線列式離散桿戰斗部可行性仿真分析*

阮喜軍,梁爭峰,李廣嘉,程淑杰

(西安近代化學研究所,西安　710065)

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線列式離散桿戰斗部可行性仿真分析*

阮喜軍,梁爭峰,李廣嘉,程淑杰

(西安近代化學研究所,西安710065)

摘要:綜合利用桿條毀傷元周向及軸向的飛散規律,提出一種新型離散桿戰斗部,該戰斗部具有線殺傷密度高、威力半徑大等特點,在彈目動態交匯條件下可對目標形成線列式穿孔,實現線切割毀傷。文中通過理論分析和數值仿真的方法對該戰斗部進行初步研究與探索,在理論方面給出了設計原理和設計參數數學計算模型,并運用動力學軟件ANSYS/LS-DYNA對該戰斗部模型進行仿真計算,仿真結果初步驗證了其作用原理和設計方法的正確性和可行性。

關鍵詞:線列式離散桿戰斗部;線切割;數值模擬

0引言

現代戰爭作戰的空天目標呈現類型多樣化、特性復雜化等特點。由過去以飛機為主的空中目標,發展到飛機、導彈、人造衛星為主的空天軍事目標。快慢目標兼有,機動性更強,最大運動速度可提高到每秒幾千米,生存能力不斷提高。為適應現代戰爭需要,防空反導戰斗部集中向著定向戰斗部、聚焦戰斗部、多功能戰斗部、新型離散桿戰斗部四大結構類型發展[1]。俄、美等國家目前已經從破片殺傷爆破、連續桿殺傷戰斗部為主的防空反導戰斗部發展到以離散桿戰斗部和定向戰斗部為主的防空反導戰斗部[2]。

文中提出了一種新型離散桿戰斗部——線列式離散桿戰斗部,該戰斗部具有線殺傷密度高、威力半徑大等特點。從根本上改變桿條的排布方式,采用桿條的周向放置,相對應的桿條列傾斜排布,一方面實現單枚桿條的不偏轉的水平直飛,一方面實現任意半徑上,高密度、小間距的桿條群的線切割。

文中簡要論述了該戰斗部的作用原理、特點和優勢,給出了工程設計方法,同時利用動力學軟件ANSYS/LS-DYNA[3]對戰斗部模型進行數值模擬,初步驗證了其作用原理及設計方法的正確性和可行性。

1線列式離散桿戰斗部作用原理及設計方法

1.1基本作用原理

線列式離散桿戰斗部作用原理是通過設計桿條的排列形式,合理利用桿條軸向及周向的飛散規律,最終可控制每個桿條的飛散軌跡,使得桿條群在目標靶上的落點穿孔呈線性分布。

首先采用桿條的環形排布設計,使得桿條在沖擊波及爆轟產物的驅動作用下,受力較均勻,可沿飛散方向保持姿態飛行。其次,設計軸向桿條的質心連線與戰斗部軸線的夾角θ(稱為均布角),能實現桿條沿周向360°均勻、連續分布,如圖1所示。再次,桿條組合體采用合理的曲線結構,既能產生軸向等爆轟場強又能達到軸向聚焦的目的,保證了軸向桿條的速度一

圖1　某列桿條的周向坐標分布

致性和間距最小性。但由于端部稀疏波的影響,前后端的桿條會受到影響,導致兩端間距較大,見圖2。綜合周向與軸向的飛散規律,可得列桿條周期性線列式穿孔和桿條飛散示意圖,參見圖3和圖4。

圖2　某列桿條的軸向坐標分布

圖3　列桿條周期性線列式穿孔

圖4　桿條飛散

1.2參數設計

對線列式離散桿戰斗部設計過程涉及到的兩個主要參數周向桿條數、均布角進行理論分析。

1.2.1周向桿條數

由殼體破裂理論[7-8]可知周向桿條數存在臨界值,桿條周向尺寸長度越長,桿條周向越易斷裂,有效破片生成率越低;周向尺寸越小,對于全預制形式桿條則無法充分發揮大質量桿條的優勢。

基于物體斷裂的尺度效應(無論靜態或動態加載下物體尺寸對于其強度和塑性極限的影響),從量綱分析入手對周向桿條數的臨界值進行估算,爆炸過程中形成的毀傷元具有特征質量m,它是殼體系數a0、L0、δ和炸藥性質ρ0、De以及金屬性質γ0、G、E的函數,其中a0為殼體內半徑,L0為殼體總長,δ為殼壁厚度,ρ0為炸藥密度,De為炸藥爆速,γ0為金屬密度,G為剪切模量,E為斷裂比能量,有:

