破片撞擊作用下的戰(zhàn)斗部起爆規(guī)律研究

哈海榮,王團(tuán)盟,魯忠寶,黎 勤

破片撞擊作用下的戰(zhàn)斗部起爆規(guī)律研究

哈海榮,王團(tuán)盟,魯忠寶,黎 勤

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司 第705研究所,陜西 西安,710077)

針對(duì)RS211裝藥、全尺寸戰(zhàn)斗部的破片撞擊安全性問題,文中首先利用非線性有限元軟件LS- DYNA建立了破片撞擊RS211裝藥戰(zhàn)斗部的全尺寸仿真模型,進(jìn)行了仿真計(jì)算。同時(shí)通過試驗(yàn)驗(yàn)證,得到殼體膨脹末端速度平均誤差為3.7%,說明仿真與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較好,證明了仿真模型的合理性。最后開展了破片在不同速度、質(zhì)量和形狀下撞擊戰(zhàn)斗部的起爆規(guī)律研究,得到了起爆閾值。研究發(fā)現(xiàn): 帶錐頂圓柱破片撞擊起爆戰(zhàn)斗部裝藥的速度閾值為1 360 m/s; 當(dāng)速度為1 830 m/s時(shí),帶錐頂圓柱破片撞擊起爆戰(zhàn)斗部裝藥的質(zhì)量閾值是11 g; 4種不同形狀的破片以1 830 m/s的速度撞擊戰(zhàn)斗部時(shí),均能使炸藥起爆,但球形破片撞擊炸藥的峰值壓力明顯小于其他3個(gè),這可能與其光滑無銳角的外形有關(guān)。文中工作可為全尺寸戰(zhàn)斗部破片撞擊安全性研究提供參考。

戰(zhàn)斗部; 破片撞擊; 起爆規(guī)律; 起爆閾值

0 引言

彈藥安全性研究是當(dāng)今武器裝備發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù),世界各國(guó)都給予了密切關(guān)注[1-3]。各國(guó)學(xué)者針對(duì)戰(zhàn)斗部在破片撞擊作用下的響應(yīng)規(guī)律做了大量研究。James等[4]研究了破片沖擊帶殼裝藥的起爆判據(jù); Dickinson等[5]研究了破片撞擊方向?qū)ζ鸨瑤ふㄋ幣R界速度的影響; Gushanov等[6]進(jìn)行了破片撞擊炸藥試驗(yàn),并提出了破片撞擊仿真模型; 濮贊泉[7]和王昕[8]等分別研究了不同厚度蓋板、殼體材料和裝藥曲率半徑對(duì)破片撞擊帶殼B炸藥的影響規(guī)律; 趙海軍[9]和盧錦釗[10]等研究了鎢合金破片和六棱鎢柱破片沖擊起爆帶蓋板B炸藥的作用過程; 朱福林[11]、劉鵬飛[12]和王昕[13]等研究了破片不同形狀、長(zhǎng)徑比及入射角等因素對(duì)撞擊起爆帶殼B炸藥的影響規(guī)律; 劉曉夏[14]等研究了破片不同質(zhì)量、速度、侵徹角度和數(shù)量等因素對(duì)戰(zhàn)斗部安全性的影響規(guī)律; 梁斌[15]、屈可朋[16]和路迎[17]等分別就破片對(duì)多層蓋板炸藥、不同厚度護(hù)板帶殼裝藥、復(fù)合殼體裝藥的沖擊起爆問題進(jìn)行了研究; 張濤等[18]將戰(zhàn)斗部簡(jiǎn)化為帶鋼殼和墊層的炸藥組件; 陳長(zhǎng)海[19]和孫寶平[20]等研究了沖擊波和破片撞擊復(fù)合作用下的裝藥點(diǎn)火機(jī)理; 王少宏等[21]對(duì)單個(gè)和多個(gè)破片撞擊帶殼裝藥的侵徹效果進(jìn)行了研究。國(guó)內(nèi)外對(duì)破片撞擊作用下戰(zhàn)斗部的反應(yīng)規(guī)律研究較多,但大多數(shù)都關(guān)注較小尺寸或縮比尺寸戰(zhàn)斗部,對(duì)B炸藥研究較多,針對(duì)大尺寸、全尺寸戰(zhàn)斗部模型以及RS211炸藥的研究則比較少。

