網(wǎng)柵參數(shù)對(duì)切割式多破片戰(zhàn)斗部發(fā)散角的影響

趙長(zhǎng)嘯，張洋溢，路 亮，徐建國(guó)，趙東華，李惠明

（1.武漢軍械士官學(xué)校，湖北 武漢，430075；2.廣州軍區(qū)工程科研設(shè)計(jì)所，廣東 廣州，510515；3.中國(guó)人民解放軍72351部隊(duì)，山東 萊蕪，271109）

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網(wǎng)柵參數(shù)對(duì)切割式多破片戰(zhàn)斗部發(fā)散角的影響

趙長(zhǎng)嘯1，張洋溢2，路 亮3，徐建國(guó)1，趙東華1，李惠明1

（1.武漢軍械士官學(xué)校，湖北 武漢，430075；2.廣州軍區(qū)工程科研設(shè)計(jì)所，廣東 廣州，510515；3.中國(guó)人民解放軍72351部隊(duì)，山東 萊蕪，271109）

摘 要：為提高切割式多破片戰(zhàn)斗部對(duì)目標(biāo)的打擊概率，在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上利用LS-DYNA仿真軟件研究了切割網(wǎng)柵參數(shù)對(duì)戰(zhàn)斗部發(fā)散角的影響。研究表明：隨著切割絲安裝距離的增加，破片發(fā)散角逐漸減??；相對(duì)于圓柱形，截面形狀為楔形的切割絲切割效率更高，單位長(zhǎng)度發(fā)散角變化值更小。

關(guān)鍵詞：爆炸力學(xué)；多破片戰(zhàn)斗部；發(fā)散角；模擬

切割式多破片戰(zhàn)斗部裝藥[1-5]主要是通過(guò)切割處于變形過(guò)程中的藥型罩，形成多個(gè)具有一定侵徹能力的破片式子彈丸，從而提高戰(zhàn)斗部對(duì)目標(biāo)的打擊概率。Richard Fong等[1]首先設(shè)計(jì)了一種利用高強(qiáng)度金屬桿切割藥型罩形成破片式子彈丸的裝藥結(jié)構(gòu)；張洋溢等[2]則對(duì)Richard Fong提出的裝藥結(jié)構(gòu)成形過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究及試驗(yàn)驗(yàn)證；李偉兵等[3]研究了切割金屬桿排列形狀對(duì)切割效果的影響；龍?jiān)吹萚4]則主要對(duì)環(huán)形起爆下起爆環(huán)半徑對(duì)十字形切割式多破片戰(zhàn)斗部成型參數(shù)的影響進(jìn)行了研究，然而對(duì)于切割網(wǎng)柵參數(shù)對(duì)破片發(fā)散角的影響則未開(kāi)展系統(tǒng)的研究。

十字形切割網(wǎng)柵因與藥型罩接觸面積小，故在切割過(guò)程中藥型罩損失質(zhì)量較少，生成破片動(dòng)能大、侵徹能力強(qiáng)。因此，本研究以十字形切割式多破片戰(zhàn)斗部為研究對(duì)象，重點(diǎn)對(duì)其成型規(guī)律及破片發(fā)散角隨切割網(wǎng)柵參數(shù)變化規(guī)律進(jìn)行研究，從而為進(jìn)一步優(yōu)化十字形切割式多破片戰(zhàn)斗部裝藥結(jié)構(gòu)，提高毀傷概率提供理論依據(jù)。

1　切割式多破片戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)

十字形切割式多破片戰(zhàn)斗部主要是對(duì)單個(gè)EFP裝藥的再設(shè)計(jì)，即在其藥型罩前端設(shè)置一個(gè)十字形切割網(wǎng)柵，如圖1所示。切割網(wǎng)柵由起固定作用的金屬架和切割作用的鎢桿組成，鎢桿直徑1.5mm，長(zhǎng)度60mm；戰(zhàn)斗部口徑為60mm，高度為60mm；藥型罩為弧錐結(jié)合罩，材料為紫銅罩，炸藥為8701炸藥，殼體材料為鋁[5]。

圖1　戰(zhàn)斗部試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.1 Picture of tested warhead

