一种离散与预制组合破片战斗部的数值模拟

王义磊，吴 越

(中北大学 机电工程学院，太原 030051)

【装备理论与装备技术】

一种离散与预制组合破片战斗部的数值模拟

王义磊，吴 越

(中北大学 机电工程学院，太原 030051)

离散与预制组合破片战斗部的杀伤元为圆弧杆破片与球破片，破片的不同形状和不同参数都影响战斗部的杀伤效果。运用ANSYS/LS-DYNA对该战斗部进行了数值模拟。分析了破片的错位排列和不同形状对战斗部爆炸形成破片的速率及形成破片的空间状态的影响。模拟结果表明:圆弧杆破片的平均速率最大，球破片平均速率最小；由于破片的错位排列及形状的不同使战斗部爆炸在有限的时间内任一时刻破片形成连续的不同半径杀伤环的空间分布，即形成了类似于大碗倒扣在小碗上的 “体”杀伤。模拟结果可为战斗部的设计提供有益的参考。

离散与预制组合破片战斗部；圆弧杆；“体”杀伤；数值模拟

对于各类来袭的中、高空目标，最有效的防御武器是防空导弹，其精度高、射程远、威力大。而防空导弹非核常规战斗部有爆破式、多聚能装药、连续杆式、离散杆式、定向式、子母式、破片式等，而组合式破片战斗部就是把几种单一式破片组合形成一种战斗部。这种战斗部集中了几种单一式破片战斗部的优势。如破片式与离散杆式组合的战斗部，这种组合战斗部既继承了破片式战斗部对有生力量、轻、无装甲目标等武器装备的杀伤优势，又继承了采用离散杆式防空反导战斗部对空中大型目标(如飞机、导弹)毁伤能力进一步增大的优势。由于传统的单段破片战斗部在破片数量上以及对目标的击中概率都不能满足当今武器系统对目标的作战要求，文中设计了一种离散与预制组合破片战斗部，离散破片采用圆弧杆，预制破片采用球；并且圆弧杆破片位于该战斗部上半部和预制破片位于该战斗部下半部。同时融入了错位技术，在破片总数不变的情况下，可进一步提高破片杀伤密度及杀伤概率。

运用有限元计算软件ANSYS/LS-DYNA，结合Lagrange和ALE算法，对离散与预制组合破片战斗部进行了数值模拟，分析了破片的速度及破片所形成的杀伤环的直径、破片在空间的距离。数值模拟研究结果对防空反导战斗部的结构设计可提供一定的依据。

1 离散与预制组合破片战斗部计算结构模型及材料参数

1.1 计算结构模型

设计的离散与预制组合破片战斗部结构简图见图1，其计算模型见图2。该离散与预制组合破片战斗部简化结构是由主装药、内衬、30°[1]的圆弧杆与球破片组成。其中主装药的直径为74 mm，质量为1 095.9 g；内衬厚为3 mm，质量为281.4 g;药柱高为140 mm；其中30°的圆弧杆的杆条截面直径为5 mm，由圆环体的体积计算公式结合该战斗部计算该截面直径为5 mm，由12个30°的圆弧杆组成的圆环体的体积为5 243.2 mm3，那么该30°的圆弧杆的体积为436.9 mm3。为了便于比较，球体破片与30°的圆弧杆破片的体积相同，经计算得知，球体破片的直径为9.4 mm。30°的圆弧杆质量与球质量均为7.9 g。根据战斗部的高度及直径、圆弧杆的截面直径、球体的直径，经计算得知该战斗部上半部由14个圆环体组成，即每个圆环体是由12个30°的圆弧杆组成，圆环体与圆环体之间错位5°排列[1]；由于球与30°的圆弧杆是相同体积根据战斗部下半部的高度，则该战斗部的下半部只能由7层球组成，每层球是由29个球周向相互错位排列组成，相邻球的中心与药柱的中心轴之间的垂直连线之间的夹角为12.4°，相邻球与球周向相互错位角度为3.0°。

图1 离散与预制组合破片战斗部结构

图2 该战斗部计算模型

该战斗部的计算模型由3个部分组成，即3个part。其中part 1为主装高能炸药，part 2为铝内衬，part 3为14个圆环体和7层球破片；该战斗部的计算模型的网格总数为310 272个，其中part 1的网格数为96 000个，part 2的网格数为12 000个，part 3的网格数为202 272个。

