技術(shù)系；b.研究生管理大隊，山東煙臺264001）

摘要：硬質(zhì)聚氨酯具有剛度小、材質(zhì)松散、易于吸收爆炸能量的特點，是一種很好的隔爆材料。為了設(shè)計環(huán)形切割器與后級隨進戰(zhàn)斗部之間的隔爆裝置，利用LS-DNA分別進行了圓柱型、圓錐型、球缺型3種聚氨酯隔爆體的數(shù)值模擬研究。通過研究得出結(jié)論：球缺型結(jié)構(gòu)既節(jié)省材料，又可以更有效地降低前級產(chǎn)生的沖擊波對后級戰(zhàn)斗部的影響。該結(jié)論有助于帶環(huán)形切割器串聯(lián)戰(zhàn)斗部的隔爆設(shè)計。

關(guān)鍵詞：聚能裝藥；數(shù)值模擬；環(huán)形切割器；隔爆

近年來，我們對環(huán)形聚能裝藥的串聯(lián)戰(zhàn)斗部原理進行了數(shù)值仿真和原理驗證試驗研究[1-2]。宋之勇等人通過對前級環(huán)形切割器的優(yōu)化設(shè)計，在保證了環(huán)形射流對前級的毀傷效果前提下，基本消除了環(huán)形切割器中心侵徹體對后級戰(zhàn)斗部的影響[3]。在不考慮環(huán)形聚能裝藥的串聯(lián)戰(zhàn)斗部兩級間隔爆的情況下，前級裝藥爆炸會對后級隨進戰(zhàn)斗部產(chǎn)生顯著的影響：前級裝藥爆炸后形成的沖擊波超壓、破片和爆轟產(chǎn)物對后級隨進戰(zhàn)斗部的作用，一方面可能損壞或引爆后級隨進戰(zhàn)斗部；另一方面可能使后級隨進戰(zhàn)斗部的速度降低或姿態(tài)改變，從而使其不能順利穿進由前級戰(zhàn)斗部爆炸在目標(biāo)上產(chǎn)生的孔洞內(nèi)。因此，必須對環(huán)形聚能裝藥的串聯(lián)戰(zhàn)斗部進行前后兩級間的隔爆材料以及結(jié)構(gòu)進行研究[4-9]。前期通過研究，已經(jīng)確定了選用硬質(zhì)聚氨酯這種剛度小、材質(zhì)松散、易于吸收爆炸能量的材料作為前后級隔爆材料[10]。

1　有限元模型

1.1串聯(lián)戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)模型

本文在環(huán)形切割器結(jié)構(gòu)和隔爆體材料確定的前提下建立串聯(lián)戰(zhàn)斗部隔爆模型，模型由環(huán)形切割器的裝藥、藥型罩、殼體、空氣、后級隨進戰(zhàn)斗部和隔爆體組成。為簡化計算，采用1/4模型，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　串聯(lián)戰(zhàn)斗部隔爆模型示意圖Fig.1 Diagram of tandem warhead eplosion model

隔爆體分別選擇圓柱型、圓錐型、球缺型3種結(jié)構(gòu)，1/4模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　不同形狀隔爆體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Different shapes of plame-proof bod

環(huán)形切割器的裝藥、藥型罩、空氣和隔爆體采用Euler網(wǎng)格單元劃分。在計算中，單元使用多物質(zhì)ALE算法；后級隨進戰(zhàn)斗部和環(huán)形切割器殼體采用Lagrange網(wǎng)格單元劃分。為保證計算精確和可靠性，在空氣域四周設(shè)置透射邊界，以避免沖擊波在空氣域邊界反射造成的誤差。對整個模型，在對稱面上施加對稱約束，環(huán)形切割器裝藥起爆方式為頂端環(huán)形起爆。

1.2材料模型及主要參數(shù)

