V形刻槽預(yù)制破片戰(zhàn)斗部爆炸仿真研究

余志統(tǒng)，施冬梅，尚春明，石永相，李文釗

(1.陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū) 彈藥工程系， 石家莊 050003；2.西北核技術(shù)研究所， 西安 710024)

進(jìn)入新世紀(jì)以來，彈箭技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)主要是實(shí)現(xiàn)精確打擊、遠(yuǎn)程壓制和高效毀傷多種類型目標(biāo)的能力。戰(zhàn)斗部是武器系統(tǒng)的有效載荷，是彈藥毀傷目標(biāo)或完成其他戰(zhàn)斗任務(wù)的重要組成部分。殺爆彈歷來是戰(zhàn)爭中的常規(guī)武器之一，能兼顧殺傷、爆破兩種作用，以打擊空中、地面、水上各種目標(biāo)，如飛機(jī)、導(dǎo)彈、軍事工事、坦克、裝甲車輛、艦艇以及有生力量等[1]。目前在預(yù)制破片戰(zhàn)斗部中，多采用鎢合金材料，典型配方為W93和W95，該材料具有高密度、高強(qiáng)度、高熔點(diǎn)等良好性能，已經(jīng)逼近晶態(tài)合金材料的極限狀態(tài)[2-3]。若要提高預(yù)制破片毀傷效能，可從起爆方式、破片材料與預(yù)制體形狀等方面進(jìn)行研究。在破片環(huán)上進(jìn)行刻槽，可以使產(chǎn)生的破片更加規(guī)則，使破片分布更加均勻[4]。

戰(zhàn)斗部的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，一方面，戰(zhàn)斗部的爆轟、破片的飛散是一個(gè)復(fù)雜的物理、力學(xué)過程，難以利用數(shù)學(xué)、力學(xué)等方法進(jìn)行直接求解；另一方面，采用實(shí)驗(yàn)的方法，需多次實(shí)驗(yàn)反復(fù)校正，不僅成本極高，并且周期較長。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)值仿真方法能夠較好地模擬介質(zhì)間的高速碰撞、形變和斷裂等復(fù)雜過程，獲得清晰直觀的圖像以及完整的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此可用于新型預(yù)制破片戰(zhàn)斗部的設(shè)計(jì)研制過程中[5]。目前，國內(nèi)關(guān)于V形刻槽預(yù)制破片的爆炸飛散規(guī)律的研究較少，幾乎沒有公開發(fā)表的仿真研究文獻(xiàn)。

1 仿真模型構(gòu)建

1.1 實(shí)體模型的建立與簡化

本文選取某型殺爆彈彈丸作為研究對(duì)象，該種彈丸所采用預(yù)制破片為V形刻槽結(jié)構(gòu)。本文重點(diǎn)對(duì)預(yù)制破片飛散規(guī)律進(jìn)行研究，為簡化計(jì)算，在不影響預(yù)制破片爆炸飛散效果的基礎(chǔ)上，建立殺爆彈彈丸圓柱戰(zhàn)斗部的實(shí)體模型，如圖1。同時(shí)，為了保證炸藥爆轟的密閉環(huán)境，增加一端蓋，實(shí)體模型及剖面圖如圖2所示。由于該實(shí)體模型旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，因此為減小工作量、提高仿真計(jì)算速度，建模過程中可建造四分之一模型。環(huán)裝刻槽鎢合金預(yù)制破片如圖3所示。

圖1 彈丸實(shí)體模型

圖2 預(yù)制破片戰(zhàn)斗部簡化模型

圖3 預(yù)制破片實(shí)體模型

1.2 V形刻槽預(yù)制破片有限元模型

將在SOLIDWORKS中建立的實(shí)體模型另存為.x-t幾何文件，導(dǎo)入ICEM中進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。ICEM CFD是一款計(jì)算前處理軟件，包括從幾何創(chuàng)建、網(wǎng)格劃分、前處理?xiàng)l件設(shè)置等功能，能夠滿足復(fù)雜分析對(duì)集成網(wǎng)格劃分與后處理的需求。

在有限元模型網(wǎng)格劃分過程中，若有限元的數(shù)過于龐大，則易出現(xiàn)計(jì)算運(yùn)行緩慢，甚至是無法進(jìn)行運(yùn)算的問題。如網(wǎng)格過于稀疏，則不能很好地模擬實(shí)際爆轟加載過程，出現(xiàn)較大誤差甚至是錯(cuò)誤。因此，需要對(duì)模型的網(wǎng)格疏密進(jìn)行合理的布局安排。預(yù)制破片部分，適當(dāng)加密其網(wǎng)格數(shù)量，尤其是V形刻槽[6]處，在炸藥爆轟作用下會(huì)發(fā)生斷裂，增加此處有限元數(shù)量能夠更加真實(shí)地模擬出預(yù)制破片槽口處變形直至斷裂的過程。