1.2 材料参数

建立全模型，为了避免单元发生畸变炸药和空气采用多物质ALE算法，铝内衬、圆弧杆与球破片使用拉格朗日算法，并通过CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID关键字进行耦合。采用cm-g-μs单位制建模。其中主装药选用高能炸药，模型为HIGH_EXPLOSIVE_BURN，采用JWL状态方程描述爆炸中爆轰气体产物的压力、能量和体积膨胀特性。状态方程表达式为

(1)

式中：ρ为炸药密度；D为爆速；A、B、R1、R2、ω为炸药的相关常数。以下表中相关参数RO为参数的密度，PCJ为Chapman-Jouget压力，BETA为硬化参数，SIGY为屈服应力，E为弹性模量，PR为泊松比，DA为轴向阻尼因子，DB为挠度阻尼因子，K为粘滞模量，CP为空化压力。炸药材料的主要参数如表1所示。

表1 主装药的基本材料参数

在主装炸药与圆弧杆和球之间放置了3 mm厚的铝内衬，采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型，铝内衬的基本材料参数如表2所示。

表2 铝内衬材料的主要参数

圆弧杆和球的材料采用钨，采用MAT_ELASTIC材料模型，圆弧杆与球破片的基本材料参数如表3所示。

表3 圆弧杆和球材料的主要参数

空气采用MAT_NULL空材料模型和EOS_LINEAR_POLYNOMIAL线性多项式状态方程。取密度为1.293×10-3g/cm3。

1.3 起爆方式

两端点起爆[4],即主装药的两底面中心点为起爆点。

2 模拟结果及分析

2.1 两端点起爆方式下破片部分飞散过程时刻状态

图3(a)～图3(e)分别为在两端点起爆方式下该组合破片战斗部的杀伤元破片在15 μs、30 μs、45 μs、100 μs、145 μs时刻下的空间飞散状态不同角度的视图。

图3 两端点起爆破片部分飞散过程时刻状态

2.2 分析

图3为该战斗部在两端点起爆方式下的部分时刻的破片的空间分布图。破片在爆炸驱动作用下，发生了径向平动和转动的合成运动。由图3中的各个时刻的破片的空间分布图可见随着破片的飞散，战斗部逐渐膨胀，在任一时刻战斗部的破片都处于连续的不同半径的杀伤环的空间分布，在图3(a)时刻图可见，两起爆点刚刚起爆时不久战斗部稍微膨胀并且破片周向比较密集的排列；而在图3 (b)时刻图可见战斗部膨胀明显，破片也开始沿径向飞散，并且破片周向排列的密集度稍微变小。随着时间的增大，破片的速度也逐渐增大，战斗部也逐渐膨胀，并且破片周向排列的密集度逐渐变稀，如图3(c)、图3(d)、图3(e)。当破片的速度达到某一速度不变，战斗部膨胀到一定的程度时即达到一定的“体”杀伤域。以破片的速率不变为基准，破片的各种参数如表4所示。

表4 杀伤环的参数

由图3结合表4分析可知，战斗部中圆弧杆杀伤环直径最小值为圆弧杆第一层，圆弧杆杀伤环直径是随着时间的增大先增大后减小；对于预制破片球的杀伤环直径最小值为战斗部最底一层球，由图3也可知预制破片球的杀伤环直径也是随着时间的增大先增大后减小；圆弧杆杀伤环直径的平均值大于预制破片球杀伤环直径的平均值。由表4破片中心在y方向的距离范围可知，破片在y方向距离不超过6 cm，则战斗部近似表现为各层之间连续紧挨着半径不同的空间分布体，这显然增大了对目标的击中概率和杀伤密度。由图3还可知，与等体积的单段圆弧杆或者球破片战斗部相比，无论从破片数量上还是从破片飞散的空间位置分布，该组合战斗部都能更有效地拦截打击目标，进一步提高对目标的命中概率及对目标的毁伤效果。

3 两端点起爆方式下破片的速度分析

为了便于分析，按战斗部从左到右的顺序，选择该战斗部最右端各个破片上的一个单元，如图4所示。通过LS-PREPOST绘制出两端点起爆方式下破片的速度-时间历程曲线，如图5所示。