前級環(huán)形切割器的裝藥選用Comp.B炸藥，采用High-Eplosive-Burn模型和JWL狀態(tài)方程；藥型罩材料為紫銅，采用Steinberg材料模型和Grüneisen狀態(tài)方程；殼體和后級隨進戰(zhàn)斗部為鋼，采用Johnson-cook材料模型和Grüneisen狀態(tài)方程；空氣采用Null材料模型和Linear-Polnomial狀態(tài)方程。主要參數(shù)見表1和表2[11]。聚氨酯選用Null材料模型和Grüneisen狀態(tài)方程進行模擬。硬質(zhì)聚氨酯的材料參數(shù)見表3[12]。

表1　金屬材料參數(shù)Tab.1 Parameters of metallic materials

表2　Comp.B炸藥的材料參數(shù)Tab.2 Material parameters of Comp.B eplosive

表2　Comp.B炸藥的材料參數(shù)Tab.2 Material parameters of Comp.B eplosive

材料Comp.B炸藥密度/（g/cm3）1.70爆速/（m/s）8 300爆壓/GPa 30.0

表3　聚氨酯的基本材料參數(shù)Tab.3 Material parameters of polurethane

表3　聚氨酯的基本材料參數(shù)Tab.3 Material parameters of polurethane

ρ/(kg?m-3) 320 Grüneisen Eos Cg/(m?s-1) 2 540 S1 1.57 S20 γ0 1.07 E0/GPa 0 V01

2　數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1圓柱型聚氨酯隔爆

圖3給出了圓柱型爆炸過程的數(shù)值模擬結(jié)果。選取了彈頭表面不同位置的單元，見圖4，其時間-應(yīng)力歷程曲線如圖5所示。

圖3　爆轟波壓力云圖以及隨進戰(zhàn)斗部上的應(yīng)力云圖（圓柱型隔爆）Fig.3 Detonation wave pressure nephogram and following warhead on the stress nephogram（clindrical）

圖4　不同單元編號示意圖（圓柱型隔爆）Fig.4 Diagram of different numbers of units（clindrical）

圖5　不同單元的時間-應(yīng)力歷程曲線（圓柱型隔爆）　Fig.5 Different unit of time-stress curve（clindrical）

從圖5可以看出：后級隨進戰(zhàn)斗部最大應(yīng)力值出現(xiàn)在彈頭表面，達(dá)到1.24 GPa。彈頭頂部出現(xiàn)了微小變形，說明彈頭最大應(yīng)力值已經(jīng)超過鋼的屈服強度，也說明圓柱型聚氨酯雖然對后級戰(zhàn)斗部起到了一定的保護作用，但是作用并不明顯。

通過觀察圓柱型聚氨酯隔爆數(shù)值模擬過程，可以看出，爆轟波在戰(zhàn)斗部中心形成了匯聚作用，形成了壓力集中區(qū)。為進一步提高隔爆效果，提高材料利用率，設(shè)計了圓錐型隔爆體與球缺型隔爆體，進行數(shù)值模擬研究。

2.2圓錐型聚氨酯隔爆

圓錐型爆炸過程的數(shù)值模擬結(jié)果見圖6。圖7為選取的彈頭表面不同位置的單元，其時間-應(yīng)力歷程曲線見圖8。從圖8可以看出：后級戰(zhàn)斗部最大應(yīng)力值出現(xiàn)在彈頭表面，達(dá)到1.05 GPa。沖擊波經(jīng)過隔爆體后強度有所衰減，彈頭未出現(xiàn)變形，說明圓錐型隔爆體對后級隨進戰(zhàn)斗部起到了很好的保護作用。

圖6　爆轟波壓力云圖以及隨進戰(zhàn)斗部上的應(yīng)力云圖（圓錐型隔爆）Fig.6 Detonation wave pressure nephogram and following warhead on the stress nephogram（conical）

