起爆方式對預制破片飛散性能影響的數值模擬研究

史志鑫，尹建平

(中北大學 機電工程學院， 太原 030051)

預制破片戰斗部通過裝藥起爆產生的爆轟波驅動破片，使破片飛散形成毀傷元對目標進行殺傷，預制破片戰斗部可以通過改變裝藥結構和改變起爆方式控制裝藥起爆后的爆轟波形，進而控制預制破片的飛散效果；通過控制裝藥起爆后的爆轟波形可以實現預制破片的聚焦效果，也可以控制預制破片的飛散角和飛散方向角，實現定向殺傷。

預制破片戰斗部可以根據戰場的作戰需要選擇合適的裝藥結構和起爆方式。梁爭峰等[1]利用數值仿真的方法分析了定向破片戰斗部的破片數目和破片速度的分布規律，并研究了爆炸網絡對定向戰斗部破片飛散的影響。李翔宇等[2]運用LS-DYNA軟件對比分析了可變形戰斗部、偏心起爆戰斗部和傳統周向均勻戰斗部破片的飛散效果。郭子云等[3]利用LS-DYNA研究了戰斗部端面預制破片的威力，分析了裝藥長徑比和裝藥端面曲率半徑對戰斗部端面預制破片的分散速度和飛散角的影響。臧立偉等[4]利用數值仿真的方法對軸向預制破片戰斗部進行研究，分析了炸藥爆速、起爆點位置和殼體厚度對軸向預制破片飛散的影響。龔柏林等[5]利用試驗和數值仿真的方法對D型預制破片戰斗部破片的飛散過程進行了研究，試驗獲得了預制破片的毀傷效果和破片的分布，對比了Lagrange算法和ALE算法的仿真結果。從現有的對預制破片戰斗部的研究來看，很少有人對預制破片戰斗部的起爆方式進行研究，也很少有專家和學者對起爆方式控制裝藥內部的爆轟波形進行研究。

本文利用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件對預制破片戰斗部毀傷元成型過程進行了數值模擬，分析了戰斗部不同起爆方式對破片飛散效果的影響。

1 計算模型

戰斗部結構由殼體、內襯、預制破片和裝藥組成，戰斗部口徑為122 mm，殼體厚度為3 mm，內襯厚度為2 mm，戰斗部的結構示意圖和二分之一有限元模型示意圖如圖1所示；預制破片在戰斗部內部的排列方式及測速單元的選取如圖2所示。

由于球形預制破片的初速較高[6]，本文預制破片的形狀選取為球形，直徑為7 mm，破片在戰斗部內部單層排列，戰斗部內裝填預制破片個數為960個，預制破片的有限元模型如圖3所示。

模擬時，戰斗部殼體材料選取4340鋼，選用MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型，主要參數為：密度為7.83 g/cm3、彈性模量為220 GPa、泊松比為0.22；內襯材料選取鋁合金，選用MAT_JOHNSON_COOK材料模型，選用EOS_GRUNEISEN狀態方程進行描述，主要參數為：密度為2.77 g/cm3、彈性模量為72 GPa、剪切模量為27.07 GPa；炸藥材料選取B炸藥，選用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型，選用EOS_JWL狀態方程。主要參數為：密度為1.82 g/cm3、爆速為8 480 m/s、C-J壓力為34.2 GPa；戰斗部裝填的預制破片的材料選取45鋼；選用MAT_ELASTIC材料模型，主要參數為：密度為7.83 g/cm3、彈性模量為220 GPa、泊松比0.22[6]。

2 數值模擬及分析

從動能的角度出發，在假設條件下，Gurney能量法利用Gurney比能和爆炸載荷系數β推導出破片的初速[7]，破片理論初速的方程為：

Gurney比能與炸藥爆速成線性關系，方程為：

式中：De為炸藥的爆速。

2.1 數值模擬

本文分析了戰斗部底部中心點起爆、中心線起爆、一端面環起爆和兩端面環起爆四種起爆方式對對預制破片飛散的影響；中心點起爆、中心線起爆和環起爆示意圖如圖4、圖5和圖6所示，起爆環的半徑為45 mm。在數值模擬的過程中，用INITIAL_DETONATION關鍵字添加起爆點，利用在戰斗部中心軸線上每隔2 mm設置一個起爆點模擬中心線起爆；在圖3所示的戰斗部端面圓環上，每隔2 mm設置一個起爆點模擬端面環起爆。

預制破片戰斗部選擇不同的起爆方式在裝藥中產生不同的爆轟波形，裝藥內部不同的爆轟波形使破片的飛散效果不同。戰斗部裝藥起爆后，爆轟波沿裝藥的徑向和軸向傳播，并產生高溫高壓的爆轟產物，爆轟波和爆轟產物沿徑向和軸向膨脹使得內襯破裂，爆轟波和爆轟產物從內襯破裂的裂縫中傳出并驅動預制破片和破裂的內襯。預制破片在爆轟波和爆轟產物的驅動下向戰斗部的徑向飛散對殼體產生徑向壓力，戰斗部殼體在破片的擠壓和爆轟波的膨脹作用下破裂，部分殼體破裂形成有效破片。預制破片擠出殼體之后向空氣中飛散，預制破片在空氣中飛散的整體效果形狀呈“燈籠形”。預制破片是預制破片戰斗部的主要毀傷元，殼體和內襯破裂產生的部分自然破片也具有一定的殺傷能力。預制破片的飛散過程如圖7所示。

