基于LS-DYNA的巡飛彈安全性分析研究

賈飛 劉彥池 苑大威 李哲

摘? 要：針對(duì)巡飛彈在巡飛過(guò)程中，因惡劣天氣強(qiáng)電磁干擾，發(fā)生的急加速、急轉(zhuǎn)、跌落時(shí)戰(zhàn)斗部的安全性進(jìn)行了研究;通過(guò)對(duì)巡飛彈在急加速、急轉(zhuǎn)、跌落過(guò)程的理論分析，確定巡飛彈戰(zhàn)斗部在急加速、急轉(zhuǎn)時(shí)的過(guò)載加速度范圍和跌落時(shí)的碰撞速度和角度范圍;利用LS-DYNA開(kāi)展不同加速度過(guò)載刺激，以及不同碰撞刺激下的有限元分析，確定巡飛彈戰(zhàn)斗部處于安全狀態(tài)，為巡飛彈戰(zhàn)斗部的安全性評(píng)估分析和戰(zhàn)斗部強(qiáng)度提升、材料優(yōu)化提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：巡飛彈;戰(zhàn)斗部;彈藥安全性;數(shù)值仿真

中圖分類號(hào)：TP391.9? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2021）23-0043-05

Research on Safety Analysis of Cruiser Based on LS-DYNA

JIA Fei1， LIU Yanchi1， YUAN Dawei1，2， LI Zhe3

（No.208 Research Institute of China Ordnance Industries， Beijing? 102202， China; 2.Science and Technology on Transient Impact Laboratory， Beijing? 102202， China; 3.North University of China， Taiyuan? 030051， China）

Abstract： The safety of the warhead in the process of cruiser flying is studied in the case of rapid acceleration， sharp turn and falling due to strong electromagnetic interference caused by bad weather. The range of overload acceleration and collision velocity and angle of cruiser warhead are determined by theoretical analysis of cruiser warhead in rapid acceleration， sharp turn and falling process. LS-DYNA is used to carry out finite element analysis under the different acceleration overload stimulation and different collision stimulation to determine that the cruiser warhead is in a safe state， which provides theoretical basis for the safety evaluation and analysis of the cruiser warhead， and the strength improvement and material optimization of the warhead.

Keywords： cruiser; warhead; ammunition safety; numerical simulation

0? 引? 言

巡飛彈的巡飛階段在相對(duì)高度為100～300 m的高空飛行時(shí)，存在因惡劣天氣強(qiáng)電磁干擾，人為操作失誤情況下而發(fā)生的急加速、急轉(zhuǎn)、跌落的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致戰(zhàn)斗部在引信保險(xiǎn)狀態(tài)下異常起爆，對(duì)武器及人員的安全造成威脅，進(jìn)而形成惡劣的后果。因此，研究巡飛彈戰(zhàn)斗部在急加速、急轉(zhuǎn)存在的過(guò)載情況下及高空跌落的狀況下的安全性問(wèn)題具有重要意義。

早在20世紀(jì)70年代，美軍經(jīng)歷過(guò)幾次因彈藥意外爆炸造成的重大損失的事故后，以美軍為首的西方國(guó)家就開(kāi)始進(jìn)行系統(tǒng)性的彈藥安全性研究，在彈藥安全性政策研究、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定等方面取得了非常明顯的成效，形成完備的彈藥安全性政策、標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)體系[1]。國(guó)內(nèi)的眾多學(xué)者也對(duì)彈藥的安全性開(kāi)展了大量研究，喬良等[2]針對(duì)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部在意外刺激源下的安全性問(wèn)題，結(jié)合數(shù)值模擬、安全閾值判據(jù)與典型試驗(yàn)驗(yàn)證手段，提出了一種戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部安全性綜合評(píng)估方法;李廣嘉等[3]采用LS-DYNA動(dòng)力學(xué)仿真軟件模擬戰(zhàn)斗部跌落試驗(yàn)，基于材料本構(gòu)模型對(duì)戰(zhàn)斗部跌落安全性進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到了不同狀態(tài)下戰(zhàn)斗部跌落的結(jié)構(gòu)變形和裝藥響應(yīng)數(shù)據(jù);謝濤等[4]對(duì)空空導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部跌落過(guò)程進(jìn)行理論分析，確定了戰(zhàn)斗部跌落時(shí)裝藥最大應(yīng)力的彈著角范圍，并采用LS-DYNA仿真軟件進(jìn)行了驗(yàn)證，確定了空空導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部的跌落安全高度為12 m。

上述研究成果并未對(duì)巡飛彈戰(zhàn)斗部在加速度過(guò)載刺激下以及高空跌落刺激下的安全性進(jìn)行專項(xiàng)研究。數(shù)值仿真研究能克服試驗(yàn)耗資巨大、安全性保障等實(shí)際問(wèn)題，節(jié)約成本和時(shí)間[5-7]，因此，本文通過(guò)對(duì)巡飛彈在巡飛階段因意外出現(xiàn)的急加速、急轉(zhuǎn)以及在100～300 m的高空跌落過(guò)程的分析確定巡飛彈戰(zhàn)斗部在急加速、急轉(zhuǎn)時(shí)的過(guò)載加速度范圍和跌落時(shí)的碰撞速度和角度范圍，通過(guò)LS-DYNA動(dòng)力學(xué)仿真軟件進(jìn)行分析計(jì)算[8]，結(jié)合材料的安全閾值數(shù)據(jù)評(píng)估不同工況下巡飛彈戰(zhàn)斗部的安全性。

