串聯(lián)戰(zhàn)斗部前后級作用關系數(shù)值模擬研究

張偉光，高興勇

（軍械工程學院，石家莊 050003）

串聯(lián)戰(zhàn)斗部前后級作用關系數(shù)值模擬研究

張偉光，高興勇

（軍械工程學院，石家莊 050003）

利用Autodyn有限元軟件采取三維數(shù)值仿真的方法，對串聯(lián)戰(zhàn)斗部前后級的作用關系開展研究。基于串聯(lián)戰(zhàn)斗部軸對稱的特點，建立了1/2有限元仿真簡化模型，通過設置前后級飛行速度0 m/s、100 m/s、200 m/s以及前后級間距10 mm、30 mm、50 mm，利用控制變量法，分析了前后級相對速度、前后級間距對隨進子彈受力狀態(tài)的影響規(guī)律。得出了隨著前后級相對速度的增大或者前后級間距的減小，隨進子彈各點的受力及速度降都會增大的變化規(guī)律。仿真結果可以為相關串聯(lián)戰(zhàn)斗部的優(yōu)化設計提供參考。

串聯(lián)戰(zhàn)斗部，數(shù)值模擬，爆轟場，隨進子彈

Abstract：Using finite element software Autodyn based on dimensional numerical simulation ，the effect of the relationship between the front and rear tandem warhead level is researched.Based on the characteristics of the axial symmetry of series warhead，1/2 finite element simulation model is established.Setting the 0 m/s，100 m/s，200 m/s，10 mm，and the front and back stage spacing of，30 mm，and 50 mm，and using control variable method to analyse the relative velocity before and after class，before and after class on the pitch with the influence of the force of bullets into the state.Obtained before and after the variation decreases as the relative speed increases before and after class or grade pitch，as they enter the bullet points of the force and speed drop will increase.

Key words：tandem warhead，numerical simulation，explosion field，following projectile

0 引言

破爆型攻堅彈戰(zhàn)斗部具有前級聚能裝藥對鋼筋混凝土工事開孔、隨進子彈隨進殺傷功能，兼有對均質(zhì)裝甲的破甲能力，主要用于打擊敵方由混凝土構筑的永備防御工事、軍事建筑設施和裝甲車輛等。目前國內(nèi)已有很多專家學者對串聯(lián)戰(zhàn)斗部進行了一定的研究。文獻［1］從理論和仿真兩方面進行研究，提出了串聯(lián)戰(zhàn)斗部前級爆轟場能夠作為隨進引信解保環(huán)境的結論。文獻［2-5］研究了不同初始速度、前后級不同間距等因素影響條件下前級爆轟場對隨進子彈的作用關系。文獻［6］主要對破爆型串聯(lián)攻堅戰(zhàn)斗部前級爆轟場作用在隨進子彈上的壓力、沖量以及隨進子彈的速度衰減規(guī)律進行了研究。

近年來，基于隨進引信解除保險環(huán)境少的問題，越來越多地隨進引信利用前級爆轟場作用在隨進子彈產(chǎn)生的加速度過載作為解保環(huán)境，這種串聯(lián)戰(zhàn)斗部設計新穎，前級戰(zhàn)斗部采用輔炸藥環(huán)形起爆主炸藥的結構設計，已引起廣大學者的重視，結構模型如下頁圖1所示。但由于爆轟場具有一定的不可控制性，在特殊情況下很可能導致隨進引信無法正常作用。鑒于此，本文針對該類串聯(lián)戰(zhàn)斗部，參考上述文獻在研究串聯(lián)戰(zhàn)斗部前后級不同影響關系的方法思路，利用AUTODYN軟件對其前后級作用關系展開研究。

圖1 串聯(lián)戰(zhàn)斗部結構簡圖

1 仿真模型、算法及材料參數(shù)

1.1 串聯(lián)戰(zhàn)斗部仿真模型及算法介紹

計算時忽略戰(zhàn)斗部內(nèi)部零件、裝配關系等帶來的不對稱因素，建立1/2的三維仿真簡化模型。在主戰(zhàn)斗部和隨進子彈周圍建立了空氣域，為避免可能出現(xiàn)的網(wǎng)格嚴重畸變所引起的計算困難，將藥型罩、前級聚能裝藥、隔板及空氣域采用歐拉網(wǎng)格劃分，隨進子彈、殼體采用拉格朗日網(wǎng)格劃分，兩者之間采用自動流固耦合算法，隨進子彈與殼體之間采用Lagrange/Lagrange方法建立接觸關系。為消除沖擊波在空氣域邊界反射所引起的誤差，確保計算的精確性，在空氣域四周（對稱面除外）設置了無反射邊界條件。有限元仿真簡化模型如圖2所示，觀測點設置如圖3所示。

圖2 有限元仿真簡化模型

圖3 觀測點位置圖

1.2 材料參數(shù)設置

空氣采用Ideal Gas材料模型。藥型罩采用紫銅材料，各參數(shù)取值如表1所示。

主炸藥和副炸藥為8701高能炸藥，采用JWL狀態(tài)方程［7］，各參數(shù)取值如表2所示。

隔板材料為聚苯乙烯，采用shock狀態(tài)方程，計算參數(shù)如表3所示。

表1 藥型罩材料參數(shù)

表2 主炸藥及副炸藥材料參數(shù)

表3 隔板材料參數(shù)

隨進子彈材料為鋼，彈殼材料為鋁合金，都采用Johnson-cook材料模型和Grünesien狀態(tài)方程，計算參數(shù)如表4所示。

表4 隨進子彈及彈殼材料參數(shù)

