預(yù)制破片飛散特性的數(shù)值模擬

王慶書 張嘉易 郝永平 趙麗俊

(沈陽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 遼寧 沈陽 110159)

預(yù)制破片按需要的形狀和尺寸，用規(guī)定的材料預(yù)先制造好，并用粘結(jié)劑粘結(jié)在裝藥外的內(nèi)襯上或戰(zhàn)斗部殼體的內(nèi)腔上以維持一定的形狀在炸藥爆炸后飛散撞擊毀傷目標(biāo)[1]。國內(nèi)外的學(xué)者對(duì)預(yù)制破片的數(shù)值模擬進(jìn)行了大量的研究，并取得了一系列的實(shí)驗(yàn)和仿真的結(jié)果。臧立偉等利用數(shù)值仿真的方法對(duì)軸向預(yù)制破片戰(zhàn)斗部進(jìn)行研究，分析了炸藥爆速、起爆點(diǎn)位置對(duì)預(yù)制破片的飛散影響[2]。中國工程物理研究院總體工程研究所楊云斌等人利用分析方法，建立破片飛散、破片作用目標(biāo)分析模型[3]。在國外尤其美國已經(jīng)成了較為完整和系統(tǒng)的理論方法。

一、有限元模型的建立

(一)實(shí)體結(jié)構(gòu)

圖1為該預(yù)制破片戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)，由50SiMnVB內(nèi)襯、炸藥、鎢塊預(yù)制破片和空氣區(qū)域組成。在建模的過程中，炸藥和空氣在交界處采用共節(jié)點(diǎn)建模。因整體的結(jié)構(gòu)模型是軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，了減少建模的時(shí)間和計(jì)算的工作量，現(xiàn)采用建立1/4模型，建模的單位制采用cm-g-us.

圖1 預(yù)制破片戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)示意圖

(二)材料和單元類型的確定

此戰(zhàn)斗部主要有四部分:炸藥、內(nèi)襯、預(yù)制破片和空氣區(qū)域，炸藥選用高能炸藥*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模，*EOS_JWL狀態(tài)方程?？諝獠捎?MAT_NULL材料模型，狀態(tài)方程采用*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL方程，預(yù)制破片和內(nèi)襯采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型。其中各個(gè)材料及狀態(tài)方程的參數(shù)如下各表。

表1 預(yù)制破片、內(nèi)襯材料參數(shù)

表2 炸藥材料參數(shù)

在接觸方式上：內(nèi)襯和破片之間采用侵蝕接觸(ERODING_SURFACE_TO_SURFACE)，炸藥和空氣之間因?yàn)镾OLID_ALE單元類型，不需要采用接觸，炸藥和空氣組成的“流體”與內(nèi)襯和破片組成的“固體”之間采用流固耦合方式，用到的關(guān)鍵字為：CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID。

二、求解結(jié)果

由以上方法建立的有限元模型，施加相應(yīng)的求解條件，將生成的K文件遞交求解計(jì)算。破片在120us時(shí)刻的飛散效果如下圖所示：

t=120us

現(xiàn)選取一些比較典型的預(yù)制破片繪制出速度隨時(shí)間變化的曲線如圖3所示：

圖3 預(yù)制破片的速度隨時(shí)間變化的曲線

從圖上可以看出。預(yù)制破片的速度在90us的時(shí)候基本上趨于穩(wěn)定，不再隨著時(shí)間的增加有顯著的增加，選取的這些節(jié)點(diǎn)在速度趨于穩(wěn)定后，其中最大的速度為830m/s,最小的速度為522m/s.通過分析所有節(jié)點(diǎn)的速度，預(yù)制破片的平均速度為721m/s。

為了研究破片的飛散范圍，現(xiàn)在破片上面自上而下取一些列的節(jié)點(diǎn)，通過破片的速度和沿z軸的分速度兩者之間的關(guān)系來確定破片的飛散角度。

表2 破片飛散數(shù)據(jù)表

三、結(jié)論

由上述表2可以看出，破片的飛散方向集中在82.9-87.4，通過飛散方向角計(jì)算出飛散角為9.7，大部分的破片的飛散范圍為-4.85和4.85，說明戰(zhàn)斗部打擊目標(biāo)的范圍比較集中，破片平均速度為721m/s,表明戰(zhàn)斗部殺傷威力較大。