1? 過(guò)載刺激下巡飛彈安全性分析

1.1? 數(shù)值計(jì)算模型

由實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可知，巡飛彈戰(zhàn)斗部在過(guò)載刺激下會(huì)受到強(qiáng)烈的沖擊載荷，當(dāng)沖擊載荷超過(guò)彈體裝藥的承受能力時(shí)，可能會(huì)直接激發(fā)炸藥爆炸，引起安全問(wèn)題，與巡飛彈的彈體外形沒(méi)有較大關(guān)系，因此為了減少仿真計(jì)算時(shí)間，僅對(duì)巡飛彈戰(zhàn)斗部開(kāi)展過(guò)載刺激下安全性分析，利用UG建立的巡飛彈戰(zhàn)斗部三維模型如圖1所示。

LS-DYNA數(shù)值計(jì)算模型采用cm-g-?s單位制，其中藥形罩和預(yù)制破片采用描述材料在高速?zèng)_擊下物理特性的Johnson-Cook本構(gòu)模型，模型參數(shù)如表1所示，研究的炸藥采用彈塑性模型（ELASTIC_PLASTIC_HYDRO），其沖擊引爆過(guò)程采用點(diǎn)火與增長(zhǎng)狀態(tài)方程（IGNITION_AND_GROWTH_OF_REACTION_IN_HE）描述。巡飛彈戰(zhàn)斗部裝藥采用8701炸藥，本構(gòu)模型基本參數(shù)如表2所示，其對(duì)應(yīng)的點(diǎn)火與增長(zhǎng)狀態(tài)方程參數(shù)如表3所示，戰(zhàn)斗部殼體和引信簡(jiǎn)化模型采用PLASTIC_KINEMATIC模型[9，10]，參數(shù)如表4所示。

1.2? 計(jì)算工況

通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)資料的查詢，得知巡飛彈在巡飛階段飛行時(shí)，發(fā)生加速或急轉(zhuǎn)情況巡飛彈受到的加速度過(guò)載約為幾個(gè)G，故對(duì)巡飛彈戰(zhàn)斗部施加軸線方向的過(guò)載，進(jìn)行2G、4G、6G、8G、10G、12G、14G、16G、18G、20G等10種工況分析。

1.3? 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格生成是偏微分方程數(shù)值求解的前處理步驟，網(wǎng)格生成在整個(gè)數(shù)值模擬過(guò)程中的地位極其重要，網(wǎng)格的“好壞”決定了后續(xù)計(jì)算的精度、效率乃至成敗。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格具有質(zhì)量好，生成速度快，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，因此，將UG建立的巡飛彈戰(zhàn)斗部模型導(dǎo)入Hypermesh網(wǎng)格劃分軟件中，各零件采用六面體三維網(wǎng)格構(gòu)建所有零件的網(wǎng)格模型，如圖2所示。

1.4? 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

本文通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果的炸藥反應(yīng)度來(lái)判斷裝藥是否安全，當(dāng)反應(yīng)度大于1則認(rèn)為炸藥爆炸，其中，20G過(guò)載刺激下巡飛彈戰(zhàn)斗部應(yīng)力云圖和反應(yīng)度云圖如圖3所示，可以看出戰(zhàn)斗部殼體沒(méi)有明顯變形，應(yīng)力較小，且反應(yīng)度小于1，不同過(guò)載刺激下戰(zhàn)斗部裝藥反應(yīng)度如表5所示。數(shù)值模擬結(jié)果表明，各種工況下炸藥反應(yīng)度均遠(yuǎn)小于1，炸藥狀態(tài)穩(wěn)定，故認(rèn)為在巡飛彈在巡飛過(guò)程中因突發(fā)狀況受到過(guò)載刺激時(shí)，對(duì)戰(zhàn)斗部裝藥安全性沒(méi)有影響。

2? 跌落刺激下巡飛彈安全性分析

2.1? 數(shù)值計(jì)算模型

通過(guò)UG建模軟件建立巡飛彈三維模型，將真實(shí)模型中不影響或影響較小的小邊、小面、小孔、倒角等幾何尺寸刪除，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，巡飛彈簡(jiǎn)化模型及地面如圖4所示。

跌落安全性仿真模型中，巡飛彈的頭部與剛性面發(fā)生碰撞，因此巡飛彈的頭部、機(jī)身、機(jī)前翼、機(jī)尾以及戰(zhàn)斗部殼體和引信簡(jiǎn)化模型，均采用描述材料在高速?zèng)_擊下物理特性的Johnson-Cook本構(gòu)模型，參數(shù)如下表6所示。戰(zhàn)斗部其余部件的材料參數(shù)與過(guò)載刺激下戰(zhàn)斗部安全性分析模型中的相同。

