格柵結(jié)構(gòu)對復(fù)合毀傷戰(zhàn)斗部影響研究*

戚康乾,李文彬,李偉兵,王曉鳴

(南京理工大學(xué)智能彈藥技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室,南京 210094)

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格柵結(jié)構(gòu)對復(fù)合毀傷戰(zhàn)斗部影響研究*

戚康乾,李文彬,李偉兵,王曉鳴

(南京理工大學(xué)智能彈藥技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室,南京 210094)

為了研究格柵結(jié)構(gòu)對復(fù)合毀傷戰(zhàn)斗部影響,文中通過數(shù)值模擬技術(shù)分析了復(fù)合毀傷戰(zhàn)斗部成型過程,研究了格柵對鎢球預(yù)制破片的影響,以及不同單元格形狀、不同安置位置、不同單元格大小對MEFP成型的影響。研究結(jié)果表明,該結(jié)構(gòu)戰(zhàn)斗部可以形成有效的復(fù)合毀傷破片群。加裝方格狀格柵的戰(zhàn)斗部MEFP成性較好。另外,藥型罩與裝藥殼體底部之間的距離為5 mm,單元格邊長為10 mm時(shí)MEFP成型較好。

復(fù)合毀傷;MEFP;格柵;數(shù)值模擬

0 引言

為了彌補(bǔ)常規(guī)戰(zhàn)斗部毀傷元單一的缺陷,文中研究的復(fù)合毀傷戰(zhàn)斗部是一種將預(yù)制破片與藥型罩多自鍛破片相結(jié)合的新型戰(zhàn)斗部技術(shù),可對目標(biāo)造成區(qū)域性的毀傷。藥型罩多自鍛破片即MEFP戰(zhàn)斗部技術(shù),是通過改變藥型罩或者戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)使其形成多個(gè)自鍛破片,在較大面積上對目標(biāo)造成毀傷。形成MEFP毀傷元的方式主要有多藥型罩并聯(lián)、在藥型罩上刻槽以及在藥型罩前端安裝格柵等。

目前針對MEFP戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu),國內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了一定研究,如張健[2]等人對刻槽式MEFP成型過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,并研究了刻槽形狀與深度對MEFP成型的影響;付璐[4]等人對影響多罩并聯(lián)式MEFP發(fā)散角的5種因素進(jìn)行了主次分析;D Bender[5]等人設(shè)計(jì)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種切割式MEFP。

文中針對藥型罩周邊增設(shè)預(yù)制破片的破甲殺傷復(fù)合戰(zhàn)斗部,仿真研究格柵結(jié)構(gòu)對預(yù)制破片、MEFP飛散特性的影響。

1 仿真模型及結(jié)構(gòu)方案

1.1 仿真模型建立

文中所研究的復(fù)合毀傷戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 復(fù)合毀傷戰(zhàn)斗部示意圖

使用ANSYS/LS-DYNA程序建模并劃分網(wǎng)格,考慮結(jié)構(gòu)的對稱性,只建立1/4模型結(jié)構(gòu)。計(jì)算中采用流固耦合算法,網(wǎng)格單元是六面體SOLID164單元,對稱邊界施加對稱約束。計(jì)算模型中主裝藥采用8701炸藥,選用JWL狀態(tài)方程計(jì)算參數(shù)見表1。藥型罩材料為紫銅、殼體材料為45#鋼、預(yù)制破片以及格柵材料

為鎢,均采用Johnson-Cook材料模型和Gruneisen狀態(tài)方程,計(jì)算參數(shù)見表2,空氣為空物質(zhì)流體模型。

表1 炸藥材料參數(shù)

表2 材料參數(shù)

1.2 結(jié)構(gòu)方案選取

由于格柵對藥型罩的切割作用,不同的格柵結(jié)構(gòu)、位置對切割后自鍛破片的形成有很大影響。文中研究設(shè)計(jì)了3種格柵結(jié)構(gòu),分別為方格狀、環(huán)狀、蜂窩狀,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 格柵結(jié)構(gòu)示意圖

