軸向聚焦式預制破片戰斗部破片飛散角研究

2022-10-12 06:12:02徐夢林印立魁黃文龍任曉鵬陳智剛

彈箭與制導學報 2022年4期

徐夢林，印立魁，黃文龍，任曉鵬，楊麗，衛夏，陳智剛

(1 中北大學機電工程學院，太原 030051；2 中北大學地下目標毀傷技術國防重點學科實驗室，太原 030051；3 山西江陽化工有限公司，太原 030051；4 陸裝駐太原地區第三軍代室，太原 030051)

0 引言

軸向聚焦式破片戰斗部是一種定向破片戰斗部，能使破片在軸向上匯聚，能大幅提高破片在軸向上的分布密度，減少破片飛散角，以達到對目標的高效毀傷的效果。

Dhote等研究了軸向預制破片戰斗部破片層數對破片飛散角的影響，并通過試驗，得到了破片飛散角服從標準差為0.75的正態分布；吳宏斌等利用LS-DYNA軟件對定向預制破片戰斗部進行了數值模擬，得到了破片速度以及其在空間上的分布；臧立偉等運用正交優化設計的方法對影響軸向預制破片飛散角的3個因素的主次關系進行了分析。刑恩峰等探究了柱狀裝藥長徑比與裝藥殼體厚度等裝藥結構參數對軸向預制破片拋擲速度沿徑向分布規律的影響。

國內目前對于軸向聚焦式預制破片戰斗部的破片平均飛散角影響因素的研究較少。在參考文獻[3]戰斗部結構的基礎上，文中對軸向聚焦式破片戰斗部進行數值模擬，分析了球缺曲率半徑、裝藥長徑比、殼體厚度3種因素,對破片平均飛散角的影響規律；采用文獻[6]中的正交設計方法，對影響破片平均飛散角的3種因素的主次關系進行了分析，并得到了3種因素水平的最優組合。可為軸向聚焦式破片戰斗部結構參數的設計和優化提供參考。

1 戰斗部結構

軸向聚焦式預制破片戰斗部的破片按球缺排列，裝藥結構如圖1所示。戰斗部由殼體、炸藥、鎢球破片組成。裝藥直徑為60 mm、破片直徑為3 mm、裝藥長徑比為、殼體厚度為、球缺曲率半徑為、裝藥放置破片端面邊緣與弧頂連線與軸線之間的夾角為錐角。其中錐角非軸線邊的中垂線與軸線的交點即為曲率圓心，圓心與弧頂的連線即為曲率半徑。

圖1 裝藥結構示意圖

2 數值模擬

2.1 有限元模型、材料模型及參數

用LS-DYNA和流固耦合算法對軸向聚焦式預制破片戰斗部進行數值模擬。為了更真實的反映實際情況，采用全模型進行數值模擬，起爆方式為端面中心點起爆。運用TrueGrid軟件對戰斗部進行有限元模型的建立，模型如圖2所示。模型中包括炸藥、破片、殼體，和空氣。其中空氣和炸藥為歐拉網格建模，殼體和破片采用拉格朗日網格建模。

圖2 聚焦式戰斗部有限元模型(γ=1.5)

裝藥8701用HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型和JWL狀態方程來描述：

(1)

8701炸藥的主要參數值如表1所示。

表1 8701材料參數

殼體為硬鋁，用JOHNSON_COOK材料模型和GRUNEISEN狀態方程來描述。主要材料參數如表2所示。

表2 硬鋁材料參數

JOHNSON_COOK強度模型定義屈服應力為：

(2)

破片材料為鎢合金，用PLASTIC_KINEMATIC材料模型, 材料參數值如表3所示，空氣為NULL模型和GRUNEISEN狀態方程共同描述。

表3 鎢合金材料參數[10]