在有限元爆炸仿真過程中，網(wǎng)格的長寬比必須處于一定范圍內(nèi)，才能保證計(jì)算結(jié)果的正確性和精確程度，一般來說單個(gè)網(wǎng)格長寬比不大于10∶1。為了提高計(jì)算精度，同時(shí)控制總體有限元數(shù)量，在V形槽口處采用扁矩形網(wǎng)格，同時(shí)以其長邊作為破片網(wǎng)格短邊，減低網(wǎng)格的數(shù)量，保證了總體有限元網(wǎng)格的質(zhì)量，刻槽處網(wǎng)格劃分如圖4所示。在ICEM中，對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查，檢查結(jié)果如圖5所示，質(zhì)量參數(shù)0.3以上的網(wǎng)格基本滿足有限元仿真要求，越接近1說明網(wǎng)格質(zhì)量越高，本模型網(wǎng)格質(zhì)量參數(shù)為0.6～1，可以保證爆炸仿真試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

圖4 預(yù)制破片網(wǎng)格局部放大示意圖

1.3 材料參數(shù)設(shè)定

有限元仿真軟件AUTODYN是美國Century Dynamics公司于1985年在加州硅谷開發(fā)的一款軟件產(chǎn)品，其采用有限差分和有限元技術(shù)解決固體、流體、氣體及其相互作用的高度非線性動(dòng)力學(xué)問題。它提供很多高級(jí)功能，具有濃厚的軍工背景，在國際軍工行業(yè)占據(jù)80%以上的市場，尤其在水下爆炸、空間防護(hù)、戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)等領(lǐng)域具有不可替代性[7-8]。

戰(zhàn)斗部主要包括殼體、炸藥、預(yù)制破片、包覆層和端蓋五部分，其中，殼體、包覆層和端蓋均采用823鋼材料(50SiMnVB)，預(yù)制破片材料為鎢合金，炸藥選用B炸藥。炸藥爆轟加載條件下，殼體、包覆層、端蓋發(fā)生變形、斷裂，預(yù)制破片受到爆轟產(chǎn)物沖擊，槽口處由于應(yīng)力集中會(huì)發(fā)生斷裂。因此，殼體、包覆層、端蓋和預(yù)制破片可采用Lagrange單元，空氣和炸藥選擇Euler單元?？諝獠捎美硐霘怏w模型，初始能量參數(shù)Int Energy為2.068×105。

圖5 網(wǎng)格質(zhì)量檢查結(jié)果

1.4 起爆點(diǎn)及觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置

起爆方式對(duì)戰(zhàn)斗部爆轟效果具有顯著的影響[9]，起爆方式不同，戰(zhàn)斗部爆轟所產(chǎn)生破片的初速、分布均不同。原彈戰(zhàn)斗部由引信自彈頭處起爆，當(dāng)爆轟波傳播至預(yù)制破片部分時(shí)，可將波陣面視為平面。因此，在進(jìn)行預(yù)制破片戰(zhàn)斗部爆炸仿真時(shí)，將其起爆方式設(shè)置為炸藥端面處面起爆，更貼合實(shí)際情況。

為了獲得詳盡的破片參數(shù)，在每一個(gè)鎢合金破片上設(shè)置Gauge點(diǎn)以記錄爆炸過程數(shù)據(jù)。Gauges分為兩種，一種是固定在空間某一點(diǎn)，另一種固定在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上，跟隨網(wǎng)格移動(dòng)。在破片上設(shè)置隨動(dòng)Gauge，可監(jiān)測(cè)并記錄破片的實(shí)時(shí)速度、角度等信息。如圖6所示，靠近端蓋的為第一圈破片，按照先軸向后周向的順序?qū)︻A(yù)制破片依次編號(hào)，共設(shè)置84個(gè)破片隨動(dòng)觀測(cè)點(diǎn)。

圖6 Gauges觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置

2 仿真結(jié)果及分析

采用ANSYS/AUTODYN軟件對(duì)預(yù)制破片戰(zhàn)斗部爆炸過程進(jìn)行仿真模擬，整個(gè)計(jì)算過程耗時(shí)約185 h，初始階段，炸藥在72 μs內(nèi)完成爆轟，爆轟波在炸藥內(nèi)迅速傳播，戰(zhàn)斗部爆炸所形成破片的飛散效果如圖7、圖8所示。

