主級戰(zhàn)斗部抗前級戰(zhàn)斗部爆轟場作用力結構設計

朱福林，郭 東，陳 陽，周 亮，馬寶成，段雨劼，潘 湛

(1.四川航天系統(tǒng)工程研究所， 成都 610100；2.四川航天技術研究院， 成都 610100)

1 引言

隨著彈藥技術的不斷發(fā)展，以及各種毀傷目標防護能力的不斷加強，串聯(lián)聚能裝藥逐漸成為戰(zhàn)斗部設計者比較重視的研究項目。前級戰(zhàn)斗部爆炸后的能量會將部分導引頭以及整個控制艙將被完全破壞，超壓、應力波以及部分艙段殘骸等將向主級戰(zhàn)斗部傳遞、運動，雖然兩級戰(zhàn)斗部間設計了隔爆裝置，但只能有效阻擋殘骸和瞬時超壓，應力波的傳遞卻不可避免。由于破甲戰(zhàn)斗部具有精密藥型罩、精密裝藥和精密裝配三大特點，且兩級戰(zhàn)斗部間距離較短，應力波將在主級戰(zhàn)斗部爆炸前傳遞至主級戰(zhàn)斗部各個零部件。前級戰(zhàn)斗部爆炸后的應力將不同程度的破壞主級戰(zhàn)斗部各零部件以及總體裝配精度和部分精密尺寸，從而大大降低了最終的串聯(lián)威力。

目前國內(nèi)外學者對串聯(lián)戰(zhàn)斗部研究的重點是前后級匹配和戰(zhàn)斗部的隔爆機理，陳美玲等設計了一種串聯(lián)戰(zhàn)斗部結構，前級射流用來破壞反應裝甲，后級射流用來侵徹主裝甲，同時基于試驗提出了設計小口徑串聯(lián)聚能裝藥戰(zhàn)斗部時所需的限制條件。黃正祥等研究了不同結構的串聯(lián)裝藥戰(zhàn)斗部的作用機理，建立了逆序起爆串聯(lián)戰(zhàn)斗部延遲時間的數(shù)學模型。設計了精確控制延遲起爆時間的傳爆結構，使串聯(lián)戰(zhàn)斗部對裝甲目標的侵徹能力顯著增大。吳學貴等在Ake Persson研究的基礎上，重新整理了串聯(lián)裝藥戰(zhàn)斗部的設計理論和設計步驟，得出了延遲時間的范圍以及最小延遲時間和最大延遲決定的侵徹特性。張先鋒等采用數(shù)值模擬對不同前后兩級裝藥距離時，后級隨進彈速度受到前級爆轟波作用過程進行了研究。利用惰性材料代替后級裝藥中的炸藥，通過作用于惰性材料上爆轟壓力變化來判斷后級裝藥是否殉爆。徐全軍等利用聚氨酷作為隔爆材料，通過調整它的厚度和空氣柱的長度，得出聚氨酷材料單獨作用及空氣和聚氨酷材料共同作用下的隔爆距離。李斌等研究了作用在后級裝藥上的爆轟波使后級裝藥殉爆以及前后級裝藥間加裝隔板隔爆的數(shù)值計算方法。

基于以上所述，國內(nèi)外學者針對殼體結構對串聯(lián)戰(zhàn)斗部威力影響方面的研究比較少見，因此本文在利用前人做的各種相關研究的基礎上，首先從殼體結構設計入手，設計了2種殼體結構，然后運用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件研究了模擬了在相同前級戰(zhàn)斗部爆炸后2種殼體結構對主級戰(zhàn)斗部藥型罩的影響，最后通過串聯(lián)試驗的方法研究了2種殼體結構對串聯(lián)戰(zhàn)斗部威力的影響，這對破-破型串聯(lián)戰(zhàn)斗部結構設計具有重要意義。

2 殼體結構設計

前級戰(zhàn)斗部爆炸后應力波會沿殼體和壓圈對主級戰(zhàn)斗部藥型罩造成一定的影響，為了減小該影響，本文通過以下兩點對殼體結構進行設計：首先，增加應力波傳遞至主裝藥的路徑距離，延緩其到達主裝藥時間的同時，盡可能衰減應力大??；其次，在傳播路徑上設置薄弱環(huán)節(jié)，應力波傳遞過程使薄弱環(huán)節(jié)產(chǎn)生變形或破壞，吸收能量。最終目的是使得應力波以較低的能量作用于主裝藥，甚至不直接作用于主裝藥，保證主級戰(zhàn)斗部的裝配精度。