預制破片戰斗部選取底部中心點起爆、中心線起爆、一端面環起爆和兩端面環起爆四種起爆方式在戰斗部起爆后，t=100 μs時破片的飛散效果和速度云圖如圖8、圖9、圖10和圖11所示。

2.2 數值模擬結果分析

戰斗部內部裝填預制破片的層數為20層，每層48個破片，從戰斗部上方到下方依次將層數編為1層至20層。破片的初速、飛散角和飛散方向角是衡量預制破片戰斗部殺傷效能的重要指標，破片的飛散方向角定義為預制破片的飛散方向與戰斗部赤道面的夾角[8]。本文利用破片的初速和飛散方向角來分析起爆方式對預制破片戰斗部破片飛散的影響。

戰斗部選用底部中心點起爆t=100 μs時，從表1數據可以看出，位于戰斗部中間的預制破片速度較大，飛散方向角較小，預制破片的平均速度為1 915 m/s，平均飛散方向角為10.1°，飛散角為55.7°；戰斗部選用底部中心點起爆，當戰斗部起爆后，爆轟波從起爆點向戰斗部的軸向和徑向傳播并驅動預制破片運動，爆轟波傳到戰斗部的頂部將會返回沿戰斗部的軸向和徑向再次傳播，使得預制破片再次被爆轟波驅動，爆轟波沿戰斗部軸向和徑向的傳播會進行多次，進而對戰斗部中間的預制破片進行多次驅動，所以戰斗部中間的預制破片速度會大于戰斗部兩端的預制破片。

戰斗部選用中心線起爆時，戰斗部起爆后爆轟波從中心線戰斗部徑向和軸向傳播，爆轟波在傳播的過程中驅動預制破片向外飛散，每層預制破片的速度差較小；表2中的數據為t=100 μs時每層預制破片的速度和分散方向角，預制破片的平均速度為1 967.1 m/s，平均飛散方向角為9.2°，飛散角為52.6°。

一端環起爆是在戰斗部的一端設置起爆環，起爆環的設置位置如圖6所示，此種起爆方式使得沿起爆環一端的破片先被驅動，爆轟波沿起爆環軸向和徑向傳播，徑向傳播的過程中驅動每層預制破片向外飛散。表3為t=100 μs時每層預制破片的速度和分散方向角的數據，預制破片的平均速度為1 957.4 m/s，平均飛散方向角為8.8°，飛散角為43.7°。

兩端環起爆是在戰斗部兩端設置起爆環，在戰斗部的兩個端面起爆環設置的位置如圖6所示，戰斗部兩端的起爆環同時起爆，爆轟波從戰斗部的兩端沿戰斗部軸向和徑向傳播，并驅動預制破片向外飛散，戰斗部兩端爆轟波在戰斗部的中間相遇，一部分爆轟波繼續向前傳播，另一部分爆轟波反方向傳播，戰斗部中間的預制破片被戰斗部兩端傳來的爆轟波驅動，戰斗部中間的預制破片速度較高，飛散方向角也較小。表4為t=100 μs時每層預制破片的速度和飛散方向角的數據，預制破片的平均速度為2 037.8 m/s，平均飛散方向角為5.6°，飛散角為30.8°。

四種起爆方式的預制破片戰斗部破片的飛散性能如表5所示。

表1 戰斗部底部中心點起爆每層破片速度及飛散方向角

表2 戰斗部中心線起爆每層破片速度及飛散方向角

表3 戰斗部一端環起爆每層破片速度及飛散方向角

表4 戰斗部兩端環起爆每層破片速度及飛散方向角

表5 四種起爆方式的預制破片戰斗部破片飛散性能

3 結論

1) 戰斗部采用底部中心點起爆，預制破片的平均速度最低，為1 915 m/s，每層預制破片的速度差較大；戰斗部采用中心線起爆，每層預制破片的速度差較小，破片的平均速度為1 967.1 m/s；戰斗部采用兩端環起爆，預制破片的平均速度最高，為2 037.8 m/s，戰斗部中間幾層預制破片的速度較高；戰斗部選用一端環起爆時，破片的平均速度為1 957.4 m/s。四種起爆方式仿真結果所得的破片速度較理論計算的結果大。

2) 戰斗部采用底部中心點起爆，預制破片的平均飛散方向角最大，為10.1°，飛散角也最大，為55.7°；戰斗部采用中心線起爆，預制破片的平均飛散方向角為9.2°，方向角為52.6°；戰斗部采用兩端環起爆，預制破片的平均飛散方向角最小，為5.6°，飛散角也最小，為30.8°；戰斗部選用一端環起爆時，預制破片的平均飛散方向角為8.8°，方向角為43.7°。

3) 預制破片戰斗部采用兩端環起爆有利于提高預制破片飛散的速度，減小飛散方向角和飛散角、能夠提高預制破片的飛散密集度。