不同形狀預控破片成形及毀傷效應研究

苗春壯，梁增友，鄧德志，趙文杰，王耀琦

(中北大學 機電工程學院，山西 太原 030051)

破片殺傷戰斗部是典型的戰斗部類型之一，其原理是利用高能炸藥爆炸時推動金屬殼體并使其破裂，形成大量的高速破片，利用破片的高速撞擊殺傷有生力量(人和動物)，也可用于引燃引爆目標裝藥、飛機、雷達和輕型裝甲車輛[1]。破片殺傷戰斗部可分為自然破片、預制破片和預控破片，預控破片又叫半預制破片。自然破片形成時形狀不規則，尺寸也差異很大，尺寸太大導致破片數量減少，尺寸太小毀傷效能也不高。預控破片是通過一定的手段讓殼體在破裂時形成形狀相對規則的破片，殼體在受到爆轟波作用時產生應力集中并沿著應力集中處被“切開”，常用的手段有殼體刻槽、裝藥表面刻槽、局部弱化等[2]。預控破片產生的破片大小和形狀基本相等，炸藥能量利用率較高，獲得的有效破片數量較為穩定，因此被廣泛用于殺傷戰斗部結構中。

吳建萍等[3]研究了刻槽式預控破片戰斗部刻槽形狀對破片速度的影響，結果表明方形槽相對于V形槽和鋸齒形槽而言具有更理想的破片形狀和速度。彭正午[4]就刻槽參數對預控破片戰斗部的殺傷威力進行了詳細的研究，并討論了槽深、槽寬和槽間隔對殼體破碎規律的影響。吳成等[5]得出了內刻V形槽圓柱殼體在內爆轟載荷下的臨界斷裂準則，并確定了相應的函數表達式。鄧云飛[6]和周楠[7]均對不同形狀預制破片侵徹靶板進行了數值模擬，得出了破片對靶板破壞形式的規律。張高峰等[8]提出了殼體爆炸質量損失率模型，并得出刻槽深度越大，殼體質量損失率越小。為了最大化殺傷威力，破片需獲得更好的毀傷屬性(外形、速度)，筆者主要研究在殼體外部刻方形槽的預控破片的成形及對靶板的毀傷情況，并通過對破片截面為三角形、正方形、菱形和正六邊形的4組數值仿真進行對比研究，為預控破片彈的設計和優化提供一定的理論參考。

1 模型建立

1.1 材料模型

炸藥材料選取8701，使用高能炸藥材料模型和JWL狀態方程來描述爆炸產物隨時間的變化規律，其參數如表1所示,其表達式為

(1)

式中：p為壓力；V為相對比容；E為單位體積的內能;A、B、R1、R2、ω為材料參數;e為等效應變。

表1 8701炸藥的JWL狀態方程參數

殼體材料選取鎢，材料參數如表2所示。

表2 鎢殼材料參數

靶板材料使用均質鋼，使用JOHNSON-COOK材料模型描述材料性能，材料參數如表3所示,其表達式為

(2)

式中：A、B、C、m、n為材料系數。

表3 鋼靶材料參數

1.2 有限元模型

對幾種不同形狀的刻槽式破片戰斗部進行建模，并劃分網格如圖1所示?？紤]到刻槽方向不具有空間對稱性，因此建立全模型。在進行有限元數值模擬時對模型進行適當地簡化，殼體厚度選取4 mm，刻槽寬度選取0.4 mm，刻槽深度選取3 mm。

炸藥起爆方式選擇底部中心點起爆，建模單位使用cm-g-μs，采用多物質ALE算法，空氣和靶板之間使用流-固耦合。炸藥直徑選取100 mm，裝藥高度選取110 mm，空氣厚度為10 mm并添加非反射邊界。炸藥和空氣的有限元模型如圖2所示。

