爆炸驱动多层球形破片初速场分析_陈兴旺.pdf

书书书 振动与冲击 第 卷第 期 基金项目 国家自然科学基金 收稿日期 修改稿收到日期 第一作者 陈兴旺 男博士生 年生 通信作者 王金相 男博士研究员博士生导师 年生 爆炸驱动多层球形破片初速场分析 陈兴旺 王金相 唐奎 林尚剑 李元龙 南京理工大学瞬态物理国家重点实验室南京 摘要为准确计算多层球形破片在爆炸驱动下的初速场通过对装药结构的等效分析基于 假定和相邻 层颗粒之间力和力的波动量等概率传递假定忽略排列方式引起的孔隙率变化应用动量和能量守恒建立了破片初速场 的理论计算模型该模型反映了炸药参数和破片的密度层数和直径等因素对破片初速的影响针对典型的爆炸驱动前 向多层破片模型用 非线性有限元程序对多层钨球破片的爆炸驱动过程进行数值模拟开展了相关验证试 验并分析了理论计算值与试验误差产生的原因分析讨论了不同球形破片直径和不同破片层数下破片初速的变化情况 结果表明理论计算值与数值模拟及试验结果吻合较好随着相同直径破片层数的增大破片初速减小相邻层间破片的 速度差值更大层数相同时随着破片直径的减小破片初速增大但相邻层数破片的速度差值更小 关键词多层破片爆炸驱动理论计算模型 模型数值模拟 中图分类号 文献标志码 利用炸药爆炸释放出来的能量对预制破片进行驱 动以实现高速运动这一问题的理论研究和具体实现 具有重要的实际意义 爆炸对壳体的驱动过程规 律及破片速度的准确预报是破片式战斗部威力设计基 础对于破片爆炸驱动问题国内外学者在单层预制 破片爆炸驱动方面开展了较多的研究常基于经典的 计算自然破片初速的 公式或斯坦诺维奇模型进 行改进和修正 但炸药对多层预制破片的爆炸驱动 用来反映层间速度差异的相关理论研究还鲜见报道 利用 假设和能量守恒定律推导出多层平 板最内层速度的计算公式为多层预制破片爆炸驱动理 论的建立提供了基础 等对前向分层排列径 向叠加排列的钨珠爆炸驱动进行了试验研究记录了各 层每个钨珠的速度分布和飞散角结果表明对于圆柱形 装药内层破片的平均初速小于外层破片的平均初速内 层破片的平均飞散角大于外层破片的平均飞散角印立 魁等建立了圆柱形炸药中多层周向破片初速场的计 ChaoXing 算模型基于 假设和冲量定理其中速度分布因 子需要通过大量数值模拟结果确定 本文通过对装药结构等效分析基于 假定 和相邻层颗粒之间力和力的波动量等概率传递假定 忽略排列方式引起的孔隙率变化应用动量和能量守 恒建立了前向破片初速场的计算模型并开展了相关验 证试验对比分析了现有 模型本文理论模型与 仿真结果并结合理论模型数值模拟结果研究开展了 不同条件下多层钨珠爆炸驱动过程的研究重点分析 了钨珠直径和破片层数对破片初速的影响为破片式 弹药设计提供指导 多层破片初速的计算模型 本文研究的多层破片的轴对称结构如图所示 该战斗部设计的装药方式在圆柱体炸药的一端加上一 部分球形炸药炸药半径为 球形炸药的外部紧密有 序排列层球形破片以 表示从里到外计数的第 层破片数层与层之间采用密排球堆集模型排列该 战斗部可同时打击多个目标显著提高对目标的打击 毁伤概率 本文从动量和能量守恒的角度提出球形破片运动 速度公式为建立各层破片初速的计算公式针对爆炸 驱动前向破片战斗部模型作出如下假设 球形破片按轴向分层排列径向采用密排球堆 集模型排列由冲击波理论可知由点起爆产生的球面 冲击波会同时作用于最内层破片的表面忽略边界效 应的影响可将图中装药的点起爆等效为等表面积 等质量平板型装药的面起爆如图所示 装药瞬时爆炸释放的能量全部用于破片和爆炸 产物的飞散爆炸产物不通过预制破片的间隙向外飞散 且爆炸产物从起爆端面到球形破片内切面之间的运动速 度呈线性分布并以第一层球形破片的速度飞行 爆炸驱动过程中球形破片的变形破裂和质量 损失忽略不计以 分别 表示从里到外计数的第层破片的质量和合速度由于 相邻层数之间的排列方式相同可假设相邻层之间力 的传递和力的波动量是等概率传递的即相邻层数之 间的速度比值相等令 