鑒于以上原理，本文設計了2種殼體結構：傳統(tǒng)殼體和優(yōu)化殼體。傳統(tǒng)內(nèi)殼體通過螺紋與外殼體進行連接，用于固定主級戰(zhàn)斗部。同時，通過壓圈來固定主級戰(zhàn)斗部藥型罩，壓圈通過螺紋連接與外殼體進行直接連接，以達到薄弱環(huán)節(jié)設計的目的。主級戰(zhàn)斗部裝藥與外殼體不接觸；優(yōu)化殼體亦是通過螺紋與外殼體進行螺紋連接，用于固定藥型罩的壓圈與內(nèi)殼體進行螺紋連接，不與外殼體連接，該設計是為了避免應力波通過壓圈直接作用于藥型罩，進而導致藥型罩發(fā)生變化。2種殼體結構的主級戰(zhàn)斗部模型結構如圖1所示。

圖1 2種殼體模型結構示意圖

3 數(shù)值模擬

利用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件建立主級戰(zhàn)斗部抗前級戰(zhàn)斗部起爆的殼體結構模型。由于模型關于空間面對稱，為節(jié)約時間提高效率，建立二分之一模型。同時為避免出現(xiàn)網(wǎng)格畸變造成計算終止，采用流固耦合方法，其中空氣域、前級裝藥、前級藥型罩、主級裝藥、主級藥型罩采用歐拉算法，剩下結構均采用拉格朗日算法。為了更好的模擬真實情況，本文數(shù)值模擬中加入等效的引信本體等結構，結構模型和結構網(wǎng)格如圖2所示。傳統(tǒng)結構仿真模型共735 652個節(jié)點、667 216個單元，優(yōu)化結構仿真模型共750 224個節(jié)點、685 214個單元。

圖2 結構模型及網(wǎng)格示意圖

數(shù)值模擬計算中，所涉及材料有8701炸藥、紫銅、空氣、45#鋼、LC4鋁、鎂合金、LY-12鋁合金等。模型中各部分所用材料的本構模型如表1所示，部分材料仿真參數(shù)如表2所示，材料模型及參數(shù)來源于文獻[7-18]，采用單位制為cm-g-μs-Mbar。

表1 仿真計算中采用的材料模型

表2 部分材料參數(shù)

4 數(shù)值模擬分析

4.1 2種結構對主級戰(zhàn)斗部藥型罩的影響分析

為了研究2種結構對主級戰(zhàn)斗部藥型罩的影響，數(shù)值模擬了前級裝藥爆炸條件下主級藥型罩所受應力大小以及藥型罩和主藥柱之間的相對位置變化量。選取2種工況下主級藥型罩外表面與罩口處的單元，該位置與殼體及壓圈直接接觸，是應力和位置變化較大的部位。這些單元的應力時程曲線和應力云圖如圖3。傳統(tǒng)殼體結構時，在298 μs時刻，主級藥型罩應力值最大，約124.9 MPa，已超過紫銅屈服極限80 MPa，主級藥型罩將發(fā)生塑性變形，從應力云圖中同樣可以看出最大應力發(fā)生在藥型罩與壓圈接觸區(qū)域；采用優(yōu)化殼體結構時，主級藥型罩應力值最大約55.46 MPa，且發(fā)生在前級戰(zhàn)斗部爆炸初期，之后這些單元的應力值緩慢降低，遠低于紫銅屈服極限，主級藥型罩變形仍處于彈性區(qū)內(nèi)，可認為主級藥型罩未受影響，能夠正常作用。

圖3 2種工況下主級藥型罩應力云圖

在數(shù)值模擬過程中，還對主級藥型罩和主藥柱配合部分的相對位移進行了檢測，最大位移發(fā)生在藥型罩頭部(藥型罩與壓圈接觸位置)，在傳統(tǒng)殼體工況時，藥型罩頭部在276 μs時偏移值最大，約為0.383 mm，在該種工況下主級藥型罩相對主裝藥會發(fā)生相對運動，可能會影響藥型罩與主裝藥的裝配精度，進而影響最終的侵徹威力；而在優(yōu)化殼體工況下，藥型罩頭部在316 μs時偏移值最大，約為0.004 9 mm，主級藥型罩相對主藥柱無明顯相對運動，該種工況可有效保證主裝藥與藥型罩的裝配精度。2種工況下主級藥型罩單元相對位移曲線如圖4所示。

圖4 2種工況下主級藥型罩單元相對位移曲線

圖5為前級爆炸后主級藥型罩成型云圖，通過分析圖5可知，在相同前級裝藥爆炸條件下采用傳統(tǒng)殼體結構的主級藥型罩頭部成型速度為9 092 m/s，而優(yōu)化殼體結構下主級藥型罩頭部成型速度為9 205 m/s，對于聚能裝藥結構來講，射流頭部速度越高，侵徹威力越大，通過分析數(shù)值模擬數(shù)據(jù)可知，采用優(yōu)化殼體結構的主級藥型罩頭部成型速度大于傳統(tǒng)殼體結構，具有更好的侵徹威力。