(1)

而質量m可以理解為當殼體分裂為nθ個縱向條帶時得到的似規則毀傷元的質量,最廣泛估算周向分裂數的方法是梯度方法,其基本概念是毀傷元端部存在某個臨界的速度矢量差。

利用梯度方法得到周向桿條數公式為:

(2)

式中:v0為毀傷元初速;vcr為破片端部的臨界速度差。

最終可得周向桿條數的計算關系式:

(3)

式中:c為修正系數;χ0為殼體內半徑與外半徑的比值;E為斷裂比能量,鋼形成裂紋所需的能量為14～169J/cm2,20#鋼為14J/cm2。

1.2.2均布角的計算公式推導

根據線列式離散桿戰斗部作用原理,為使桿條沿周向360°均勻、連續分布,通過幾何關系可得軸向桿條質心連線與戰斗部軸線夾角即均布角的計算公式:

(4)

式中:m為周向桿條的數目;L為戰斗部桿條組合體的長度;A為線列式破片周向連續、均布修正系數A≥1;D為戰斗部桿條組合體平均直徑。

2數值模擬

運用動力學軟件ANSYS/LS-DYNA進行模擬。簡化戰斗部結構,僅考慮炸藥、桿條、空氣內腔和端蓋。

2.1材料模型

炸藥采用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BU-RN材料模型和EOS_JWL狀態方程描述。所選取炸藥與JWL狀態方程的基本參數見表1和表2。

表1　炸藥基本參數

表2　JWL狀態方程參數

空氣采用MAT_NULL空材料模型和EOS_LINEAR_POLYNOMIAL線性多項式狀態方程。取密度為1.292 9kg/m3。

桿條和端蓋采用非線性塑性模型PLASTIC_KINEMATIC材料模型,參數見表3和表4。

表3　桿條材料參數

表4　端蓋材料參數

2.2有限元計算模型

有限元計算模型如圖5所示。采用全預制破片形式,戰斗部結構參數見表5。

表5　戰斗部結構參數

圖5　戰斗部結構模型

圖6　單枚預制桿條

炸藥和空氣為避免單元發生畸變采用多物質ALE算法,桿條、端蓋使用拉格朗日算法,并通過*CONSTRAINED_LAGR-ANGE_IN_SOLID關鍵字進行耦合。采用cm-g-μs單位制建模。

2.3變量參數設計

設定A=1的情況下,預設5組不同的周向桿條數進行模擬,參數設計見表6,一方面考察并分析該戰斗部結構設計的可行性,一方面對c的范圍進行初步預估。

表6　5組不同周向桿條數的模擬彈桿條參數

3仿真結果與分析

對每組桿條驅動飛散的仿真過程進行記錄,圖7為桿條在200μs時刻的飛散狀態。

圖7　桿條在200 μs時刻飛散狀態

從桿條飛散過程來看,桿條組合環飛散形成多個桿條列周期,同時每個桿條列周期中的桿條質心連線具有一定的線性規律,與理論設計保持一致。

觀察并統計5組桿條的斷裂和變形數據,仿真結果顯示1#～3#模擬彈桿條出現斷裂,4#～5#模擬彈桿條基本完整,圖8為1#～3#彈3組桿條在200μs時刻局部斷裂變形狀態。

表7　桿條飛散及斷裂情況統計

從桿條斷裂情況判斷,當周向桿條數為20時,初步認定為是相對應此種戰斗部結構狀態下的臨界周向數桿條,周向桿條數小于臨界值時(1#～3#),單枚桿條周向長度較大易斷裂;大于臨界值時(5#),桿條基本無斷裂。因此將臨界值代入式(3)可得:c=1.998。

圖8　桿條局部斷裂失效圖

進一步對模擬樣彈的驅動過程從不同的角度進行記錄,同時對桿條沿短對稱軸的旋轉角度進行數據統計,4#彈的桿條基本完整,因此對4#彈的桿條的飛散進行多時刻、多角度的觀察,圖9為4#模擬彈不同時刻桿條的飛散狀態。

