高原環(huán)境殺爆彈形成破片特性仿真研究

李玉文,郭秋萍,杜 寧,3,姜夏冰,3,李 松

(1.遼沈工業(yè)集團有限公司, 沈陽 110045;2.陸軍裝備部駐沈陽地區(qū)第二軍事代表室, 沈陽 110045;3.沈陽理工大學, 沈陽 110159)

0 引言

殺傷爆破彈(殺爆彈)是最基本的彈藥,主要通過空氣沖擊波、破片毀傷有生力量、飛機等目標[1]?，F代戰(zhàn)爭中,殺爆彈是應用最廣泛,消耗量巨大,改型換代較快的彈藥之一,在戰(zhàn)場上發(fā)揮著非常重要的作用[2]。Mott、Taylor、Gurney給出了殼體爆炸驅動下形成破片的質量分布、速度分布的計算模型[3-5]。Zecevic等[6]使用耦合數值CAD(計算機輔助設計)技術確定了殺爆彈形成自然破片的殺傷半徑及破片質量分布。Alan等[7]研究了殺爆彈殺傷半徑,給出了殺爆彈破片質量變化規(guī)律、殼體不同位置處破片速度分布規(guī)律。羅興柏等[8]研究了空氣中自然破片規(guī)律,并建立了Simulink仿真模型對破片的運動微分方程,獲得了破片運動軌跡、落地參數。李偉兵等[9-10]研究了不同回火溫度條件對殼體形成破片性能的影響規(guī)律,并應用AUTODYN軟件分析了殼體破碎形成破片過程及破片質量、速度變化規(guī)律,結果表明:隨著回火溫度的升高,質量在1 g以上的有效破片數目增加。綜上所述,國內外學者的相關研究主要集中于平原環(huán)境中殼體的破裂行為及自然破片質量分布規(guī)律,較少涉及高原環(huán)境下(大氣溫度和環(huán)境壓力偏低)殺爆彈形成破片特性的研究。此外,殺爆彈面臨完全不同的使用環(huán)境,研究高原低壓低氧環(huán)境下殺爆彈形成破片質量、速度變化規(guī)律成為一個迫切的問題,有必要研究殺爆彈在高原環(huán)境下的破片特性。

本文中針對典型殺爆彈,采用端面中心點起爆方式研究殺爆彈形成的破片特性。結合空氣密度隨海拔高度變化修正系數及高原氣壓,得到高原環(huán)境比內能,利用AUTODYN仿真軟件模擬平原、高原環(huán)境下典型殺爆彈形成破片特性,分析比較不同環(huán)境下破片形成的過程、速度規(guī)律以及破片的質量分布。

1 殺爆彈模型建立及仿真

1.1 模型建立及網格劃分

考慮所受載荷、邊界條件及結構的對稱特性,建立了殺爆彈結構的1/4模型,建立的仿真模型與試驗殺爆彈結構保持一致。在仿真模型中,忽略引信對于主炸藥的影響,起爆點位于炸藥頂端,不考慮彈帶對破片的影響。由于高原測試環(huán)境氣壓較低,通過在空氣的狀態(tài)方程中植入氣壓控制參量來考慮氣壓對于破片的影響。在上述假設下建立了殺爆彈威力數值模擬的三維模型,仿真模型如圖1所示。為了分析炸藥爆轟過程中空氣域內破片速度的分布,在模型中設置了一系列觀測點(Gauges)來進行觀測。通過觀測點的設置可以在運算完成后獲得該點的坐標、壓力、速度以及某時刻該空間點處物質種類等信息。在殺爆彈威力數值模擬中,沿著殼體軸向均勻分布了59個觀測點。

圖1 仿真模型

由于仿真模型中,網格太小會導致數量太大而影響計算效率。為了能夠較詳細的描述殼體形成破片過程,網格尺寸不宜過大,結合經驗以及計算對比發(fā)現三維模型中網格為邊長1 mm的正方形時能夠兼顧炸藥尺寸和計算效率,因此模型中空氣域和殼體域采用1 mm網格。

1.2 材料本構模型及參數

在殺爆彈威力數值模擬計算模型中涉及的材料有4種:炸藥、空氣、殼體以及引信。各種材料的本構模型和參數以及狀態(tài)方程的確定直接影響破片速度、質量分布等的數值。

模型中RL-F炸藥為文獻中查找,狀態(tài)方程為JWL(Jones-Wilkins-Lee)狀態(tài)方程,在炸藥爆轟及爆炸驅動的數值模擬中廣為采用。JWL方程的一般壓力形式為

(1)

在仿真模型中,炸藥采用JWL狀態(tài)方程下的參數如表1所示。

表1 炸藥狀態(tài)方程參數

表2 材料模型

空氣采用理想氣體描述:

P=ρ(γ-1)e

(2)

式中,平原環(huán)境下比內能e=2.068 5×105J/kg。

當地空氣密度通常指破片飛行在高空中的氣體密度,它隨離開海平面高度而定[11],一般表達式為

ρa=ρH(y)

(3)

H(y)為空氣密度隨海拔高度變化的修正系數為

(4)

