轴向预制破片战斗部的设计研究.pdf

2 0 1 3 年4 月 轴向预制破片战斗部的设计研究臧立伟等 d o i l O ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 ∞l 彤5 2 ．加1 3 ．0 2 ．帅2 轴向预制破片战斗部的设计研究 臧立伟尹建平王志军 中北大学机电工程学院 山西太原，0 3 0 0 5 1 [ 摘要] 为了研究壳体厚度、炸药爆速、起爆点距离3 种因素对轴向预制破片战斗部平均飞散角的综合影响，利 用L s - D Y N A 动力有限元程序，采用I 丑g r a n g e 算法对轴向预制破片战斗部的加速过程进行了数值模拟。以破片平 均飞散角为指标，应用正交优化方法针对3 种因素对破片平均飞散角影响规律和主次关系进行了分析。结果表 明，壳体厚度是主要影响因素，炸药爆速次之，起爆点距离影响最小；并得到了影响破片平均飞散角的3 种因素各 水平的最优组合，优化之后对应的破片平均飞散角为4 ．5 2 0 。。 [ 关键词]爆炸力学预制破片飞散角正交优化数值模拟 [ 分类号] T J 4 1 3 ．2 引言 轴向预制破片战斗部是战斗部结构中的主要类 型之一，它通过首先起爆辅助装药，驱动弹体变形， 使更多的破片对准目标方向；一定延时后起爆主装 药，驱动定向后的破片飞散，形成对目标的能量聚 焦，达到毁伤目标的目的⋯。相对于普通周向均匀 的战斗部而言，轴向预制破片战斗部能显著提高目 标方向上破片的分布密度，并且能有效提高目标方 向上破片的飞散速度，使炸药的能量利用率得到极 大的提高。除用于杀伤人员外，轴向预制破片战斗 部可以应用在破坏无装甲或轻型装甲防护的车辆、 飞机、雷达以及导弹等武器。在一些特殊应用场合， 轴向预制破片战斗部还可以与其它结构形式的战斗 部如成型装药战斗部联合作用，对目标实行联合毁 伤‘2 | 。 龚柏林等⋯在试验的基础上结合有限元计算 软件L S - D Y N A ，采用L a g r a n g e 算法对D 型战斗部破 片飞散及破片毁伤靶板的过程进行了数值模拟，得 出了采用L a g r a n g e 算法模拟预制破片战斗部的破片 飞散过程更具合理性和有效性。时党勇等∽1 对单 点、对称两点和三点起爆方式下爆轰波传播特性、多 层预制破片飞散形态、破片初速和飞散角进行计算 和比较，得出了多层预制破片的飞散规律。周家胜 等旧1 以可视化仿真评估平台就某轴向增强型弹药 对A R M 导弹目标的毁伤效果进行了仿真，提供了 非试验条件下战斗部的设计依据。 这些研究并未对壳体厚度、炸药爆速、起爆点距 离3 种因素对破片平均飞散角的影响规律和主次关 系进行分析。本文在参考文献[ 3 ] 战斗部结构的基 础上对轴向预制破片战斗部做了数值模拟，分析了 壳体厚度、炸药爆速、起爆点距离3 种因素对破片平 均飞散角的影响规律，并应用文献[ 4 ] 中正交优化 的方法，针对3 种因素对破片平均发散角这一指标 影响的主次关系进行了分析研究。 1 战斗部结构及仿真参数 本文研究的轴向预制破片战斗部结构 主要由 炸药、壳体、破片组成 设计见图l 。图2 为轴向预 制破片战斗部结构剖视图。 由于战斗部起爆驱动破片飞散过程包含大变形 问题，因此其数值模拟采用流固耦合算法[ 5 引。计算 时壳体材料选用铜，采用J O H N s O N c O O K 材料模 l 一壳体；2 一炸约；3 一破片 图1轴向预制破片战斗部结构图 F i g ．1 S t m c t u r ec h a I to fa 【i a lp r e f 如r i c a t e df h g m e n t sw a r h e a d } 收稿日期2 0 1 2 m 8 ．2 8 基金项目国防基础科研项目 K 1 3 3 0 4 0 6 1 0 0 9 0 作者简介臧立伟 1 9 8 7 一 ，男，硕士，主要研究方向高效毁伤战斗部设计及数值仿真。E m a i l 7 5 6 6 9 8 9 8 4 q q ．c o m 万方数据 曝破器材 E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第4 2 卷第2 期 4 2 l 一破片；2 一炸药；3 一壳体；4 一起爆点 图2 轴向预制破片战斗部剖视图 F i g ．2 S e c t i o n a lv i e wo ft h ea x i a lp r e f a b r i c a t e d f r a g m e n t sw a r h e a d 型和G R O N E I S E N 状态方程来描述壳体在爆轰波作 用下的动态响应过程和高应变条件下的材料变形问 题。