表3中為楊氏模量，PR為泊松比，為屈服應力，為切線模量，為硬化系數。

2.2 聚焦式破片戰斗部成型過程數值模擬

軸向聚焦式破片戰斗部爆炸驅動形成破片群，飛散分布受由殼體厚度、球缺曲率半徑、裝藥長徑比3種因素影響。圖3以殼體厚度=0.033、球缺曲率半徑=1.45、裝藥長徑比為=1.5的軸向聚焦式破片戰斗部展示破片戰斗部爆炸驅動破片飛散的數值過程。起爆后12 μs時，破片頂部開始受到爆轟波的作用，軸線區域的破片開始被壓跨，破片間的間隙開始變小，破片間最大間隙值由初始間隙0.18 mm縮減至0.1 mm；16 μs時，在爆轟波的作用下，按球面排列的破片被壓平，破片向軸線匯聚，中心區域破片間的間隙值進一步變小，縮小至0.04 mm；在30 μs時，中心區域的破片實現了“翻轉”；在100 μs時，破片飛散方向角和速度已經基本穩定，破片群呈現錐狀姿態飛散，有一定的速度梯度。

圖3 軸向聚焦式破片戰斗部成型過程

3 破片平均飛散角影響因素分析

3.1 平均飛散角的計算

破片的合速度大小可表示為：

(3)

破片的飛散角(軸向速度j與破片合速度的夾角)可表示為：

(4)

戰斗部遠離軸線位置的兩圈破片，因受端面效應影響，飛散角過大，初速偏低，對目標毀傷效果不明顯，故對破片數據的處理不包含最外圍兩圈破片。

統計實際的破片數為枚，故平均飛散角為：

(5)

破片飛散方向角和速度在100 μs時已經基本穩定，選取此刻的速度，作為平均飛散方向角的統計計算的輸入參數。

3.2 球缺曲率半徑R對破片飛散角的影響

表4為不同球缺曲率的半徑，在殼體壁厚為=0.033，裝藥長徑比=1.5的條件下，對破片平均飛散角影響的數值模擬結果，其中球缺曲率半徑為∞是指破片按平面排列。

表4 球缺曲率半徑R對破片平均飛散角的影響

取表4中3種典型工況，=0.55、1.43、∞，其在100 μs時，破片飛散分布具體情況見如圖4所示。

圖4 3種典型工況100 μs破片飛散分布圖

由圖4可知：=1.43形成錐狀姿態的破片群，聚焦效果明顯，破片密集度高；=0.55形成的破片群，因破片間發生劇烈碰撞，使得破片發散，聚焦性差；=∞形成的破片群，沒有匯聚現象，破片群的飛散姿態呈圓弧狀，破片密集度低。

圖5～圖7為=0.55、1.43、∞3種典型工況，在100 μs時，所有破片飛散角分布區間的統計情況。從圖5～圖7中可知：=0.55工況破片飛散角主要集中于3°～10°，在此區間的破片數為152枚，占破片總數87.9%；=1.43工況破片飛散角主要集中于0°～2°，在此區間的破片數為171枚，占破片總數98.8%；=∞工況破片飛散角主要集中于3°～11°，在此區間的破片數為148枚，占破片總數85.5%。

圖5 R=0.55DC破片飛散角分布區間

圖6 R=1.43DC破片飛散角分布區間

圖7 R=∞·DC破片飛散角分布區間

圖8為不同球缺曲率排列破片受力示意圖。爆轟波與按球缺曲率排列破片作用過程，類似于爆轟波與球缺藥型罩作用形成EFP的過程。爆轟產物與破片作用的過程中，破片的受力情況復雜，為了能大致分析該作用過程，先做如下假定：1)炸藥裝藥瞬時爆轟；2)鎢球破片受的合力方向指向球缺曲率圓心；3)作用于不同球缺曲率工況下位置排序相同處的破片合力大小相等。

圖8 不同球缺曲率半徑排列破片受力示意圖

圖8為點、點破片分別為=055、143工況下位置排序相同處的破片。點破片與曲率圓心連線與軸線的夾角(0≤≤90°)大于點與曲率圓心連線與軸線的夾角(0≤≤90°)。即曲率越小，相同排序位置處破片與其曲率圓心連線，與軸線的夾角越大。將作用于破片點的合力分解為=sin和=cos，其中用于破片的軸向加速，用于破片的軸向匯聚，越大，破片在軸線上匯聚碰撞越強烈。對于破片點有：=sin，=cos。由于>，>，所以=055工況下的破片匯聚作用強于=143工況下的破片匯聚作用。