不同形狀預(yù)控破片成形及毀傷效應(yīng)研究

苗春壯，梁增友，鄧德志，趙文杰，王耀琦

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051)

破片殺傷戰(zhàn)斗部是典型的戰(zhàn)斗部類型之一，其原理是利用高能炸藥爆炸時(shí)推動(dòng)金屬殼體并使其破裂，形成大量的高速破片，利用破片的高速撞擊殺傷有生力量(人和動(dòng)物)，也可用于引燃引爆目標(biāo)裝藥、飛機(jī)、雷達(dá)和輕型裝甲車輛[1]。破片殺傷戰(zhàn)斗部可分為自然破片、預(yù)制破片和預(yù)控破片，預(yù)控破片又叫半預(yù)制破片。自然破片形成時(shí)形狀不規(guī)則，尺寸也差異很大，尺寸太大導(dǎo)致破片數(shù)量減少，尺寸太小毀傷效能也不高。預(yù)控破片是通過一定的手段讓殼體在破裂時(shí)形成形狀相對(duì)規(guī)則的破片，殼體在受到爆轟波作用時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中并沿著應(yīng)力集中處被“切開”，常用的手段有殼體刻槽、裝藥表面刻槽、局部弱化等[2]。預(yù)控破片產(chǎn)生的破片大小和形狀基本相等，炸藥能量利用率較高，獲得的有效破片數(shù)量較為穩(wěn)定，因此被廣泛用于殺傷戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)中。

吳建萍等[3]研究了刻槽式預(yù)控破片戰(zhàn)斗部刻槽形狀對(duì)破片速度的影響，結(jié)果表明方形槽相對(duì)于V形槽和鋸齒形槽而言具有更理想的破片形狀和速度。彭正午[4]就刻槽參數(shù)對(duì)預(yù)控破片戰(zhàn)斗部的殺傷威力進(jìn)行了詳細(xì)的研究，并討論了槽深、槽寬和槽間隔對(duì)殼體破碎規(guī)律的影響。吳成等[5]得出了內(nèi)刻V形槽圓柱殼體在內(nèi)爆轟載荷下的臨界斷裂準(zhǔn)則，并確定了相應(yīng)的函數(shù)表達(dá)式。鄧云飛[6]和周楠[7]均對(duì)不同形狀預(yù)制破片侵徹靶板進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出了破片對(duì)靶板破壞形式的規(guī)律。張高峰等[8]提出了殼體爆炸質(zhì)量損失率模型，并得出刻槽深度越大，殼體質(zhì)量損失率越小。為了最大化殺傷威力，破片需獲得更好的毀傷屬性(外形、速度)，筆者主要研究在殼體外部刻方形槽的預(yù)控破片的成形及對(duì)靶板的毀傷情況，并通過對(duì)破片截面為三角形、正方形、菱形和正六邊形的4組數(shù)值仿真進(jìn)行對(duì)比研究，為預(yù)控破片彈的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供一定的理論參考。

1 模型建立

1.1 材料模型

炸藥材料選取8701，使用高能炸藥材料模型和JWL狀態(tài)方程來描述爆炸產(chǎn)物隨時(shí)間的變化規(guī)律，其參數(shù)如表1所示,其表達(dá)式為

(1)

式中：p為壓力；V為相對(duì)比容；E為單位體積的內(nèi)能;A、B、R1、R2、ω為材料參數(shù);e為等效應(yīng)變。

表1 8701炸藥的JWL狀態(tài)方程參數(shù)

殼體材料選取鎢，材料參數(shù)如表2所示。

表2 鎢殼材料參數(shù)

靶板材料使用均質(zhì)鋼，使用JOHNSON-COOK材料模型描述材料性能，材料參數(shù)如表3所示,其表達(dá)式為

(2)

式中：A、B、C、m、n為材料系數(shù)。

表3 鋼靶材料參數(shù)

1.2 有限元模型

對(duì)幾種不同形狀的刻槽式破片戰(zhàn)斗部進(jìn)行建模，并劃分網(wǎng)格如圖1所示。考慮到刻槽方向不具有空間對(duì)稱性，因此建立全模型。在進(jìn)行有限元數(shù)值模擬時(shí)對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)睾?jiǎn)化，殼體厚度選取4 mm，刻槽寬度選取0.4 mm，刻槽深度選取3 mm。

炸藥起爆方式選擇底部中心點(diǎn)起爆，建模單位使用cm-g-μs，采用多物質(zhì)ALE算法，空氣和靶板之間使用流-固耦合。炸藥直徑選取100 mm，裝藥高度選取110 mm，空氣厚度為10 mm并添加非反射邊界。炸藥和空氣的有限元模型如圖2所示。