針對格柵與藥型罩距離以及格柵單元格大小對自鍛破片的影響,對以下幾個(gè)方案進(jìn)行了研究(見表3)。

表3 仿真方案

2 數(shù)值模擬結(jié)果及其分析

2.1 戰(zhàn)斗部成型過程

采用方格型格柵研究戰(zhàn)斗部的成型過程。起爆點(diǎn)在裝藥頂部中心點(diǎn),起爆30 μs后炸藥基本爆轟完畢,成型過程如圖3所示。

圖3 戰(zhàn)斗部成型過程

藥型罩在格柵的切割作用下,形成有一定散布面積的自鍛破片群,前部大多數(shù)破片速度在2 000 m/s以上。仿真中鎢球破片速度可達(dá)1 000 m/s左右。自鍛破片與預(yù)制破片相結(jié)合,可以形成密度較高、毀傷能力較強(qiáng)的復(fù)合毀傷元。

2.2 不同格柵結(jié)構(gòu)對藥型罩的作用效果

因?yàn)樽藻懫破怯筛駯徘懈钏幮驼侄鴣?所以格柵單元格形狀是影響毀傷元成型的一個(gè)重要因素。文中主要對比研究了方格狀、環(huán)狀與蜂窩狀3種結(jié)構(gòu)的格柵的作用效果,并與未加裝格柵的戰(zhàn)斗部進(jìn)行比較。研究毀傷元成型過程發(fā)現(xiàn)經(jīng)過格柵切割后的自鍛破片分為前后兩部分。表中為了便于統(tǒng)計(jì)與比較,將前部速度高、成型較好的自鍛破片按速度梯度分為3層進(jìn)行對比,仿真結(jié)果見表4。圖4為各結(jié)構(gòu)中每層鎢球預(yù)制破片的平均速度。

由仿真結(jié)果可以看出,在藥型罩前部放置不同格柵對藥型罩成型有較大影響。加裝格柵后的自鍛破片頭部速度有所提高,散布面積增大。對比3種格柵切割作用下形成的自鍛破片毀傷元,方案3與方案4頭部速度較高,但其速度差也較大,且第二層自鍛破片成型較差。另外,由于格柵結(jié)構(gòu)影響,方案4形成自鍛破片個(gè)數(shù)少于其他兩種方案。因此方案2優(yōu)于其他兩種方案。

分析預(yù)制破片速度得到,在藥型罩前安置格柵以及格柵單元格的形狀對藥型罩外側(cè)預(yù)制破片速度影響不大。

表4 不同組合結(jié)構(gòu)方案的成型結(jié)果

2.3 不同位置格柵對藥型罩的作用效果

格柵位置是影響藥型罩成型的一個(gè)重要因素,根據(jù)爆炸成型彈丸的原理,藥型罩被壓垮時(shí)罩上各微元將獲得一個(gè)向中心匯聚的徑向速度,不同的格柵位置將會不同程度的減小這一速度,另外,藥型罩被過早的切割,也會造成爆轟壓力的泄漏,從而影響自鍛破片的速度。因此選擇合適的格柵位置有利于提高M(jìn)EFP的速度與散布面積。

根據(jù)對格柵結(jié)構(gòu)的研究,選擇格柵形狀為方格狀的格柵。不同位置方案仿真結(jié)果如表5所示,表中散布半徑為第三層自鍛破片飛散半徑。各個(gè)方案速度以及散布半徑隨格柵位置變化規(guī)律如圖5所示。

表5 不同距離方案的成型結(jié)果

圖4 預(yù)制破片速度

圖5 速度以及散布半徑隨格柵位置變化規(guī)律

由仿真結(jié)果可以看出,自鍛破片頭部速度隨著距離的增加而增加,但一、三層速度差也隨之增加。當(dāng)距離由0 mm增加的5 mm時(shí),破片散布半徑都有一定程度的增加,但當(dāng)距離再增大到7 mm時(shí),散布半徑不再隨距離的增加而增加。另外,考慮到戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)尺寸限制,格柵與藥型罩之間的距離不宜過大。因此,綜合考慮以上因素,格柵與裝藥殼體底部距離為5 mm為最佳尺寸。

2.4 不同單元格大小對藥型罩的作用效果

除了不同樣式的格柵對藥型罩會有不同的切割作用外,不同的單元格大小對藥型罩也會有不同的作用效果。當(dāng)單元格過小時(shí),格柵將對藥型罩有較大的阻礙作用,自鍛破片質(zhì)量與速度都會有一定的損失,且獲得的高速破片體積過小,其侵徹能力也會降低。而當(dāng)單元格過大時(shí),格柵對藥型罩的切割作用將會減小,獲得的自鍛破片個(gè)數(shù)也會隨之減小,對自鍛破片的散布面積也有一定的影響。因此格柵單元格大小也是影響自鍛破片成型的一個(gè)重要因素。