基于此,文中針對(duì)破片撞擊彈藥安全性,利用非線性有限元軟件LS-DYNA,建立了RS211裝藥戰(zhàn)斗部在破片撞擊作用下的全尺寸仿真模型,并進(jìn)行了試驗(yàn)研究,同時(shí)針對(duì)破片不同撞擊速度、質(zhì)量和形狀等工況,開展了破片撞擊作用下戰(zhàn)斗部起爆規(guī)律的研究。

1 有限元模型

1.1 數(shù)值模型

計(jì)算模型使用拉格朗日網(wǎng)格。根據(jù)對(duì)稱性,為減少計(jì)算時(shí)間,建立1/4模型,所有對(duì)稱面上都添加對(duì)稱邊界條件,模型采用cm-g-μs單位制。破片撞擊的1/4模型如圖1所示,模型網(wǎng)格如圖2所示。

圖1 仿真模型圖

圖2 模型網(wǎng)格圖

1.2 材料模型及狀態(tài)方程

計(jì)算中炸藥的沖擊響應(yīng)采用ELASTIC_PLA- STIC_HYDRO材料模型和IGNITION_AND_GR- OWTH_OF_REACTION_IN_HE狀態(tài)方程,該狀態(tài)方程可很好地仿真非均勻炸藥的沖擊起爆特性。

炸藥的部分材料參數(shù)如表1所示。表中:為裝藥密度;為爆速;P為爆壓;為爆熱。

表1 炸藥部分材料參數(shù)

破片和殼體采用JOHNSON_COOK材料模型和GRUNEISEN狀態(tài)方程。GRUNEISEN狀態(tài)方程的表達(dá)式為

破片和殼體的部分材料參數(shù)如表2所示。表中:1為材料密度;為剪切模量;為楊氏模量;為泊松比。

表2 破片和殼體部分材料參數(shù)

1.3 計(jì)算結(jié)果

在炸藥上沿著破片撞擊方向取10個(gè)單元,繪制如圖3所示的壓力變化曲線。由圖可知,隨著時(shí)間推移,炸藥反應(yīng)產(chǎn)生的峰值壓力迅速增大,達(dá)到20 GPa以上,隨后趨于穩(wěn)定,說明戰(zhàn)斗部裝藥在破片撞擊下已經(jīng)發(fā)生了爆轟反應(yīng)。

圖3 炸藥峰值壓力變化曲線

破片撞擊戰(zhàn)斗部起爆過程如圖4所示。破片作用于殼體之上,對(duì)殼體和炸藥造成強(qiáng)烈擠壓,如圖4(a)所示; 破片持續(xù)作用造成殼體破損,并穿入殼體直接作用于炸藥之上,炸藥擠壓受熱發(fā)生爆轟反應(yīng),爆轟波在炸藥中穩(wěn)定傳播,如圖4(b)所示; 炸藥完全爆轟產(chǎn)生的沖擊波作用于殼體之上,驅(qū)動(dòng)殼體向外飛散,并造成殼體的大面積破損,如圖4(c)所示; 在沖擊波的持續(xù)作用下,殼體完全破壞,形成許多自然破片,并快速向四周飛散,如圖4(d)所示。

在破片的撞擊作用下,炸藥受到強(qiáng)烈壓縮,炸藥顆粒之間產(chǎn)生摩擦和變形,使顆粒表面以及裝藥內(nèi)部缺陷處的炸藥快速升溫,在炸藥顆粒表面首先發(fā)生高速的化學(xué)反應(yīng),而后以一定速度向顆粒內(nèi)部擴(kuò)展,形成許多“熱點(diǎn)”,進(jìn)而傳到整個(gè)炸藥層。爆轟波隨著炸藥的反應(yīng)而成長(zhǎng),炸藥反應(yīng)穩(wěn)定之后,爆轟波也隨之穩(wěn)定傳播。

