殺爆型戰(zhàn)斗部作用機(jī)理及設(shè)計(jì)諸元分析研究

方 策，李 寧，王海洋，王君鳳

（陜西 西安710043）

隨著現(xiàn)代軍事的發(fā)展，各種陸基及艦載雷達(dá)設(shè)備在戰(zhàn)場(chǎng)上越來(lái)越受到重視，根據(jù)雷達(dá)不同功能系統(tǒng)受攻擊的難易程度（或雷達(dá)的機(jī)動(dòng)性），可將雷達(dá)分為固定式雷達(dá)和機(jī)動(dòng)性雷達(dá)。各種電子設(shè)備及配套設(shè)備均被安裝在固定的掩體內(nèi)，天線饋電系統(tǒng)及天線座被安裝在固定天線塔臺(tái)上，一般暴露在室外，或各種電子設(shè)備和配套設(shè)備被安裝在若干機(jī)動(dòng)的車廂或方艙內(nèi)，天線饋電系統(tǒng)被安裝在車廂或方艙的頂部。天線饋電系統(tǒng)和車廂或方艙均是主要的被攻擊目標(biāo)。

因此，使用預(yù)制破片殺爆戰(zhàn)斗部是解決此類問(wèn)題的一個(gè)比較好的途徑。

1 殺爆戰(zhàn)斗部的設(shè)計(jì)依據(jù)

預(yù)制破片殺爆型戰(zhàn)斗部需考慮如下要求：預(yù)制破片的分布密度，預(yù)制破片飛散角，破片侵徹鋼板的厚度，毀傷效果等因素。

殺爆戰(zhàn)斗部的主要設(shè)計(jì)思路是圍繞著如何提高破片分布密度來(lái)展開的。影響破片分布密度的因素很多，合理的戰(zhàn)斗部長(zhǎng)徑比以及曲率半徑，可以有效提高破片的分布密度和控制破片的飛散角。戰(zhàn)斗部?jī)?nèi)殼體的選擇對(duì)戰(zhàn)斗部的性能起到很大的影響，其決定戰(zhàn)斗部的曲率半徑、預(yù)制破片的排列方法、裝藥的長(zhǎng)徑比。

總結(jié)以上殺爆戰(zhàn)斗部的設(shè)計(jì)思路，可以將此問(wèn)題歸結(jié)為彈塑性流體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，對(duì)于此類問(wèn)題可以使用ANSYS-AUTODYN數(shù)值模擬軟件的Euler方法來(lái)進(jìn)行仿真分析。

2 殺爆戰(zhàn)斗部模型及其材料狀態(tài)方程的建立

數(shù)值模擬基于質(zhì)量、動(dòng)量、能量守恒方程及對(duì)材料動(dòng)態(tài)行為的適當(dāng)描述，共同構(gòu)成動(dòng)力學(xué)方程組，采用有限元方法或有限差分方法來(lái)完成。應(yīng)用有限元軟件ANSYS-AUTODYN對(duì)殺爆戰(zhàn)斗部的數(shù)值進(jìn)行模擬，對(duì)以下三組方案進(jìn)行仿真分析，確定出最優(yōu)方案，模型具體參數(shù)如表1所示。

表1 模型參數(shù)

建立模型時(shí)，考慮到材料在高溫、高壓、高應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)行為，戰(zhàn)斗部殼體選用Johnson/Cook彈-塑性模型及Mie-Gruneisen狀態(tài)方程。具體參數(shù)為G=0.64 MPa，A=900 kPa，B=2920kPa，N=0.31，C=0.025，M=1.09，Tm=1356 K。

JWL狀態(tài)方程精確地描述了在爆炸驅(qū)動(dòng)過(guò)程中爆轟氣體產(chǎn)物的壓力p、體積V和能量特性，JWL狀態(tài)方程表達(dá)式為，式中A、B、R1、R2、ω為輸入?yún)?shù)，E0為初始內(nèi)能。文中炸藥材料具體參數(shù)為A=340，B=3.4，R1=4.15，R2=0.9，ω=0.35。

靶板采用603鋼板，具體參數(shù)為ρ=7.83 g/cm3，P=8.73 GPa，E=207 GPa，μ=0.3，σy=0.45 GPa，破片采用高密度金屬，具體參數(shù)為，ρ=17.6 g/cm3，E=355 GPa，μ=0.22，σy=1.27 GPa。

3 戰(zhàn)斗部作用諸元模擬分析

3.1 爆炸模型建立

在模型的軸線方向上等距離取10個(gè)Gauge點(diǎn)，根據(jù)這些點(diǎn)上應(yīng)力的傳播情況，分析不同形狀戰(zhàn)斗部殼體在爆炸過(guò)程中的聚能情況，模型如圖1所示。

圖1 模型

起爆后，方案一殼體上0.015 ms應(yīng)力云圖如圖2所示。

圖2 t=0.015 ms的應(yīng)力云圖

當(dāng)t=0.015 ms時(shí)，殼體基本全部被損壞，統(tǒng)計(jì)殼體上的10個(gè)Gauge點(diǎn)最大應(yīng)力值如表2所示。