根據(jù)以上的研究,選擇格柵形狀為方格狀的格柵,格柵與裝藥殼體端部的距離為5 mm。不同單元格大小方案仿真結(jié)果如表6所示。各個(gè)方案速度以及自鍛破片個(gè)數(shù)隨格柵單元格大小變化規(guī)律如圖6所示。

圖6 速度以及自鍛破片個(gè)數(shù)隨格柵單元格大小變化規(guī)律

由圖可見,自鍛破片頭部速度隨著格柵邊長的增加先增大后減小,而自鍛破片個(gè)數(shù)隨著邊長的增加逐漸減小。表明格柵單元格大小對自鍛破片的速度以及個(gè)數(shù)都有影響,綜合考慮自鍛破片速度與個(gè)數(shù),當(dāng)單元格大小為10 mm時(shí),自鍛破片成型較好。

3 結(jié)論

1)在藥型罩周圍放置預(yù)制鎢球破片并在藥型罩前安置格柵可以形成有效的復(fù)合殺傷毀傷元,較單一毀傷元的戰(zhàn)斗部有更高的毀傷效率,可以有效對多種目標(biāo)進(jìn)行打擊。

2)格柵單元格形狀對藥型罩成型有較大影響,但不會對預(yù)制破片飛散特性有所影響。對比不同格柵的作用效果,方格狀格柵較好。

3)格柵與藥型罩之間的距離是影響切割效果的一個(gè)因素,增加格柵與藥型罩之間的距離,可以明顯增大自鍛破片的發(fā)散角,當(dāng)格柵與裝藥殼體底部距離為5 mm時(shí)成型效果較好。

4)格柵單元格大小對自鍛破片的速度以及個(gè)數(shù)都有影響,當(dāng)單元格大小為10 mm時(shí),成型效果較好。

表6 不同單元格大小方案的成型結(jié)果

[1] 李向東, 錢建平, 曹兵. 彈藥概論 [M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2004: 261-276.

[2] 張健, 姜昆, 相升海, 等. MEFP刻槽式藥型罩成型過程的數(shù)值模擬 [J]. 沈陽理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 32(4): 23-30.

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

[4] 付璐, 尹建平, 王志軍, 等. MEFP戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)的正交優(yōu)化設(shè)計(jì) [J]. 火力與指揮控制, 2012, 37(3): 184-187.

[5] BENDER D, FONG R, NG W, et al. Dual mode warhead technology for future smart munitions [C]∥ 19th International Symposium on Ballistics, 7-11 May 2001, Interlaken, Switzerland. 2001: 679-684.

[6] 尹建平, 付璐, 王志軍. 網(wǎng)柵切割式多爆炸成型彈丸戰(zhàn)斗部正交優(yōu)化設(shè)計(jì) [J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào), 2012, 32(2): 69-72.

[7] 龍?jiān)? 張洋溢, 余道強(qiáng), 等. 一種雙模式戰(zhàn)斗部成形過程及破片發(fā)散角影響因素分析 [J]. 兵工學(xué)報(bào), 2010, 31(1): 7-12.

[8] 范斌, 王志軍, 王輝. 多爆炸成形彈丸成型過程的數(shù)值模擬 [J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào), 2010, 30(1): 124-127.

Study on the Effect of Grille Structure on Composite Damage Warhead

QI Kangqian,LI Wenbin,LI Weibing,WANG Xiaoming

(Ministerial Key Laboratory of ZNDY, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

In order to study effect of grid structure on composite damage warhead, according to numerical simulation, forming process of composite warhead was analyzed, the effect of grid on prefabricated tungsten ball fragment and the impact of different grid shape, different position and different grid size on liner were studied. The results show that the warhead can be an effective damage element, warhead with square grid is better in MEFP molding effect. Besides, when distance between shaped charge warhead and grid is 5 mm and square’s side length is 10 mm, MEFP js better in shape.

composite warhead; MEFP; grid; numerical simulation

2015-06-30

戚康乾(1990-),男,河南項(xiàng)城人,碩士研究生,研究方向:高效毀傷技術(shù)。

TJ410.33

A