图4 战斗部最右端各个破片上的一个单元

图5 两端点起爆下破片的速率-时间历程曲线

该战斗部在炸药的爆轰驱动下，其杀伤元破片最终的速率时间历程曲线，如图5所示，再结合图4可知，最先稳定破片为圆弧杆破片，其次为球破片；并且稳定的时间都不到25μs；由图4、图5可见，可得两端点起爆方式下该战斗部破片速率参数，如表5所示。

表5 两端点起爆下破片的速率参数

分析图4、图5及表5可知，圆弧杆、预制破片球的速率随着时间的增大以及层数的增大先增大后减小；又由表5中的平均值可知，圆弧杆的杀伤范围大于预制破片球的杀伤范围，圆弧杆对目标的毁伤效果强于预制破片球。

4 结论

利用有限元计算软件ANSYS/LS-DYNA在两端点起爆方式下，对离散与预制组合破片战斗部进行了数值模拟。得出以下结论：

1) 该组合战斗部的破片密度大，动能大，对目标的毁伤效果增大及对目标的击中概率大，并且战斗部中部对目标的击中概率及毁伤效果最大。

2) 在两端点起爆方式下，战斗部在破片速率达到稳定以后的任一时刻，均表现为类似于大碗倒扣小碗的“体”杀伤。

3) 两端点起爆方式下，相同体积的两种形状破片的平均速率不同，最大的为圆弧杆破片；其次为球破片。破片速率大的，对命中目标的杀伤威力大。

4) 在两端点起爆下，破片中心在y方向上之间的距离都不大于6 cm，这使形成的“体”杀伤纵向排列紧密，进一步增强了对目标的毁伤效果和杀伤密度。

[1] 梁增友,丁方超，陈智刚,等.杆条参数对聚焦式杆条战斗部毁伤效能的影响[J].兵工学报,2013,33(S2):92-95.

[2] 阮喜军，梁争锋，程淑杰.离散杆战斗部相关技术研究进展[J].四川兵工学报，2014,35(10):52-56.

[3] 高淑萍，王志军，孙华，等.结构参数对离散杆战斗部效能的影响[J].兵器材料科学与工程，2013，36(3):80-83.

[4] 李龙俊,董素荣,陈秀文,等.不同起爆方式下离散杆战斗部爆炸驱动杆条的数值研究[J].弹箭与制导学报,2009,29(4):103-105.

[5] 赵海鸥.LS-DYNA动力分析指南[M].北京：兵器工业出版社,2003:80-90.

[6] 时党勇,李裕春，张胜民.基于ANSYS/LS-DYNA 8.1进行显示动力学分析[M].北京：清华大学出版社,2005:184-199.

[7] 尹建平，王志军.弹药学[M].北京：北京理工大学出版社，2014:347-348.

(责任编辑周江川)

Numerical Simulation of Discrete and Prefabricate Compositedly Fragmentation Warhead

WANG Yi-lei, WU Yue

(School of Mechanical Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

The kill element of discrete and prefabricated combination fragment warhead are arc-shaped lever and spherical-debris. The wounding effects of the warhead is influenced by the fragment with its shapes and parameters. The warhead was simulated and analyzed by ANSYS/LS-DYNA. We analyzed the effects of derangement and different shapes of fragment to the velocity of the fragment formed by the warhead explosion and the fragment spatiality. Simulation shows that the average speed of arc-shaped lever is the fastest and the spherical-debris is the lowest; As derangement and various of shapes of the fragment, after explosion of the warhead, that will take shape continuous kill rings with different semi-diameters at any time within a set period of time. Then there reforming a “volume” wounding seems like a bigger upturned bowl on a smaller one. The result of numerical simulation can provide a useful reference for the design of the discrete rod combined warhead.

discrete and prefabricated fragment warhead; arc rod; “volume” wounding; numerical simulation

2016-07-22；

国家自然科学基金资助项目“爆炸作用下钢箱梁缩尺模型响应特征及破坏机理研究”(51408558)

王义磊(1985—)，男，硕士研究生，主要从事战斗部毁伤与技术研究。

吴越(1973—)，男，博士，副教授，主要从事高效毁伤与目标防护技术研究。

10.11809/scbgxb2016.12.009

王义磊,吴越.一种离散与预制组合破片战斗部的数值模拟[J].兵器装备工程学报，2016(12):38-41.

format:WANG Yi-lei, WU Yue.Numerical Simulation of Discrete and Prefabricate Compositedly Fragmentation Warhead[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(12):38-41.

TJ760.3

A

2096-2304(2016)12-0038-04

修回日期：2016-08-23