2　試驗(yàn)設(shè)置及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的切割式多破片戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)的可行性和終點(diǎn)毀傷效應(yīng)，對(duì)其進(jìn)行了地面靜爆試驗(yàn)。其中，在距戰(zhàn)斗部20m、30m處分別布置一網(wǎng)靶以分析破片空間分布情況；在距離戰(zhàn)斗部100m處，布置一鋼靶，以檢驗(yàn)戰(zhàn)斗部的侵徹威力；靶板材料為45#鋼，尺寸為2.2m×6m，厚度為6mm，靶板與地面保持垂直。圖2為不同距離網(wǎng)靶上破片穿孔圖。

圖2　網(wǎng)靶破片穿孔圖Fig.2 Picture of fragments perforation on net target

由圖2可以看出戰(zhàn)斗部起爆后，藥型罩被切割絲切割并生產(chǎn)5枚破片。5枚破片分布較為均勻，呈現(xiàn)中心1枚周邊4枚的均勻分布規(guī)律。同時(shí)由網(wǎng)靶上的穿孔分布可知，破片穿過(guò)第1道網(wǎng)靶時(shí)，破片分布相對(duì)集中，而穿過(guò)第2道網(wǎng)靶時(shí)，分布則相對(duì)發(fā)散，說(shuō)明切割后形成的破片具有一定大小的徑向速度，從而在飛行過(guò)程中產(chǎn)生了發(fā)散。

3　破片發(fā)散角影響因素分析

3.1發(fā)散角定義

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，切割藥型罩形成的5枚破片由于存在一定的徑向速度從而在飛行過(guò)程中產(chǎn)生發(fā)散，而發(fā)散角的大小將直接影響戰(zhàn)斗部的打擊范圍，進(jìn)而影響對(duì)目標(biāo)的命中概率。圖3為破片發(fā)散角示意圖。

圖3　破片發(fā)散角Fig.3 Radial dispersion angle of fragment

由圖3 可得，破片發(fā)散角為：

式（1）中：α為破片發(fā)散角；L為周邊破片的發(fā)散半徑；H為破片到目標(biāo)物之間的距離。

3.2數(shù)值模擬分析

由于采用傳統(tǒng)試驗(yàn)方法獲得破片發(fā)散角變化規(guī)律工作量大、耗費(fèi)多，因此在已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用LS-DYNA數(shù)值模擬方法對(duì)破片發(fā)散角隨網(wǎng)柵參數(shù)變化規(guī)律進(jìn)行數(shù)值仿真研究。其中，數(shù)值計(jì)算模型采用1/2三維實(shí)體建模，如圖4所示，模型尺寸按照戰(zhàn)斗部實(shí)體尺寸，數(shù)值計(jì)算涉及的材料模型及計(jì)算參數(shù)詳見(jiàn)文獻(xiàn)[4]。

圖4　1/2多破片戰(zhàn)斗部計(jì)算模型圖Fig.4 1/2 Numerical model of multiple fragments warhead

通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到十字形切割式多破片戰(zhàn)斗部成型的具體過(guò)程。炸藥起爆后，藥型罩在爆轟波作用下被壓垮，此時(shí)，藥型罩承受約400GPa的壓力和接近金屬熔點(diǎn)的溫度，藥型罩處于大塑性變形的流體狀態(tài)。高速運(yùn)動(dòng)流體狀態(tài)的藥型罩與切割絲相碰撞并被切割成4部分。切割后的4部分藥型罩繼續(xù)翻轉(zhuǎn)并向中間擠壓直至徑向速度為0。同時(shí)由于藥型罩中心部位受到的爆轟能量大于周邊部位，故中心部分軸向速度高于周邊部分。因此，隨著時(shí)間的推移，破片被逐漸拉長(zhǎng)直至產(chǎn)生斷裂。結(jié)果速度最快的藥型罩中心部分運(yùn)動(dòng)在最前面，形成中心破片，而尾部部分則因徑向速度的存在，分開(kāi)成為4個(gè)具有相同的軸向速度和不同的徑向速度的周邊破片，如圖5所示。