炸药选用B 炸药，采用H I G H E x P L O S I V E B u R N 高能炸药材料模型和J w L 状态方程。J w L 状态方程精确描述了在爆炸驱动过程中爆轰气体产 物的压力、体积、能量特性。空气材料采用M A T N u L L 模型；状态方程为线性多项式，用E O s L I N E A R P O L Y N O M I A L 来描述。钢球采用随动硬化材料 模型。 2 轴向预制破片战斗部成型过程数值模拟 图3 中0 ～1 1 仙s 时，炸药起爆后，爆轰波以球面 波的形式传播，碰到壳体内表面时发生反射，反射波 与爆轰波相叠加，使得爆轰波阵面压力增大，增大之 后的爆轰波传到破片上端面，如1 l 仙s 时刻所示。由 于单点中心起爆所产生的爆轰波为球面波，所以处 于中心部位的破片最先受到爆轰压力和爆轰产物的 作用，导致速度最快的中心破片走在最前面，如 29 s 时刻所示，当壳体达到屈服极限发生破裂时， 爆轰产物沿轴向和径向泻出，战斗部内部压强逐渐 a _ 冬荽魂 ●c 、■F Lo ● ●。L ●●●L ．C ● ●L 一一●●LC ● ● ，，、一L 、- j o ● ～叠i ≥ c 鱼 、l 亨 b ●C ‘ O ● 鬈s 0 二 ●o0 10 io ，o ● ●o0 ●●●oC ● ●o ，●●Co ● p ●‘c ■p ●ooou ● ●OGC ● d a 0 s ； b l l 斗s ； c 2 9 斗s ； d 5 0 斗s 图3 轴向预制破片战斗部典型时刻状态 主视图及左视图 F i g ．3 T h ec t i c a lm o m e n to ft h ea x i a lp r e f ’a b r i c a t e d f r a g m e n t sw a r h e a d f 而n tv i e wa n dI e f tv 记w 减小，对破片的加速能力逐渐减弱。当内外大气压 相等时，破片的推动力消失，此时破片速度达到最 大，在5 0 s 时达到稳定。 3 轴向预制破片战斗平均飞散角影响因素分析 3 ．1 平均飞散角概念 由图4 可以看出，秽。、勘。秒分别为5 0 斗s 时刻破 片速度沿x 轴、y 轴、z 轴的分量，可以得到任意破 片速度方向与z 轴正向之间的夹角为 乜 a r C C O S ■二二二二 二 ‘ 杉 ” 秽； 所以5 0 斗s 时破片平均飞散角度‘7 1 为 l6 l 五2 者i 善d i 破片总数为6 1 冒 D C 口 一卅 目 ／／乡 圹一匕 裹 鲤 一 嘞 ■● ＼、破片爿轴L z 南 b ￡ 图4 轴向预制破片战斗部平均飞散角度不意图 F i g ．4 S k e t c hm a po “h ea v e m g en i g h ta “g l eo f a x i a lp r e f a b n c a t e df r a g m e n t sw a r h e a d 3 ．2 壳体厚度对破片平均飞散角的影响 表1 为壳体厚度对破片平均飞散角的影响的数 值模拟结果。装药均为B 炸药。 表1壳体厚度对破片平均飞散角的影响 T a b ．1I n n u e n c eo fs h e l lt h i c k n e s so nt h e a v e r a g en 培h ta n g l eo ff r a g m e n t s 从表1 可以看出，随着壳体厚度的增加，破片平 均飞散角逐渐减小。原因是壳体可以延迟径向稀 疏波进入炸药的时间，从而减少炸药不完全分解的 化学损失，提高了装药能量利用率，这增强了爆轰产 物对破片的轴向做功能量，提高了破片的轴向速度。 壳体越厚，对爆轰产物的径向膨胀约束力越强，在壳 万方数据 2 0 1 3 年4 月 轴向预制破片战斗部的设计研究臧立伟等 体边缘处约束力达到最大，从而减少了破片的径向 飞散速度。最后，随着壳体厚度的增加，破片在轴向 速度逐渐增强、径向速度逐渐减少的情况下，获得越 来越小的平均飞散角。 3 ．3 炸药种类对破片平均飞散角的影响 表2 为几种炸药的爆速，表3 为爆速对破片平 均飞散角影响的数值模拟结果。 表2 黑索今‘引、8 7 0 l 炸药、T N T 炸药爆速 T a b ．2D e t o n a t i o nv e l o c i t yo fR D X ，8 7 0 1 e x p l o s i V ea n dT N T 表3炸药爆速对破片平均飞散角的影响 T a b ．