在200μs時刻對桿條水平夾角進行統計,由于有端部稀疏波的影響,兩端部桿條不計入統計,并認為10°以內為保持水平狀態。

表8　桿條水平夾角統計

圖9　4#模擬彈不同時刻桿條飛散姿態

4#模擬彈的仿真結果再現了桿條的整個驅動過程。從俯視圖可看出桿條飛散過程中始終能形成一個連續圓環,桿條列之間首尾相接,桿條周向分布均勻,說明均布角設計的合理性;從桿條列的單個周期來看,86.7%桿條保持水平飛行,與理論分析相一致,只有首尾部分桿條有較大的變形與偏轉,這主要是由于端部稀疏波的影響。

綜上所述,該仿真結果初步驗證了線列式離散桿戰斗部結構設計的合理性,可實現桿條分布控制,技術方法具有可行性。

4結論

1)突破了傳統桿條的排列方式,提出了一種能對目標實現線切割的線列式離散桿戰斗部桿條分布控制技術,并在理論上給出一種工程設計方法。

圖10　單個桿條列周期的飛散姿態

2)利用數值模擬進行了驗證分析,模擬結果與理論設計基本一致,初步驗證了其戰斗部結構設計的合理性,可實現桿條分布控制,技術方法具有可行性。

參考文獻:

[1]王紹慧. 淺析現代戰爭對戰術導彈戰斗部技術發展需求 [C]∥2011年戰斗部與毀傷技術專業委員會第十二屆學術交流會文集, 2011: 13-18.

[2]吳義鋒, 孫書學, 李衛東. 導彈戰斗部發展現狀與需求分析 [C]∥2011年戰斗部與毀傷技術專業委員會第十二屆學術交流會論文集, 2011: 7-12.

[3]時黨勇, 李裕春, 張勝民. 基于ANSYS/LS-DYNA8.1

進行顯示動力分析 [M]. 北京: 清華大學出版社, 2005: 189-203.

[4]桂毓林, 黃文斌, 譚多望, 等. 旋轉式離散桿戰斗部對反艦導彈的毀傷數值模擬研究 [J]. 高能量密度物理, 2008(4): 155-160.

[5]周迪鋒, 陳智剛, 王文甲. 不同結構下雙束旋轉式離散桿戰斗部的數值模擬研究 [J]. 彈箭與導彈學報, 2010, 30(5): 93-96.

[6]梁爭峰, 袁寶慧, 程淑杰, 等. 高密度匯聚離散桿戰斗部技術探索 [C]∥2011年戰斗部與毀傷技術專業委員會第十二屆學術交流會論文集, 2011: 265-268.

[7]隋樹元, 王樹山. 終點效應學 [M]. 北京: 國防工業出版社, 2000: 56-65.

[8]北京工業學院八系. 爆炸及其作用: 下冊 [M]. 國防工業出版社, 1979: 3-12.

[9]黃廣炎, 馮順山, 董永香. 靜態和動態下殺傷聚焦戰斗部設計研究 [C]∥全國博士生學術論壇論文集, 2005: 84-87.

[10]馮順山, 黃廣炎, 董永香, 等. 一種聚焦式殺傷戰斗部的設計方法 [J]. 彈道學報, 2009, 21(1): 24-26.

[11]李晉慶, 胡煥性. 聚焦型破片殺傷戰斗部聚焦曲線的工程設計 [J]. 兵工學報, 2004, 25(5): 529-531.

[12]CHOUPC,CARLEONEJ,HIRSCHE,etal.Improvedformulasforvelocity,accelerationandprojectionangleofexplosivelydrivenliners[C]∥Procof6thInternationalSymposiumonBallistics, 1981: 286-296.

*收稿日期:2015-04-09

作者簡介:阮喜軍(1989-),女,河北任丘人,碩士研究生,研究方向:戰斗部技術。

中圖分類號:TJ760.3

文獻標志碼:A

FeasibilityAnalysisofLinearDiscreteRodWarheadbyNumericalSimulation

RUANXijun,LIANGZhengfeng,LIGuangjia,CHENGShujie

(Xi’anModernChemistryResearchInstitute,Xi’an710065,China)

Abstract:Based on scattering law of circumferential and axial discrete rods, a so-called linear discrete rod warhead was proposed in this paper, which has advantages of high linear destruction density and large power radius. The warhead can produce almost linear fragment perforation on target in actual combat, similar to wire cutting. The design principle of this warhead and calculation formula of major parameter were given in this paper. Then validity and feasibility were proved by numerical simulation.

Keywords:linear discrete rod warhead; wire cutting; numerical simulation