在LS-dyna中，利用材料剛體材料模型*MAT_RIGID定義一個(gè)剛性板，讓巡飛彈以不同角度、不同速度撞擊剛性板，材料參數(shù)如下表7所示。

2.2? 計(jì)算工況

巡飛彈在異常跌落情況下，撞擊地面的撞擊速度與撞擊角度的大小與巡飛彈的飛行速度、跌落高度有關(guān)，基于正交設(shè)計(jì)原理，構(gòu)建2因素6水平正交表，以飛行速度v=30～50 m/s，跌落高度100～300 m為例，假設(shè)理想狀態(tài)下，通過(guò)計(jì)算不同跌落高度時(shí)垂直地面的速度和不同水平飛行速度，得到巡飛彈的撞擊速度范圍為44.27～91.54 m/s，撞擊角度范圍41.52°～90°。因此，選擇40 m/s、50 m/s、60 m/s、?70 m/s、80 m/s、90 m/s，6個(gè)撞擊速度，15°、30°、45°、60°、75°、90°6個(gè)撞擊角度，組成36種工況，進(jìn)行不同撞擊速度，不同撞擊角度下的彈藥安全性分析。

2.3? 網(wǎng)格劃分

將UG建立的巡飛彈簡(jiǎn)化模型導(dǎo)入Hypermesh網(wǎng)格劃分軟件中，各零件采用六面體三維網(wǎng)格構(gòu)建所有零件的網(wǎng)格模型，如圖5所示。

2.4? 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

巡飛彈以90 m/s的速度90°撞擊時(shí)的應(yīng)力云圖如圖6所示，巡飛彈的頭部撞在剛性板后，發(fā)生劇烈擠壓變形，戰(zhàn)斗部以及其余部件在慣性作用下繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，直至撞到剛性板，戰(zhàn)斗部產(chǎn)生劇烈形變，當(dāng)戰(zhàn)斗部撞擊剛性板速度衰減為0時(shí)，戰(zhàn)斗部裝藥反應(yīng)度如圖7所示，反應(yīng)度為0.002，遠(yuǎn)小于1，巡飛彈處于安全狀態(tài)。不同撞擊工況下戰(zhàn)斗部裝藥的反應(yīng)度如表8所示，從數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可以看出，所有工況下戰(zhàn)斗部裝藥的反應(yīng)度均遠(yuǎn)小于1，炸藥未燃未爆，說(shuō)明巡飛彈處于安全狀態(tài)。

3? 結(jié)? 論

本文針對(duì)巡飛彈在巡飛過(guò)程中，存在急加速、急轉(zhuǎn)、跌落的風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)數(shù)值仿真，模擬巡飛彈在加速度過(guò)載刺激和跌落刺激下的各種實(shí)際工況，分析了巡飛彈在不同加速度過(guò)載和不同撞擊姿態(tài)、速度對(duì)剛性地面的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，得到炸藥內(nèi)部的應(yīng)力和反應(yīng)度響應(yīng)，巡飛彈戰(zhàn)斗部在巡飛階段因意外情況急加速、急轉(zhuǎn)、跌落時(shí)，裝藥不會(huì)發(fā)生爆炸，處于安全狀態(tài)，為今后戰(zhàn)斗部的跌落安全性評(píng)價(jià)分析和戰(zhàn)斗強(qiáng)度提升、材料優(yōu)化提供理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 韓方丁，井文明，唐勝景.國(guó)外系統(tǒng)開(kāi)展彈藥安全性研究的啟示 [J].新技術(shù)新工藝，2020（5）：1-5.

[2] 喬良，龔蘋，劉晉渤，等.戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部安全性評(píng)估方法研究 [J].戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù)，2020（2）：34-38+82.

[3] 李廣嘉，周濤，曹玉武，等.帶艙大型戰(zhàn)斗部跌落響應(yīng)數(shù)值分析 [J].高壓物理學(xué)報(bào)，2018，32（4）：153-157.

[4] 謝濤，呂紅超，郝陳朋.基于LS-DYNA的導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部跌落安全性分析 [J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2018，39（8）：26-29.

[5] 江明，唐成，袁寶慧.導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部安全性試驗(yàn)評(píng)估 [J].四川兵工學(xué)報(bào)，2015，36（7）：6-9.

[6] 董三強(qiáng)，馮順山，金俊.彈藥安全性能評(píng)價(jià)模型研究 [J].兵工學(xué)報(bào)，2011，32（4）：421-425.

[7] 董海山.鈍感彈藥的由來(lái)及重要意義 [J].含能材料，2006（5）：321-322.

[8] 時(shí)黨勇，李裕春，張勝民.基于 ANSYS/LS-DYNA8.1 進(jìn)行顯式動(dòng)力分析 [M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[9] Livermore Software Technology Corporation.LS-DYNAR keyword users manual [Z].Livermore Software Technology Corporation，2007.

[10] Livermore Software Technology Corporation.LS-DYNA theory manual [Z].Livermore Software Technology Corporation，2007.

作者簡(jiǎn)介：賈飛（1987.08—），男，漢族，山西大同人，高級(jí)工程師，碩士研究生，研究方向：仿真技術(shù)。