圖5　數(shù)值計(jì)算結(jié)果Fig.5 The result of numerical calculation

由圖2和圖5可知，無(wú)論數(shù)值模擬結(jié)果還是試驗(yàn)結(jié)果，該戰(zhàn)斗部均生成5枚破片，且破片分布均呈現(xiàn)中心1枚周邊4枚的規(guī)律，從而驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算模型與參數(shù)設(shè)置的合理性，同時(shí)也說(shuō)明數(shù)值模擬方法可以用于研究破片發(fā)散角變化規(guī)律。

3.3切割網(wǎng)柵安裝距離對(duì)發(fā)散角影響

通過(guò)數(shù)值仿真研究發(fā)現(xiàn)，切割網(wǎng)柵的安裝距離及形狀結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)戰(zhàn)斗部破片發(fā)散角的影響較大。切割網(wǎng)柵的安裝距離d為切割絲距藥型罩罩口的距離，具體見(jiàn)圖6。

安裝距離不同導(dǎo)致藥型罩被切割時(shí)的形狀與速度大小不同，從而對(duì)生成的破片成型參數(shù)產(chǎn)生影響。因此，針對(duì)切割絲安裝距離對(duì)發(fā)散角的影響設(shè)置了不同仿真研究方案，其中，切割絲直徑為1.5mm，安裝距離取0～20mm（每種情況增加5mm）。

圖6　切割網(wǎng)柵安裝距離示意圖Fig.6 Distance between incisive cover and liner

不同方案下破片成型具體過(guò)程如表1所示。由表1可知，隨著安裝距離的增加，藥型罩被切割時(shí)的壓垮程度隨之增加，切割絲切割深度先減少后增加，在d=10mm時(shí)最小。為進(jìn)一步分析破片發(fā)散角隨安裝距離變化規(guī)律，對(duì)其參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如圖7所示。

圖7　破片發(fā)散角隨切割絲安裝距離變化曲線Fig.7 Radial dispersion angle of fragments vs the distance between incisive cover and liner

由圖7可知，破片發(fā)散角隨著安裝距離的增加呈現(xiàn)出二次減小的變化規(guī)律，當(dāng)安裝距離由0mm增至20mm時(shí)，彈丸發(fā)散角減小了55％。

表1　不同安裝距離下破片成型過(guò)程Tab.1 Forming process of fragments under different distance between incisive cover and liner

通過(guò)對(duì)圖7中數(shù)據(jù)計(jì)算，得到破片發(fā)散角隨安裝距離的變化公式，如式（2）所示：

由式（2）可知，隨著安裝距離的增加，破片發(fā)散角逐漸減小，但當(dāng)藥型罩壓垮形成EFP彈丸時(shí)，切割絲將無(wú)法切割藥型罩形成破片；另由公式（2）可知，當(dāng)安裝距離為0時(shí)，破片發(fā)散角最大，因此，僅通過(guò)改變安裝距離來(lái)改變發(fā)散角數(shù)值是有限的，在實(shí)際使用中必須同時(shí)改變其他參數(shù)才可以滿足更大的發(fā)散角變化范圍要求。

3.4切割絲形狀對(duì)發(fā)散角的影響

為提高切割絲切割能力，對(duì)常用4種橫截面形狀的切割絲切割效果進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，4種切割絲橫截面形狀如圖8所示。

圖8　4種切割桿橫截面形狀Fig.8 Four cross sections of incisive rod

采用切割過(guò)程中某一固定時(shí)刻藥型罩被不同形狀的切割絲切割的深度h來(lái)代表其切割效率。數(shù)值計(jì)算中，分取12μs和18μs 2個(gè)典型時(shí)刻的h值作為對(duì)比，結(jié)果如圖9所示。

圖9　4種方案的h值的對(duì)比圖Fig.9 h contrast figure of four different plans

由圖9可知，無(wú)論在12μs或者18μs，方案b楔形截面形狀切割效率最高，且在18μs時(shí)已經(jīng)將藥型罩完全切割開(kāi)（藥型罩頂部厚度為0.35cm）。當(dāng)切割絲橫截面形狀為圓形時(shí)，由于切割絲每個(gè)方向的長(zhǎng)度都等于其直徑，因此切割向長(zhǎng)度l =D，但當(dāng)截面形狀發(fā)生變化的時(shí)候，l則為切割絲在切割方向的長(zhǎng)度。l的變化將會(huì)影響到藥型罩被切割后的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，進(jìn)而影響破片的發(fā)散程度。