根據文獻等材料確定,海拔4.510 km時,溫度-14.31 ℃,空氣密度0.776 5 kg/m3,氣壓為57 657 Pa。結合式(2)—式(4)可以確定高原環(huán)境下(4.51 km時)e比內能e=1.856 31×105J/kg。

殼體為50SiMnVB鋼,引信為2A12鋁合金,采用經典的Johnson-Cook本構模型描述其在爆炸驅動下動態(tài)力學行為。Johnson-Cook本構主要是為了模擬承受大應變、高應變率的材料的強度特性,這些性能可能會出現在由于高速碰撞和炸藥爆轟引起的強烈沖擊載荷問題中,模型定義屈服應力與應變的關系為

(5)

式中:常數A是材料低應變下的基本屈服應力;而B和n表示應變硬化效應,第2個括號和第3個括號內的項分別表示應變率效應和溫度效應。其中,第3個括號內的熱軟化效應,當T為熔化溫度時,屈服應力降為0。

2 數值模擬計算結果與分析

2.1 平原環(huán)境下殺爆彈殼體形成破片過程

平原環(huán)境下殺爆彈殼體形成破片過程如圖2所示。由圖2可知,接近起爆點處的殼體首先發(fā)生徑向膨脹且逐漸傳播至整個殼體,當起爆至40 μs時刻殼體隨機產生裂紋,隨著時間增加殼體最終破碎且形成破片。在軸線方向上,由于稀疏波的傳入,殼體中心處初速比2個端部要高。

圖2 平原環(huán)境下殼體形成破片過程

2.2 高原環(huán)境下殺爆彈殼體形成破片過程

高原環(huán)境下殺爆彈殼體形成破片過程如圖3所示。由圖3可知,接近起爆點處的殼體首先發(fā)生徑向膨脹且逐漸傳播至整個殼體,當起爆至40 μs時刻殼體隨機產生裂紋,隨著時間增加殼體最終破碎且形成破片。在軸線方向上,由于稀疏波的傳入,殼體中心處初速比2個端部要高。

圖3 高原環(huán)境下殼體形成破片過程

3 數值模擬計算結果的對比與討論

3.1 殺爆彈殼體形成破片質量變化規(guī)律

本文中采用AUTODYN-3D軟件Stochastic模型模擬殼體在炸藥爆轟作用下破裂運動加速過程,通過Stochastic模型中“Output fragment analysis”可以統計破片的質量分布。仿真得到平原、高原環(huán)境下殺爆彈殼體形成破片質量、數量分級數據見表3。由表3可知,2種環(huán)境下隨著破片質量范圍的增加,破片數量減少。同時,比較而言高原環(huán)境下輕破片數量增加,重破片數量減少,破片總數量略有增加。在12.00～15.99 g時,高原環(huán)境下破片數量相對增加了66.66%;在30.00～49.99 g時,破片數量相對降低了46.15%;在50.00～99.99 g時,破片數量相對降低了25%;100.00～199.999 g時,破片數量相對增加了1倍;其他區(qū)間范圍內數量相差10%以內。

表3 破片質量、數量分級數據

由于仿真中破片存在一定質量損失,因此兩高原環(huán)境與平原環(huán)境下破片數量會有差距,總體而言破片數量差距不大。

3.2 高原環(huán)境下殺爆彈殼體形成破片速度變化規(guī)律

通過仿真計算獲得了平原環(huán)境及高原環(huán)境下破片速度分布,如圖4所示。由起爆端到殼體底端,破片初速先增大后減小,由圖4可知,頭部破片初速較大,平原環(huán)境、高原環(huán)境下破片初速最大值分別為1 503、1 502 m/s,不同位置處高原環(huán)境破片與平原環(huán)境破片速度分布規(guī)律相差不多。隨著爆轟波的傳播,爆轟產物也運動,因此非起爆端的破片初速要比靠近起爆端的破片初速高。

圖4 不同位置破片速度分布

圖5為高原與平原觀測點33處(圓柱部)破片初速結果對比。由圖5可知,不同環(huán)境殼體在爆轟驅動下形成破片的速度變化不大?？傮w而言,高原環(huán)境與平原環(huán)境下殺爆彈形成的破片速度差距較小,破片初速分布規(guī)律差異不大。

圖5 典型觀測點33處破片初速結果對比

4 結論

針對平原、高原2種典型環(huán)境下殺爆彈形成破片特性進行了仿真研究,獲得以下結論:

1) 平原和高原環(huán)境下,均符合隨著破片質量的增加,破片數量減少的趨勢,但高原破片總量略有增加,約1.7%。

2) 平原、高原環(huán)境下,破片質量分布區(qū)間略有不同,其表現高原環(huán)境下輕破片數量增加,重破片數量減少的趨勢。例如,在12.00～15.99 g時,高原環(huán)境下破片數量相對增加了66.66%,在30.00～49.99 g時,破片數量相對降低了46.15%。

3) 高原環(huán)境與平原環(huán)境相比,殺爆彈形成的破片速度分布規(guī)律差距較小,破片初速基本相同。