表2 方案一中10個(gè)Gauge點(diǎn)最大應(yīng)力值（單位：×106 kPa）

同理，可以得到方案二與方案三中殼體上的最大應(yīng)力值，分別如表3、表4所示。

表3 方案二中10個(gè)Gauge點(diǎn)最大應(yīng)力值（單位：×106 kPa）

表4 方案三10個(gè)Gauge點(diǎn)最大應(yīng)力值（單位：×106 kPa）

3.2 戰(zhàn)斗部長(zhǎng)徑比及曲率半徑分析

對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，方案一中，爆轟波對(duì)戰(zhàn)斗部?jī)蛇呌休^大的影響，應(yīng)力值均可超過(guò)1.5×103MPa，中心受力較小，應(yīng)力值為1.1×103MPa，這樣戰(zhàn)斗部?jī)蛇叺钠破梢垣@得較大能量的動(dòng)能，而中間大部分地方的破片獲取的動(dòng)能較小。方案二中，爆轟波對(duì)戰(zhàn)斗部整個(gè)殼體影響較為平均，殼體大部分的應(yīng)力值均已超過(guò)1.7×103MPa。方案三中，爆轟波對(duì)戰(zhàn)斗部整個(gè)殼體影響也較為平均，但是殼體大部分的應(yīng)力值僅為1.2×103MPa。

可以看出長(zhǎng)徑比對(duì)爆轟波的分布影響比較大，長(zhǎng)徑比為1.4時(shí)可以使破片獲得最大的動(dòng)能；殼體的厚度對(duì)聚集爆轟波也有一定的影響，殼體厚度為5 mm時(shí)效果最佳，因此可以確定方案三為最優(yōu)方案。三方案具體參數(shù)對(duì)比如圖3所示。

圖3 三方案具體參數(shù)對(duì)比

從圖3可以看出，不同的載荷系數(shù)的戰(zhàn)斗部長(zhǎng)徑比與曲率半徑不同，可以利用以上仿真技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，得出合理的數(shù)據(jù)。

3.3 破片飛散角的分析

戰(zhàn)斗部爆炸時(shí)，破片以一定速度vp向四周飛散。各個(gè)方向上的飛散角與破片分布密度有一定的分布規(guī)律，它由戰(zhàn)斗部的結(jié)構(gòu)決定。飛行中，速度逐漸衰減，仍然具有殺傷能力的破片隨著飛行距離的增加而逐漸減少。飛散角計(jì)算公式如下：

式（1）中：θ為殼體表面法線矢量與破片初速夾角；vd為爆速；ψ2為殼體某點(diǎn)爆轟波傳播方向矢量和對(duì)稱軸夾角；ψ1為殼體表面法線矢量和對(duì)稱軸夾角。

式（2）中：Ω為破片飛散角。

以第三方案模型為例，進(jìn)行爆炸仿真，分析后發(fā)現(xiàn)，破片飛散的狀態(tài)平穩(wěn)，各個(gè)位置的破片在飛行中沒(méi)有明顯受到碰撞影響。提取一個(gè)破片，將此破片的數(shù)據(jù)參數(shù)代入可以得到飛散角。

3.4 殺傷面積的分析

戰(zhàn)斗部殺傷面積決定殺傷帶寬及破片分布密度，而破片密度對(duì)破片毀傷效果起決定性因素。當(dāng)戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)一定，爆炸條件一定，目標(biāo)一定時(shí)，相應(yīng)的殺傷面積也一定。為了求出殺傷面積，除了必須給出有關(guān)目標(biāo)的信息外，還應(yīng)知道預(yù)制破片的初速、破片的質(zhì)量分布、飛散時(shí)的密度分布。殺傷面積的求解方法：在地面任一處（x，y）取微面dx、dy，設(shè)目標(biāo)在此微面內(nèi)被破片擊中并殺傷的概率為p（x，y），則ds=p（x，y），dx、dy可視為微面dx、dy內(nèi)的殺傷面積。

定義全戰(zhàn)斗部的殺傷面積：

4 結(jié)論

殺爆型戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)時(shí)，具有合理的長(zhǎng)徑比、曲率半徑，才能得到合理的飛散角與殺傷帶寬。只有飛散角確定了，預(yù)制破片的平均面密度才能確定。而破片侵徹鋼板厚度決定了預(yù)制破片選取什么樣的材料。利用數(shù)值仿真技術(shù)，為設(shè)計(jì)提供理論支持。減少試驗(yàn)次數(shù)后，縮短了項(xiàng)目研制的周期。同時(shí)，建立模型、對(duì)一些設(shè)計(jì)諸元進(jìn)行分析、研究作用機(jī)理，對(duì)預(yù)制破片戰(zhàn)斗部的研究有一定的指導(dǎo)意義。