圖7　不同單元編號（圓錐型隔爆）Fig.7 Diagram of different numbers of units（conical）

圖8　不同單元的時間-應(yīng)力歷程曲線（圓錐型隔爆）Fig.8 Different unit of time-stress curve（conical）

2.3球缺型型聚氨酯隔爆

球缺型爆炸過程的數(shù)值模擬結(jié)果見圖9。圖10為選取的彈頭表面不同位置的單元，其時間-應(yīng)力歷程曲線如圖11所示。從圖11可以看出：后級戰(zhàn)斗部最大應(yīng)力值出現(xiàn)在彈頭表面，達(dá)到1.02 GPa。沖擊波經(jīng)過隔爆體后強度有所衰減，彈頭未出現(xiàn)變形，說明球缺型隔爆體型對后級隨進戰(zhàn)斗部起到了很好的保護作用。

2.4數(shù)值模擬結(jié)果分析

通過數(shù)值計算，分別計算出3種隔爆結(jié)構(gòu)的體積，并通過以上3組數(shù)值仿真研究，得到不同隔爆結(jié)構(gòu)情況下沖擊波到達(dá)時間、后級隨進戰(zhàn)斗部表面最大應(yīng)力、隨進戰(zhàn)斗部加速度以及速度變化曲線等參數(shù)，見表4。表4中，V表示隔爆體體積；t表示沖擊波到達(dá)后級戰(zhàn)斗部頭部時間；σma表示后級戰(zhàn)斗部頭部表面最大應(yīng)力值；ama表示后級戰(zhàn)斗部加速度最大值；Δvma表示后級戰(zhàn)斗部速度增量。

圖9　爆轟波壓力云圖以及隨進戰(zhàn)斗部上的應(yīng)力云圖（球缺型隔爆）Fig.9 Detonation wave pressure nephogram and following warhead on the stress nephogram（hemispherical）

圖10　不同單元編號（球缺型隔爆）Fig.10 Diagram of different numbers of units（hemispherical）

圖11　不同單元的時間-應(yīng)力歷程曲線（球缺型隔爆）Fig.11 Different unit of time-stress curve（hemispherical）

表4　仿真結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計對比表Tab.4 Simulation results of statistical data comparison

3　結(jié)束語

通過對比仿真結(jié)果可以看出：圓柱型隔爆體雖然隔爆體積最大，但是隔爆性能卻最不理想，后級隨進戰(zhàn)斗部頭部出現(xiàn)了微小變形。而圓錐型和球缺型隔爆體的隔爆性能都優(yōu)于圓柱型隔爆體。通過比較后級隨進戰(zhàn)斗部的加速度最大值及速度增量可以看出：球缺型隔爆體在減小了材料體積的同時隔爆效果是最為明顯的，是綜合隔爆能力最好的隔爆結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李永勝，王偉力，江濤.用于串聯(lián)戰(zhàn)斗部的環(huán)形切割器優(yōu)化設(shè)計[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2010，30（2）：93-96. LIONGSHENG，WANG WEILI，JIANG TAO. Ptimum design annular cutter of tandem warhead[J]. Journal of Projectiles，Rockets，Missiles and Guidance，2010，30 （2）：93-96.（in Chinese）

[2]王偉力，李永勝，田傳勇.串聯(lián)戰(zhàn)斗部前級環(huán)形切割器的設(shè)計與試驗[J].火炸藥學(xué)報，2011，4（2）：39-43. WANG WEILI，LIONGSHENG，TIAN CHUANONG. Optimization and test on front annular cutter of tandem warhead[J]. Chinese Journal Eplosives and Propellants，2011，4（2）：39-43.（in Chinese）

[3]宋之勇，王偉力，李永勝.前級環(huán)形切割器對后端靶板影響的數(shù)值仿真[J].海軍航空工程學(xué)院學(xué)報，2012，27 （6）：684-688. SONG ZHIONG，WANG WEILI，LIONGSHENG. Numerical simulation on the effect of annular cutter tofollowing target[J]. Journal of NavAeronautical and Astronautical Universit，2012，27（6）：684-688.（in Chinese）

[4]張彤，陽世清，徐松林，等.串聯(lián)戰(zhàn)斗部的技術(shù)特點及發(fā)展趨勢[J].飛航導(dǎo)彈，2006（10）：51-54. ZHANG TONG，ANG SHIQING，U SONGLIN. Technical features and development trend of tandem warhead [J]. Aerodnamic Missle Journal，2006（10）：54-54.（in Chinese）