圖4 破片撞擊戰(zhàn)斗部起爆過程

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)裝置及條件

破片撞擊試驗(yàn)系統(tǒng)如圖5所示,由破片發(fā)射系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)(測(cè)速系統(tǒng)、攝錄系統(tǒng)等)、戰(zhàn)斗部等組成。

圖5 破片撞擊試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

圖中,測(cè)速系統(tǒng)包括光子多普勒測(cè)速儀(pho- tonic Doppler velocimeter,PDV)殼體膨脹速度測(cè)試系統(tǒng)和梳妝靶破片速度測(cè)試系統(tǒng),攝錄系統(tǒng)包括高速攝影系統(tǒng)和監(jiān)控錄像系統(tǒng)。

破片如圖6所示,其尺寸、材料、質(zhì)量等與數(shù)值模型一致,破片速度通過火炮加載。破片撞擊方向與戰(zhàn)斗部縱軸垂直,撞擊點(diǎn)位于戰(zhàn)斗部側(cè)面中心位置處,具體位置如圖7所示。

圖6 破片

圖7 戰(zhàn)斗部被撞擊位置示意圖

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

高速攝影拍攝的戰(zhàn)斗部響應(yīng)過程如圖8所示,視頻監(jiān)控錄制的監(jiān)控錄像如圖9所示。由測(cè)速系統(tǒng)測(cè)得破片撞擊戰(zhàn)斗部的速度為1837 m/s。由圖可知,當(dāng)破片以1837 m/s撞擊戰(zhàn)斗部時(shí),戰(zhàn)斗部裝藥即刻發(fā)生爆轟反應(yīng),殼體急速膨脹,形成強(qiáng)大沖擊波和高速破片。在沖擊波和高速破片的先后作用下,試驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)的設(shè)施遭到嚴(yán)重?fù)p壞,基本上未發(fā)現(xiàn)大件殘余物,同時(shí)已完全找不到戰(zhàn)斗部的殘骸,這與仿真結(jié)果一致。

圖8 戰(zhàn)斗部響應(yīng)過程高速攝影

圖9 戰(zhàn)斗部響應(yīng)過程監(jiān)控錄像

2.3 殼體膨脹末端速度

利用PDV殼體膨脹速度測(cè)試系統(tǒng)獲得的戰(zhàn)斗部殼體膨脹末端速度與仿真結(jié)果對(duì)比如表3所示。由表可知,對(duì)于戰(zhàn)斗部測(cè)試的3處位置,殼體后側(cè)面膨脹的末端速度最大,端面次之,上側(cè)面最小,這與破片撞擊戰(zhàn)斗部的方向以及爆轟波的成長(zhǎng)有關(guān),在破片的撞擊方向上,爆轟波成長(zhǎng)完成后,沖擊波作用之后的殼體膨脹末端速度最大。仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較好,3個(gè)位置的平均誤差為3.7%,說明仿真模型比較合理,可以用于破片撞擊作用下的戰(zhàn)斗部起爆規(guī)律研究。

表3 戰(zhàn)斗部殼體膨脹末端速度對(duì)比

3 起爆規(guī)律仿真研究

在上述仿真模型和試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)之上,進(jìn)行一系列數(shù)值仿真,對(duì)破片不同撞擊速度、質(zhì)量和形狀等工況進(jìn)行研究。

3.1 撞擊速度

為了分析破片不同撞擊速度對(duì)戰(zhàn)斗部起爆規(guī)律的影響,分別建立破片不同撞擊速度的仿真模型。仿真計(jì)算中,除破片速度外,破片形狀、尺寸、材料、撞擊位置及殼體等均與1.1節(jié)所述內(nèi)容一致。

通過“升降法”計(jì)算發(fā)現(xiàn),當(dāng)破片速度小于1 360 m/s時(shí),戰(zhàn)斗部并未被破片撞擊起爆。以速度1230 m/s為例,破片撞擊時(shí)炸藥的壓力變化曲線如圖10所示。