在研究破片對(duì)鋼靶的侵徹性能時(shí)，為了便于觀察，提取每種形狀的單個(gè)破片重新建模。破片初速取1 000 m/s,侵徹角為0°(垂直侵徹)。考慮到破片接觸靶板時(shí)已經(jīng)產(chǎn)生一定的變形，故調(diào)整尺寸為穩(wěn)定飛行時(shí)的尺寸。破片形成后轉(zhuǎn)速和質(zhì)量損失較小，對(duì)侵徹靶板的影響可忽略不計(jì)。因此侵徹模型可等效為破片塊垂直侵徹鋼靶，有限元模型如圖3所示。鋼靶尺寸為100 mm×100 mm×5 mm，破片與鋼靶之間使用侵蝕接觸算法。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 破片成形分析

圖4～7為4種破片分別在10 μs和70 μs時(shí)的破片成形狀態(tài)及合速度分布云圖。

從圖4～7中可以看出，4種不同刻槽方式的殼體均在10 μs左右開始破裂，周向的破裂程度大于軸向的破裂程度，殼體中間的破片速度明顯大于兩端的速度,最終呈球柱形向外擴(kuò)散。

這是由于爆轟波在徑向反射增強(qiáng)而在軸向逐漸衰減，且在上下端面處產(chǎn)生氣體泄露。對(duì)比分析70 μs時(shí)的云圖可知，正六邊形破片的預(yù)控效果最好，沒有出現(xiàn)粘連破片。三角形破片和菱形破片存在一定的雙破片粘連，正方形破片則存在多破片粘連，這在一定程度上降低了殺傷威力。

2.2 破片速度及質(zhì)量損耗分析

圖8～11為4種破片速度隨時(shí)間變化的曲線圖，在軸向方向從底部到頂部均勻選取A～E6個(gè)參考節(jié)點(diǎn)來顯示不同高度處破片的速度。

從圖8～11中可以看出4種破片在20～30 μs達(dá)到最高速度，約在50 μs時(shí)速度逐漸趨于穩(wěn)定。中間段的破片速度最高，沿上下端面逐漸遞減，且上端面的破片速度低于下端面。這是由于起爆方式為底部中心點(diǎn)起爆，爆轟波傳播到上端面處衰減較多，并在上端面產(chǎn)生一定的泄漏。

表4給出了4種破片穩(wěn)定飛行后的最大速度、最小速度和平均速度。分析可知，4種破片形成時(shí)的速度較為接近，平均速度均在1 000～1 100 m/s之間。由此可見，在刻槽參數(shù)(槽寬、槽深、槽間距等)一定的情況下，只改變刻槽破片的形狀對(duì)破片成形速度影響較小。

表4 各破片速度對(duì)比 m/s

表5給出了起爆前殼體質(zhì)量、破片穩(wěn)定飛行后有效破片總質(zhì)量以及質(zhì)量的損耗率。由于刻槽方式的不同，4種殼體的初始質(zhì)量具有一定差異，但相差小于2%，可忽略不計(jì)。表中數(shù)據(jù)顯示殼體在碎裂過程中，三角形破片的質(zhì)量損耗率最大，正方形破片則最小，但相差在3%內(nèi)，因此破片形狀對(duì)殼體的質(zhì)量損耗影響不大。

2.3 破片侵徹性能分析

圖12為各破片侵徹鋼靶的后效圖，4種破片在侵徹靶板后均產(chǎn)生較大變形成為扁平的片狀體，形成孔的輪廓與破片形狀基本一致，4種破片對(duì)靶板的破壞形式均為沖塞破壞。

圖13給出了破片侵徹鋼靶過程的速度變化情況，三角形、菱形、正方形、正六邊形破片穿靶后剩余速度分別為630、665、685、735m/s，仍具有殺傷能力。通過對(duì)比分析可知，在初速和質(zhì)量相同的情況下，各形狀破片的殺傷威力由強(qiáng)到弱為：正六邊形、正方形、菱形、三角形。

3 結(jié)論

應(yīng)用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對(duì)截面為三角形、正方形、菱形以及正六邊形的外部刻槽式預(yù)控破片戰(zhàn)斗部成形過程以及破片侵徹靶板過程進(jìn)行數(shù)值模擬，得出如下結(jié)論：

1)正六邊形破片的預(yù)控效果最好，沒有產(chǎn)生相互粘連的破片；菱形破片存在少量的雙破片粘連，正方形破片和三角形破片則存在多破片粘連。

2)在刻槽參數(shù)(刻槽深度、刻槽寬度和刻槽間隔)一定的情況下，預(yù)控破片形狀對(duì)破片成形速度影響不大，對(duì)殼體質(zhì)量損耗也影響較小。

3)通過破片侵徹鋼靶的仿真計(jì)算，得出在初速和質(zhì)量相同的情況下，各截面形狀破片的殺傷威力由強(qiáng)到弱為：正六邊形、正方形、菱形、三角形。