[5]王樹有，陳惠武，趙有守.串聯(lián)攻堅戰(zhàn)斗部前級爆轟場對后級影響分析[J].火炸藥學(xué)報，2006，29（2）：4-6. WANG SHUOU，CHEN HUIWU，ZHAOOUSHOU. Analsis of following projectile effected bprecursorcharge of tandem warhead[J]. Chinese Journal Eplosives and Propellants，2006，29（2）：4-6.（in Chinese）

[6]曾必強，姜春蘭，嚴(yán)翰新，等.串聯(lián)攻堅戰(zhàn)斗部前級爆轟場對隨進彈隨進影響分析[J].兵工學(xué)報，2010，31（1）：162-166. ZENG BIQIANG，JIANG CHUNLAN，AN HANIN. Analsis for effects of precursordetonation field on projectile following course in tandem warhead[J]. Acta Armamentar，2010，31（1）：162-166.（in Chinese）

[7]張先鋒，陳惠武.破爆型串聯(lián)戰(zhàn)斗部前級對后級影響數(shù)值模擬[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2006，26（2）：66-68. ZHANGIANFENG，CHEN HUIWU. A computational studof blast effect on travelling projectile of tandem warhead[J]. Journal of Projectiles，Rockets，Missiles and Guidance，2006，26（2）：66-68.（in Chinese）

[8]段建，楊黔龍，周剛，等.串聯(lián)戰(zhàn)斗部前級聚能裝藥和隔爆結(jié)構(gòu)設(shè)計與實驗研究[J].高壓物理學(xué)報，2006，20（2）：202-206. DUAN JIAN，ANG QIANLONG，ZHOU GANG. Structural design and eperimental studon forward shaped charge and eplosion-proof bodfor tandem warhead[J]. Chinese Journal of High Pressure Phsics，2006，20（2）：202-206.（in Chinese）

[9]徐全軍，唐丙文，李裕春.聚氨酯泡沫材料的隔爆作用[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2007，8（1）：77-81.U QUANJUN，TANG BINGWEN，LIUCHUN. Polurethane foam material’s gap effects[J]. Journal of PLA Universitof Science and Technolog，2007，8（1）：77-81.（in Chinese）

[10]石少卿，張湘冀.硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料抗爆炸沖擊作用的研究[J].振動與沖擊，2005，24（5）：56-58. SHI SHAOQING，ZHANGIANGJI. Studies on the properties of anti-detonation and anti-penetration of rigid polurethane foam[J]. Journal of Vibration and Shock，2005，24（5）：56-58.（in Chinese）

[11]張先鋒，陳惠武.三種典型聚能射流侵徹靶板數(shù)值模擬[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2007，19（19）：4399-4401. ZHANGIANFENG，CHEN HUIWU. Computational studof three tpical shaped charge jets[J]. Journal of Sstem Simulation，2007，19（19）：4399-4401.（in Chinese）

[12]SCHWALBE L A，WINGATE C A，STOFLETH J H，et al. Eperiment and computation studies of rod- deploment mechanisms[C]//16thInternational Smposium on Ballistics. 1996：347.

O
Oppttiimmiizzaattiioonn ooff TTaannddeemm WWaarrhheeaadd FFllaammee--PPrrooooff SSttrruuccttuurree Based on Annular Cutteerr

LV Jina, WANG Wei-lib, LIong-shengb, FU Leia
（NavAeronautical and Astronautical Universita. Department of Ordnance Science and Technolog; b. Graduate Students’Brigade,antai Shandong 264001, China）

作者簡介：呂進（1989-），男，碩士生。

基金項目：部委技術(shù)研究基金資助項目（40107）

收稿日期：2014-07-10；

DOI:10.7682/j.issn.1673-1522.2015.02.013

文章編號：1673-1522（2015）02-0156-05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類號：TJ55

修回日期：2014-12-02