圖7 徑向破片飛散場

圖8 軸向破片飛散場

2.1 預(yù)制破片初速分析

炸藥端面被起爆后，炸藥內(nèi)部壓力迅速升高至33 GPa，爆轟波在炸藥內(nèi)部傳播，產(chǎn)生大量爆轟產(chǎn)物。鎢合金預(yù)制破片槽口在高溫高壓氣體的作用下斷裂成單枚破片[10-11]。受到?jīng)_擊波的高壓作用時(shí)，預(yù)制破片徑向被壓縮，在軸向和周向出現(xiàn)輕微拉伸變形。從其速度-時(shí)間曲線(圖9和圖10)可以看出，周向的破片由于位置對(duì)稱，均在很短的時(shí)間內(nèi)被驅(qū)動(dòng)至較高的速度，然后保持穩(wěn)定飛行。

圖9 徑向預(yù)制破片速度-時(shí)間曲線

圖10 軸向預(yù)制破片速度-時(shí)間曲線

該型戰(zhàn)斗部靜爆試驗(yàn)中，鎢合金預(yù)制破片的平均初速為1 039 m/s，仿真試驗(yàn)結(jié)果的初速為950.6 m/s，兩者相差8.5%，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果較為吻合。仿真試驗(yàn)初速較低，可能是由于戰(zhàn)斗部簡化，仿真試驗(yàn)過程中殼體內(nèi)裝藥爆轟壓力低于靜爆試驗(yàn)爆轟壓力[12]。

取軸向破片Gauge1～6數(shù)據(jù)，其時(shí)間-速度曲線如圖10，從圖10中可以清晰地看出，越靠近起爆面，破片的初速越低。六圈破片的平均初速分別為：896 m/s、901 m/s、924 m/s、953 m/s、981 m/s、1 046 m/s。炸藥被起爆后，爆轟波在炸藥內(nèi)部傳播，戰(zhàn)斗部內(nèi)部氣體產(chǎn)物的壓力不斷升高。從圖11時(shí)間-壓力曲線可以看出，靠近的破片，雖然先受到爆轟波的沖擊，但由于炸藥還未完全爆轟，壓力較小，所以速度比遠(yuǎn)離炸藥端面的破片速度稍小。

對(duì)所設(shè)置Gauge點(diǎn)的速度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，通過其軸向分速和速度的比值，可計(jì)算出破片的方向角φ。刻槽預(yù)制破片的平均方向角為91.7°，飛散方向角為88.3°～93.4°。與自然破片相比，V形刻槽預(yù)制破片的飛散角相對(duì)較小，所形成的破片場為環(huán)帶狀，有效殺傷區(qū)域內(nèi)破片較為密集。

2.2 離散式預(yù)制破片對(duì)比分析

為分析V形刻槽對(duì)鎢合金預(yù)制破片爆炸飛散的影響，僅改變破片連接方式，建立離散式預(yù)制破片戰(zhàn)斗部有限元模型，并進(jìn)行爆炸仿真計(jì)算。離散式預(yù)制破片平均初速為1 028 m/s，平均方向角為87.1°～95.5°。離散式預(yù)制破片戰(zhàn)斗部破片飛散速度-時(shí)間曲線如圖11、圖12。

與V刻槽預(yù)制破片爆炸飛散過程對(duì)比可知，刻槽式破片初速較低。其原因是，V形槽口的深度較淺，炸藥使其斷裂所消耗的能量小于鎢合金的斷裂能，所以初速低于離散型預(yù)制破片。兩者飛散角相差不大，破片的飛散分布基本不受破片間連接方式的影響。

圖11 徑向離散破片速度-時(shí)間曲線

圖12 軸向離散破片速度-時(shí)間曲線

3 結(jié)論

1) 本文提出的優(yōu)化網(wǎng)格比值的有限元網(wǎng)格的建立方法，適用于V形刻槽式預(yù)制破片戰(zhàn)斗部的爆炸仿真研究，優(yōu)化了爆炸仿真模型，提高了數(shù)值模擬的精度和效率。下一步可考慮對(duì)結(jié)構(gòu)等效簡化，減少刻槽處網(wǎng)格層數(shù)替代直接進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

2) V形刻槽預(yù)制破片平均初速為950.6 m/s，飛散方向角為88.3°～93.4°。與靜爆試驗(yàn)平均初速1 039 m/s比較，誤差為8.5%?？拷鸨娴钠破跛佥^小，且由于僅有六圈預(yù)制破片，在一定范圍內(nèi)破片密度較高，整體毀傷效果受彈目交匯姿態(tài)影響較大。

3) 與離散式破片相比較，V形刻槽預(yù)制破片平均初速低于離散式預(yù)制破片7.5%；飛散角基本不受刻槽結(jié)構(gòu)的影響。