2 計算結果分析

2.1 相對速度的影響分析

2.1.1 相對速度對隨進子彈的受力影響

通過仿真計算，選取5個觀測點作為子彈頭部受力研究點。在兩級戰(zhàn)斗部不同相對速度條件下隨進子彈頭部各點的壓力與時間變化曲線如下頁圖4～圖6，各點沖量與時間變化曲線如下頁圖7～圖9所示。從圖中可以看出，前級裝藥爆炸后，產(chǎn)生的爆轟場會迅速作用到隨進子彈上，相對速度大小改變時，隨進子彈的受力也會發(fā)生變化，但整體的受力曲線變化趨勢是一樣的，約從8.5 μs時開始爆轟場作用在隨進子彈上，80 μs時壓力趨于零，相對速度為0 m/s、100 m/s、200 m/s時的受力峰值分別為3.33 GPa、3.76 GPa、3.99 GPa。因此，可以看出，隨進子彈各點受力隨著前后級相對速度的增加而呈現(xiàn)變大趨勢。

圖4 速度為0 m/s

圖5 速度為100 m/s

圖6 速度為200 m/s

圖7 速度為0 m/s

圖8 速度為100 m/s

圖9 速度為200 m/s

2.1.2 相對速度對隨進子彈的速度降影響

當初始相對速度不同時，隨進子彈的速度降也會發(fā)生改變，其速度降隨兩級戰(zhàn)斗部相對速度變化曲線如圖10～圖12所示。由圖可看出，相對速度為0 m/s、100 m/s、200 m/s時，隨進子彈的速度降分別為 58.6 m/s、64.5 m/s、68 m/s。由此可以得出結論，隨著兩級戰(zhàn)斗部的相對速度增大時，隨進子彈的速度降也在增大。

圖10 速度為0 m/s

圖11 速度為100 m/s

2.2 前后級間距的影響分析

2.2.1 前后級間距對隨進子彈的受力影響

圖12 速度為200 m/s

結合相對速度這一因素對隨進子彈影響的研究方法，分別設置前后級間距為10 mm、30 mm、50 mm，相對速度都為零進行研究，其中前后級間距為10 mm的模型就是上節(jié)相對速度為0 m/s的模型，這里不再重述。3種模型仿真計算結果對比如圖13～圖15所示。由圖可知，隨著前后級間距的增大，爆轟場開始作用到隨進子彈的時間滯后，隨進子彈各點受力減小。

圖13 間距為10 mm

圖14 間距為30 mm

圖15 間距為50 mm

2.2.1 前后級間距對隨進子彈的速度降影響

不同前后級間距時對隨進子彈的仿真計算結果如圖16～圖18所示。當間距為10 mm、30 mm、50 mm時，速度由零變至 -58.633m/s、-47.915m/s、-47.891m/s。通過對比分析可知，隨著前后級的間距增大，隨進子彈的速度降呈現(xiàn)變小趨勢。

圖16 間距為10 mm

圖17 間距為30 mm

圖18 間距為50 mm

3 結論

本文利用三維數(shù)值模擬的方法，針對串聯(lián)戰(zhàn)斗部前后級作用關系，分別分析了前后級相對速度、前后級間距對隨進子彈狀態(tài)的影響，綜合分析研究結果，可以總結出以下幾個結論：

①隨著前后級相對速度的增加，隨進子彈各點受力變大，在穿越爆轟場的過程中所受到的沖量也變大，進而導致速度降變大。

②當前后級間距不同時，隨進子彈的受力狀態(tài)也發(fā)生明顯的改變。隨兩級間距增大，隨進子彈的受力及速度降均變小。若兩級間距設計過近，將導致隨進子彈產(chǎn)生一定的變形。

③從以上數(shù)值仿真結果可以看出，該串聯(lián)戰(zhàn)斗部前后級相對速度、兩級間距對隨進子彈的受力狀態(tài)影響較大。若發(fā)射速度過大且兩級間距過小，都將可能導致隨進子彈變形，甚至其內(nèi)部引信零部件變形使其無法正常作用。因此，要充分考慮這兩個影響因素，同時注意隨進子彈要選擇高強度材料，內(nèi)部引信零部件要做好隔爆措施。

［1］段振龍，袁鵬舉，郝益民，等.隨進引信前級爆轟場環(huán)境解除保險方法［J］.探測與控制學報，2011，33（1）：1-5.

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［3］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］.火炸藥學報，2006，29（2）：4-6.

［4］曾必強，姜春蘭，嚴翰新，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］. 兵工學報，2010，31（1）：162-166.

［5］張樂源，李永勝，王偉力，等.相對速度對隨進戰(zhàn)斗部影響的仿真研究［J］.艦船科學技術，2013，35（7）：87-90.

［6］李國鄧，王平，薛鑫瑩.爆炸沖擊過載對隨進子彈影響的仿真與分析［J］.彈箭與制導學報，2011，31（2）：102-104.

［7］王健，阮文俊.串聯(lián)隨進戰(zhàn)斗部前后級影響數(shù)值仿真［J］.系統(tǒng)仿真學報，2010，22（9）：2231-2234.

Numerical Simulation Research on Before and after Effect Relationship of Tandem Warhead

ZHANG Wei-guang，GAO Xing-yong
（Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

TJ410

A

10.3969/j.issn.1002-0640.2017.09.023

1002-0640（2017）09-0108-04

2016-05-05

2016-08-29

張偉光（1991- ），男，河北廊坊人，碩士研究生。研究方向：彈藥保障與安全技術。