圖10　破片發(fā)散角隨 l變化曲線Fig.10 Radial dispersion angle of fragments vs l

為研究切割向長(zhǎng)度對(duì)破片發(fā)散角的影響，對(duì)b方案所示的楔形截面形狀切割絲進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。其中，切割絲厚度的取值范圍是1.5～4.0mm。圖10為發(fā)散角隨切割向長(zhǎng)度l變化曲線。由圖10可以看出，破片發(fā)散角隨著楔形切割絲切割向長(zhǎng)度的增加呈現(xiàn)拋物線增大規(guī)律。另外通過(guò)對(duì)圖10中數(shù)據(jù)擬合得到發(fā)散角隨楔形切割向長(zhǎng)度變化方程：

4　結(jié)論

綜合以上研究結(jié)果，可得如下結(jié)論：（1）十字形切割式多破片戰(zhàn)斗部可生成5枚、具有一定發(fā)散范圍的破片，破片發(fā)散角的大小受到切割網(wǎng)柵的安裝距離及形狀的影響。（2）通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到了十字形切割式多破片戰(zhàn)斗部發(fā)散角隨安裝距離以及切割向長(zhǎng)度的變化公式，該公式有效描述了發(fā)散角隨切割網(wǎng)柵參數(shù)的變化規(guī)律、變化速率以及變化范圍，為開(kāi)展不同結(jié)構(gòu)切割式多破片戰(zhàn)斗部裝藥設(shè)計(jì)提供了有價(jià)值的研究參考。（3）相對(duì)于圓柱形，楔形切割絲切割效率更高，并且單位長(zhǎng)度下發(fā)散角變化值更小，從而可以滿足更加精確的發(fā)散角要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]Fong R,Ng W,Tang S and Thompson L．Multiple explosively formed penetrator (MEFP) warhead technology for mine and improvised explosive device (IED) neutralization[C]//.Proceedings of the 22th International Symposium on Ballistics Vancouver.BC Canada:International Ballistics Committee,2005.

[2]張洋溢,龍?jiān)?余道強(qiáng),等.切割網(wǎng)柵作用下EFP形成多破片的數(shù)值分析[J].彈道學(xué)報(bào),2009,21(2):90-94.

[3]李偉兵,王曉鳴,李文彬,等.隔柵對(duì)EFP破片成型及侵徹的影響[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,33(5):586-591.

[4]龍?jiān)?趙長(zhǎng)嘯,馬海洋,等.起爆環(huán)半徑對(duì)多定向破片戰(zhàn)斗部參數(shù)的影響[J].兵工學(xué)報(bào),2012,33(3):318-323．

[5]趙長(zhǎng)嘯,龍?jiān)?余道強(qiáng),等.切割式多爆炸成形彈丸成形及對(duì)鋼靶的穿甲效應(yīng)[J].爆炸與沖擊,2013,33(2):186-193.

Influence of Incisive Cover Factor on Radial Dispersion Angle of A Incised Multiple Fragments Warhead

ZHAO Chang-xiao1,ZHANG Yang-yi2,LU Liang3,XU Jian-guo1,ZHAO Dong-hua1,LI Hui-ming1
(1.Wuhan Ordnance NCO Academy of PLA，Wuhan，430075；2.Design & Research Institute of Guangzhou Military Area，Guangzhou，510515；3.72351 Troops,PLA ,Laiwu,271109)

Abstract：In order to improve the hit probability of incised multiple fragments warhead,based on the experimental results,the influence of incisive cover factor on radial dispersion angle was analyzed by LS-DYNA.The result shows that as the distance between incisive cover and liner increasing,the radial dispersion angle decreases.And cutting efficiency of wedge-shaped incisive cover is better than that of cylinder,as well as the change value of radial dispersion angle per unit length is smaller.

Key words：Explosive mechanicals；Multiple fragments warhead；Radial dispersion angle；Simulation

作者簡(jiǎn)介：趙長(zhǎng)嘯（1986 -），男，講師，主要從事爆破器材應(yīng)用技術(shù)研究。

收稿日期：2015-09-30

中圖分類(lèi)號(hào)：TJ450

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-1480（2016）01-0022-04