因炸药爆炸的能量的均匀对称性作用于每层球 形破片的任一单个破片的能量相等其速度也相等假 设到最大速度 时平板形装药的厚度为则由假设 得 鉴于爆炸能量用于钨珠的加速和爆炸 产物的飞散则由能量守恒得 整理得 图装药预制破片的轴对称结构 图等效平板形装药结构示意图 式中 分别为炸药爆炸前时装药的密度和质量 可认为是炸药爆炸后爆炸产物的质量为每 单元质量炸药中仅转化动能的那一部分化学能为 炸药爆炸前等效平板形装药的厚度为时刻球形破 片膨胀运动到的径向位置 为点的产物速度 再由动量守恒得 式中为时刻受到爆炸产物作用的第一层钨珠有效 面积 为爆炸产物的瞬时压强在爆炸产物的 时利用爆炸产物的状态方程 可表示为 考虑到炸药爆炸的瞬时爆炸假定瞬时爆炸初始 压力 可表示为 对于图的平板形装药结构有 设 为钨珠前向排列数量及爆炸产物膨 胀距离的因变量当破片尺寸和破片层的结构确定 时必有常数 使 振 动 与 冲 击年第卷 ChaoXing 代入数据并整理式 式得 槡 [] 槡 因此最内层破片初速为 槡 槡 由文献可知此处对 槡 取为无破片黏结 剂的单层球形破片结构的值 对 时的值 为 整个破片层中破片的总质量代入式可得最内层破 片初速的近似值破片间隙无填充物 槡 由于破片层之间采取不同的排列方式破片堆积 的孔隙体积占整个破片层体积的比列即孔隙率 不 同考虑到孔隙率对散粒材料在堆积状态下的速度分 布的影响即有 式中为最内层破片的数量 为整个破片层的密 度为破片所占的体积为破片的总质量通过计 算孔隙率的大小且忽略破片之间的碰撞及摩擦结果 表明孔隙率引起的破片初速变化误差不大于 因 此可忽略排列方式引起的孔隙率变化设 槡 将式写为 则各层破片的初 速计算公式为 式中与破片层数最内层破片数和所求速度层 数有关联立式式和式即可求得每一 层破片的速度 多层颗粒爆炸驱动的数值方法 数值仿真模型 采用非线性有限元计算程序 分别对多 层颗粒爆炸驱动进行数值模拟有限元计算模型图如 图所示模型包括空气域其直径为 高度 为 炸药其直径为 轴线处高度为 壳体为钢管厚度为 钨珠共层采用 密排球堆积排列方式如图 所示钨珠直径为 钨珠由下向上每层个数分别为个 个个 个共 个其中炸药为炸 药爆速 由于试验装置为轴对称结构为减 少计算量采用 模型进行计算数值计算采用 算法主发装药和空气域采用 网格壳体和 钨珠采用 网格钨珠与钨珠之间采用自接触 起爆点设置在炸药下表面中心点处 图炸药爆炸后钨珠破片驱动飞散过程 图层钨珠破片的分布与飞散情况 材料模型及参数 空气域采用无偏应力动力模型 和 状 态 方 程装 药 采 用 本构模型和 状态方程 状态方程为 式中为反应物的压力为反应物的体积为单位 体积内炸药内能 为表征炸药特性的 常数 钢管和钨珠材料模型均采用 模型和 状态方程材料参数如表所示 第期陈兴旺等爆炸驱动多层球形破片初速场分析 ChaoXing 表装药壳体与钨珠的材料模型参数 炸药 材料 钢 钨珠 试验验证 为研究上述理论模型的正确性以多层钨珠破片 的爆炸驱动为例开展了验证试验并测得多层颗粒爆 炸驱动后破片最外层飞散速度图为多层颗粒爆炸 驱动整体实物照片共开展了三发相同试验试验装置 由雷管壳体炸药多层钨珠和见证板组成钨珠 破片之间没有黏结剂装药尺寸与上述数值仿真一一 对应钨珠共三层单个钨珠的直径为 战斗部 与见证板的水平距离为 战斗部的实物照片如图 所示装药爆炸后冲击波和爆轰产物驱动多层钨珠 向前飞散通过网靶测试最外层钨珠的飞散速度测试 距离为 通过三发试验测得钨珠破片的最外层速度分别为 和 平 均 值 为 上述理论模型计算值与仿真和试验均值结 果的对比如见表可见本文建立的计算模型对各层 钨珠破片最外层速度的预测值与仿真和试验结果基本 吻合说明该理论计算模型能反映多层破片初速的分 布特征但与仿真和试验结果相比存在一定的误差分 析其偏小的原因可能有 理论模型中没有考虑钨珠 破片之间的碰撞和摩擦损耗 试验装置顶端 盖 板使破片速度有所降低 理论模型中没有考虑破片 