圖10 破片1 230 m/s撞擊時(shí)炸藥壓力變化曲線

破片撞擊造成炸藥壓力急劇增大,撞擊處炸藥發(fā)生化學(xué)反應(yīng),但由于撞擊速度不夠,發(fā)生反應(yīng)的炸藥顆粒偏少,產(chǎn)生的能量不足以使后續(xù)炸藥產(chǎn)生持續(xù)反應(yīng),不能支持爆轟波的成長(zhǎng),側(cè)向稀疏波會(huì)引起反應(yīng)衰減,因此壓力在波動(dòng)之后迅速衰減。

當(dāng)破片速度大于1360 m/s時(shí),炸藥發(fā)生爆轟反應(yīng),爆轟波成長(zhǎng)并穩(wěn)定傳播。這說明當(dāng)破片形狀、尺寸、材料、撞擊位置及殼體等條件都不變時(shí),帶錐頂圓柱破片撞擊起爆戰(zhàn)斗部裝藥的速度閾值是1360 m/s。

3.2 破片質(zhì)量

為了分析不同質(zhì)量的破片對(duì)戰(zhàn)斗部撞擊起爆規(guī)律的影響,分別建立破片不同質(zhì)量的仿真模型。仿真計(jì)算中,除破片質(zhì)量外,破片速度(1 830 m/s)、形狀(帶錐頂圓柱)、材料、撞擊位置及殼體等均與1.1節(jié)所述一致。表4給出了不同質(zhì)量部分破片的具體尺寸,破片的圓柱部分長(zhǎng)徑比為1∶1,圓柱高度與錐頂高度之比與試驗(yàn)中破片數(shù)據(jù)一致,為6.5。

表4 不同質(zhì)量部分破片具體尺寸

通過“升降法”計(jì)算發(fā)現(xiàn),當(dāng)破片質(zhì)量小于11 g時(shí),炸藥未發(fā)生爆轟反應(yīng); 當(dāng)破片質(zhì)量大于11g時(shí),炸藥發(fā)生爆轟。這說明當(dāng)撞擊速度為1 830 m/s,材料、撞擊位置及殼體等都不變時(shí),帶錐頂圓柱破片撞擊起爆戰(zhàn)斗部裝藥的質(zhì)量閾值是11 g。

3.3 破片形狀

為了分析不同形狀的破片對(duì)戰(zhàn)斗部撞擊起爆規(guī)律的影響,分別建立圓柱、立方塊、球和帶錐頂圓柱4種不同破片形狀的仿真模型。仿真計(jì)算中,除破片形狀外,破片質(zhì)量、速度、材料、撞擊位置及殼體等均與1.1節(jié)所述一致。圖11為4種不同形狀的破片。4種破片撞擊戰(zhàn)斗部的部位分別是: 圓柱底面、立方塊底面、球的任一點(diǎn)及帶錐頂圓柱的錐頂,其具體尺寸如表5所示。

圖11 4種不同形狀破片

表5 4種破片具體尺寸

計(jì)算結(jié)果顯示,在質(zhì)量18 g、速度1 830 m/s的4種形狀破片撞擊下,炸藥均發(fā)生爆轟反應(yīng)。選取炸藥上最先被破片撞擊的單元,繪制峰值壓力與破片形狀的柱形圖,如圖12所示。

圖12 炸藥被撞擊單元峰值壓力-破片形狀柱形圖

由圖12可知,不同形狀破片對(duì)應(yīng)的炸藥初始?jí)毫χ涤兴煌?爆轟波的成長(zhǎng)時(shí)間也會(huì)有所差異。炸藥被撞擊單元峰值壓力從大到小依次為: 圓柱、立方塊、帶錐頂圓柱和球。4種不同形狀的破片在相同動(dòng)能條件下,對(duì)戰(zhàn)斗部裝藥撞擊壓力最小的是球形破片,而且峰值壓力明顯小于其他3個(gè),雖然球形破片的撞擊橫截面積是最大的,但其外形光滑無銳角,可能會(huì)導(dǎo)致其撞擊壓力偏小。

4 結(jié)論

文中利用LS-DYNA軟件建立了破片撞擊戰(zhàn)斗部的仿真模型,分析了戰(zhàn)斗部在破片撞擊作用下的起爆過程,并進(jìn)行了試驗(yàn)研究,同時(shí)針對(duì)破片不同撞擊速度、質(zhì)量和形狀等工況,開展了破片撞擊作用下戰(zhàn)斗部裝藥起爆規(guī)律的研究,主要得到以下結(jié)論。