在研究破片對鋼靶的侵徹性能時，為了便于觀察，提取每種形狀的單個破片重新建模。破片初速取1 000 m/s,侵徹角為0°(垂直侵徹)?？紤]到破片接觸靶板時已經產生一定的變形，故調整尺寸為穩定飛行時的尺寸。破片形成后轉速和質量損失較小，對侵徹靶板的影響可忽略不計。因此侵徹模型可等效為破片塊垂直侵徹鋼靶，有限元模型如圖3所示。鋼靶尺寸為100 mm×100 mm×5 mm，破片與鋼靶之間使用侵蝕接觸算法。

2 計算結果及分析

2.1 破片成形分析

圖4～7為4種破片分別在10 μs和70 μs時的破片成形狀態及合速度分布云圖。

從圖4～7中可以看出，4種不同刻槽方式的殼體均在10 μs左右開始破裂，周向的破裂程度大于軸向的破裂程度，殼體中間的破片速度明顯大于兩端的速度,最終呈球柱形向外擴散。

這是由于爆轟波在徑向反射增強而在軸向逐漸衰減，且在上下端面處產生氣體泄露。對比分析70 μs時的云圖可知，正六邊形破片的預控效果最好，沒有出現粘連破片。三角形破片和菱形破片存在一定的雙破片粘連，正方形破片則存在多破片粘連，這在一定程度上降低了殺傷威力。

2.2 破片速度及質量損耗分析

圖8～11為4種破片速度隨時間變化的曲線圖，在軸向方向從底部到頂部均勻選取A～E6個參考節點來顯示不同高度處破片的速度。

從圖8～11中可以看出4種破片在20～30 μs達到最高速度，約在50 μs時速度逐漸趨于穩定。中間段的破片速度最高，沿上下端面逐漸遞減，且上端面的破片速度低于下端面。這是由于起爆方式為底部中心點起爆，爆轟波傳播到上端面處衰減較多，并在上端面產生一定的泄漏。

表4給出了4種破片穩定飛行后的最大速度、最小速度和平均速度。分析可知，4種破片形成時的速度較為接近，平均速度均在1 000～1 100 m/s之間。由此可見，在刻槽參數(槽寬、槽深、槽間距等)一定的情況下，只改變刻槽破片的形狀對破片成形速度影響較小。

表4 各破片速度對比 m/s

表5給出了起爆前殼體質量、破片穩定飛行后有效破片總質量以及質量的損耗率。由于刻槽方式的不同，4種殼體的初始質量具有一定差異，但相差小于2%，可忽略不計。表中數據顯示殼體在碎裂過程中，三角形破片的質量損耗率最大，正方形破片則最小，但相差在3%內，因此破片形狀對殼體的質量損耗影響不大。

2.3 破片侵徹性能分析

圖12為各破片侵徹鋼靶的后效圖，4種破片在侵徹靶板后均產生較大變形成為扁平的片狀體，形成孔的輪廓與破片形狀基本一致，4種破片對靶板的破壞形式均為沖塞破壞。

圖13給出了破片侵徹鋼靶過程的速度變化情況，三角形、菱形、正方形、正六邊形破片穿靶后剩余速度分別為630、665、685、735m/s，仍具有殺傷能力。通過對比分析可知，在初速和質量相同的情況下，各形狀破片的殺傷威力由強到弱為：正六邊形、正方形、菱形、三角形。

3 結論

應用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對截面為三角形、正方形、菱形以及正六邊形的外部刻槽式預控破片戰斗部成形過程以及破片侵徹靶板過程進行數值模擬，得出如下結論：

1)正六邊形破片的預控效果最好，沒有產生相互粘連的破片；菱形破片存在少量的雙破片粘連，正方形破片和三角形破片則存在多破片粘連。

2)在刻槽參數(刻槽深度、刻槽寬度和刻槽間隔)一定的情況下，預控破片形狀對破片成形速度影響不大，對殼體質量損耗也影響較小。

3)通過破片侵徹鋼靶的仿真計算，得出在初速和質量相同的情況下，各截面形狀破片的殺傷威力由強到弱為：正六邊形、正方形、菱形、三角形。