空气中飞行的速度损失 图多层颗粒爆炸驱动整体实物照片 图战斗部的实物照片 表最外层速度的理论计算值与仿真和试验均值结果的对比 层 数 钨珠 直径 最外层速度 理论仿真试验均值 理论与仿真 的误差 理论与试验 的误差 仿真与试验 的误差 分析与讨论 基于理论模型和数值结果的爆炸驱动过程分析 为研究多层颗粒的爆炸驱动的过程以上述层 破片爆炸驱动为例分析破片层的分布和飞散图为 炸药爆炸后钨珠破片飞散过程由图可见炸药爆 炸后产生的爆炸产物和冲击波最先作用到最内层钨珠 上此时最内层钨珠下表面压力达到 钨珠获 得动能后开始飞散内层破片经加速后会碰撞外层破 片对外层钨珠破片进行加速此时钨珠表面的压力下 降到只有 见图图为层钨珠破片的 分布与飞散情况如图所示战斗部中的炸药爆炸 之后钨珠沿战斗部径向和轴向飞散见图图 和图 为层钨珠整体模型的最终散布状态 由图和图 初步可见钨珠沿战斗部的径向 分布很均匀沿战斗部的轴向有着较明显的速度区域 分布由图 明显可见在同一时刻最外层钨珠 距轴正方向的距离较远沿轴正方向飞散的速度 较快 振 动 与 冲 击年第卷 ChaoXing 图为理论计算结果和数值仿真计算得到的各层 钨珠平均合速度由图可知对于层直径为 的钨珠破片各层的理论模型计算结果与数值 仿真计算值最大误差不超过 理论模型计算结果 和数值结果吻合较好且从两者结果均可看出从最内 层到最外层钨珠各层的平均速度依次增大 图理论和仿真计算的各层钨珠平均合速度 不同因素对破片初速场的影响 由于不同钨珠层数对钨珠破片的初速度场起着关 键的作用因此研究钨珠层数对多层颗粒的爆炸驱动 是有必要的在钨珠直径相同的情况下对不同层数 钨珠的爆炸驱动结果采用本文模型进行了计算和数值 模拟数值计算结果和理论计算结果显示如表所 示结果表明随着破片层数的增大最内层破片速度 会减小但相邻层数破片的速度差值会更大数值仿真 中相邻层之间的速度比值基本相等且与理论值吻合 较好误差小于符合理论中的不同层间速度的等 比缩减假设 表不同层数下初速场的理论计算值和仿真值 层数 各层 速度 理论计算值 仿真计算值 误差 理论仿真 同理在装药条件和层数相同的情况下研究破片 直径对钨珠初速场的影响数值计算结果和理论计算 结果显示如表所示结果表明随着钨珠直径的减 小最内层破片速度会增大但相邻层数破片的速度差 值会更小数值仿真中相邻层之间的速度比值基本相 等且与理论值吻合较好误差不超过符合理论中 的不同层间速度的等比缩减假设 表不同直径下钨珠初速场的理论计算值和仿真值 直径 层数内层钨珠数量各层速度 理论计算值 仿真计算值 误差 理论仿真 第期陈兴旺等爆炸驱动多层球形破片初速场分析 ChaoXing 结论 针对爆轰驱动前向多层破片模型基于 假 定和相邻层颗粒之间力和力的波动量等概率传递假 定忽略排列方式引起的孔隙率变化利用动量守恒和 能量守恒定理建立了多层钨珠破片初速场的理论计算 模型该理论模型可反映层间速度差异以及破片层数 和破片直径对各层速度的影响理论计算值与数值和 试验结果吻合较好 以本文提出的理论模型和数值仿真结果分析讨论 了不同球形破片直径和不同破片层数下球形破片初速的 变化情况结果表明随着相同直径破片层数的增大破 片速度会减小但相邻层间破片的速度差值更大层数相 同时随着钨珠直径的减小破片速度会增大但相邻层 数破片的速度差值更小且数值仿真中相邻层之间的速 度比值基本相等且与理论值吻合较好误差小于 符合理论中的不同层间速度的等比缩减假设 参 考 文 献 隋树元王树山终点效应学北京国防工业出版 社 谭多望曹仁义王广军爆轰驱动对钨珠终点弹道性能 的影响 爆炸与冲击 凌琦何勇何源定向战斗部破片飞散的数值模拟与试 验研究 振动与冲击 尹峰张亚栋方秦常规武器爆炸产生的破片及其破坏 效应 解放军理工大学学报自然科学版 蒋浩征杀伤战斗部破片飞散初速 的计算 兵工学 报 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