1) 對(duì)破片以1830 m/s的速度撞擊戰(zhàn)斗部進(jìn)行數(shù)值仿真。在破片的撞擊作用下,炸藥受到強(qiáng)烈壓縮而產(chǎn)生摩擦和變形,并發(fā)生高速化學(xué)反應(yīng),形成許多“熱點(diǎn)”,進(jìn)而傳到整個(gè)炸藥層,炸藥發(fā)生爆轟反應(yīng)。

2) 對(duì)破片撞擊戰(zhàn)斗部進(jìn)行試驗(yàn)研究,戰(zhàn)斗部發(fā)生爆轟,殼體破損嚴(yán)重,形成許多自然破片,殼體膨脹末端速度平均誤差為3.7%,仿真與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較好,說明仿真模型比較合理,可用于破片撞擊起爆戰(zhàn)斗部的規(guī)律研究。

3) 帶錐頂圓柱破片撞擊起爆戰(zhàn)斗部裝藥的速度閾值為1360 m/s,當(dāng)小于該速度時(shí),破片撞擊產(chǎn)生的能量不足以使炸藥產(chǎn)生持續(xù)反應(yīng),炸藥壓力在波動(dòng)之后會(huì)迅速衰減。

4) 當(dāng)速度為1830 m/s時(shí),帶錐頂圓柱破片撞擊起爆戰(zhàn)斗部裝藥的質(zhì)量閾值是11 g。

5) 4種不同形狀的破片以1 830 m/s的速度撞擊戰(zhàn)斗部時(shí),均能使炸藥起爆,但球形破片撞擊炸藥的峰值壓力明顯小于其他3個(gè),這可能是其光滑無銳角的外形導(dǎo)致的。

文中通過數(shù)值仿真和試驗(yàn)研究,得到了沖擊起爆閾值,并對(duì)起爆機(jī)理進(jìn)行了一定的分析。但對(duì)破片不同撞擊姿態(tài)、多破片等多種工況未進(jìn)行研究,后續(xù)將在大量數(shù)值仿真、試驗(yàn)研究和機(jī)理分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行更深入的研究,以期給出戰(zhàn)斗部裝藥在更多工況下適用性更強(qiáng)的沖擊起爆閾值。

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Study on the Initiation Regularity of Warhead under Fragment Impact

,,,

(The 705 Research Institute,China State Shipbuilding Corporation Limited,Xi’an 710077,China)

For the fragment impact safety of a full-scale warhead with RS211 charge,in this paper,the full-scale simulation model of a fragment impact warhead with RS211 charge is established by using the non-linear finite element software LS-DYNA. Experimental tests are then conducted to verify the simulation results. The average error of the final velocity of the shell expansion is 3.7%,indicating that the accuracy of the simulation is reasonable; therefore,the model can be used in simulation research. Finally,the initiation regularity of the fragment impact warhead,considering different values of velocity,mass,and shape,is studied,resulting in the initiation threshold.The velocity threshold of a cylindrical fragment with a cone top impacting and initiating warhead is 1360 m/s. When the velocity is 1 830 m/s,the mass threshold of this cylindrical fragment is 11 g. Four types of fragments,which can be detonated when the warhead is charged,formed by different shapes impact the warhead at 1830 m/s. However,the peak pressure of spherical fragments impacting the warhead is smaller than those of the others,probably due to their smooth shape,in which sharp angles are absent. This paper can be used as a reference to research the safety of a full-scale warhead fragment impact.

warhead; fragment impact; initiation regularity; initiation threshold

TJ630;TJ410.2

A

2096-3920(2021)04-0464-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.04.014

哈海榮,王團(tuán)盟,魯忠寶,等. 破片撞擊作用下的戰(zhàn)斗部起爆規(guī)律研究[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào),2021,29(4): 464-470.

2019-08-19;

2020-03-08.

哈海榮(1990-),男,碩士,主要從事水中兵器戰(zhàn)斗部的研究與設(shè)計(jì).

(責(zé)任編輯: 楊力軍)