圖5 2種工況下主級藥型罩射流成型云圖

4.2 2種結構對主級戰(zhàn)斗部威力的影響研究

為了研究2種結構在前級爆炸場作用后對主級戰(zhàn)斗部威力的影響研究，在2.2.1節(jié)的基礎上對主級藥型罩的成型以及侵徹能力進行了數(shù)值模擬，主級裝藥在前級炸藥爆炸后延時起爆，2種工況下的侵徹深度、入口直徑和出口直徑如圖6和表3所示，其中，傳統(tǒng)結構工況下最終侵徹深度為842.603 mm，而優(yōu)化殼體工況下最終的侵徹深度為1 085.63 mm，從初步數(shù)值模擬結果可以看出，在相同的前級爆轟場作用后采用優(yōu)化殼體的結構能保持更好的侵徹威力，優(yōu)化殼體的侵徹能力是傳統(tǒng)殼體的1.288倍。

圖6 2種工況下侵徹威力結果云圖

通過以上分析可知，當主級戰(zhàn)斗部采用傳統(tǒng)殼體時，前級爆炸后的爆轟場作用力對主級戰(zhàn)斗部影響較大，從藥型罩所受應力大小、藥型罩和主藥柱之間的相對位置變化量以及侵徹威力可以看出采用傳統(tǒng)結構足以影響最終主級戰(zhàn)斗部的破甲威力，而采用優(yōu)化殼體后，上述兩方面均得到有效改善，在爆炸延遲時間后，其藥型罩變化量及侵徹威力得到很好控制。

表3 數(shù)值模擬統(tǒng)計結果(mm)

5 試驗布置及結果分析

為了驗證2種殼體結構在前級戰(zhàn)斗部爆炸后對主級戰(zhàn)斗部威力的影響，現(xiàn)進行了2發(fā)試驗，其中，1#為傳統(tǒng)殼體的串聯(lián)戰(zhàn)斗部，2#為優(yōu)化殼體的串聯(lián)戰(zhàn)斗部。試驗布置如圖7所示，主要由串聯(lián)戰(zhàn)斗部和鋼錠組成，圖8為前級裝藥固定裝置，通過側向螺釘與戰(zhàn)斗都外殼體連接，與數(shù)值仿真模型相比，該前級裝藥固定裝置對前級裝藥爆炸產(chǎn)生的應力波在外殼體上的傳播與數(shù)值仿真效果基本一致，兩組試驗的45#鋼靶板厚1 100 mm(400+400+300)，?150 mm。試驗結果如圖9所示。

圖7 試驗布置示意圖Fig.7 Test layout

圖8 前級固定裝置示意圖

圖9 試驗結果示意圖

試驗結果如表4所示，傳統(tǒng)殼體結構的串聯(lián)裝藥侵徹深度為827 mm，而采用優(yōu)化殼體結構的串聯(lián)裝藥侵徹深度為1 001 mm，侵徹深度提高了21%，優(yōu)化效果明顯。相比于優(yōu)化殼體結構，傳統(tǒng)殼體結構侵徹深度低的原因可能是主級戰(zhàn)斗部藥型罩在前級爆炸條件下受影響較大造成的，進而影響了主級射流的成型及速度，最終影響侵徹威力。

通過對比數(shù)值模擬(表3)與試驗結果(表4)，發(fā)現(xiàn)差值中侵徹深度最大為8.45%，入口直徑最大為11.34%，數(shù)值模擬與試驗結果吻合性較好。

表4 試驗統(tǒng)計結果(mm)Table 4 Test statistic

通過對比數(shù)值模擬與試驗結果，得出二者在穿深及孔徑分布規(guī)律上基本相似。觀察對比結果發(fā)現(xiàn)，2組試驗中主級戰(zhàn)斗部裝藥的開孔直徑略小于數(shù)值模擬結果值，原因可能是隔爆罩和殼體等殘留物會導致主級射流成型過程中會出現(xiàn)飛散。這種現(xiàn)象降低了主級射流裝藥的利用效率，也是后續(xù)研究需要解決的問題。

6 結論

1) 數(shù)值模擬條件下，采用傳統(tǒng)殼體時侵徹深度為842.603 mm，采用優(yōu)化殼體時侵徹深度為1 085.63 mm，優(yōu)化殼體結構的侵徹威力比傳統(tǒng)結構提高28.8%。

2) 2種工況條件下侵徹威力試驗表明，采用優(yōu)化殼體結構的侵徹深度較傳統(tǒng)殼體結構提高21%。

3) 通過數(shù)值模擬和試驗相結合，可得到能夠提高戰(zhàn)斗部侵徹威力的結構方案。