3I n n u e n c eo fd e t o n a t i o nv e l o c i t yo nt h e a V e r a g en i g h ta n g l eo ff h g m e n t s 由表3 可以看出，随着炸药爆速的减小，破片平 均飞散角逐渐减小。原因是炸药是破片运动的能 源，炸药爆轰后将能量传递给破片，在爆炸载荷驱动 下形成具有一定动能和发散角的破片集群，从而对 目标进行侵彻。根据能量守恒定律，炸药的爆轰能 量增大后，破片的轴向和径向速度相应增大，平均飞 散角相应增大。 3 ．4 起爆点位置对破片平均飞散角的影响 成型装药结构采用圆柱形装药，如图5 所示。 起爆方式采用中心点起爆，分别设定起爆点l 、2 、3 、 4 、5 、6 、7 ，通过7 种起爆方案来研究起爆点与中心破 l 一壳体；2 一炸药；3 一破片 图5 成型装药结构及起爆点分布 F i g ．5 F o 珊e dc h a 唱es t l l l c t u r ea 1 1 di n i t i a t i o np o i n tl a y o u t 片顶端的轴向距离对其平均飞散角的影响，每种方 案的起爆点之间相隔1 0 m m 。对起爆点距离为 0 m m 、1 0 m m 、2 0 m m 、3 0 m m 、4 0 m m 、5 0 m m 、6 0 m m7 种 情况分别进行数值模拟，见表4 。装药均为B 炸药。 表4 起爆点位置对破片平均飞散角的影响 T a b ．4I n f l u e n c eo fi n i t i a t i o np o i n tp o s i t i o no nt h e a V e r a g en i g h ta n g l eo fI ．r a g m e n t s 由表4 可以看出，随着起爆点与中心破片顶点 距离的增加，破片飞散角逐渐减小。模拟结果表明 主装药中心点7 起爆破片受到的爆轰压力峰值远大 于中心破片顶点l 起爆受到的爆轰压力峰值，这导 致了中心点7 起爆所形成的破片集群径向平均速度 和轴向平均速度较l 点起爆大。顶点1 起爆爆轰波 最大压力区较大，多个破片同时受到压力，因此内圈 破片与外圈破片轴向速度差较小。中心点7 起爆球 面波首先传到中心破片，引起内圈破片与外圈破片 轴向速度差较大。这导致了中心点7 起爆破片集群 的中央部分较顶点l 起爆飞行得远。 当起爆点距离很小时，破片平均飞散角很大，而 且速度较低，毁伤目标能力弱，但其破片束接近于平 行，增加了击中目标的有效破片数。起爆点距离增 大虽然使得破片速度有所提高，侵彻目标能力增强， 破片平均发散角减小。但其各圈破片速度差较大， 破片束不平行，这又减少了击中目标的有效破片数。 起爆点距离的过大或过小都会影响破片的打击 面积与侵彻能力。因此，起爆点距离应在4 0 ～ 6 0 m m 的范围内变动。 4 破片平均飞散角影响因素的优化设计 4 ．1 正交优化设计概念 正交优化设计是利用正交表来安排与分析多因 素试验的一种设计方法。它是由试验因素的全部水 平组合中，挑选部分有代表性的水平组合进行试验 的，通过对这部分试验结果的分析，了解全面试验的 情况，找出最优的水平组合。 4 ．2因素水平表的确定 选取因素为壳体厚度艿、炸药爆速％、起爆点位 万方数据 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第4 2 卷第2 期 置危，水平为3 水平。因素水平如表5 所示。 表5因素水平表 F i g ．5 F a c t o r sa n dl e V e l st a b l e 4 ．3 正交优化设计仿真方案及结果 将仿真计算得到的破片平均飞散角作为优化设 计评定指标。用L 。 3 4 正交表来安排3 个因素所 对应的3 个水平，得到表6 所示的9 个数值计算方 案。 袁6 正交设计仿真方案及结果 F i g ．6 O r t h o g o n a ld e s i g nm e t h o da n dr e s u l t 本文考察的是破片平均飞散角的大小，要求平 均飞散角越小越好。从表6 中可以看出，方案7 得 到的平均飞散角最小，但是该仿真条件只是这9 次 当中最好的，3 个因素各有3 个水平总共可以2 7 次 仿真，通过直观比较只能找到这9 次试验当中最好 的仿真条件，还不能确定这一方案是A 、B 、c 各因素 水平的最理想组合。要找出更好的仿真条件就需要 通过极差分析。 正所在行对应的第一个数表示因素4 在水平 一下对值之和，记为L 。，下标中第一个数为水平数， 第二个数代表因素；其它类推；则极差R m a X t ， 一m i n 正i 。因为尺， R 恐，所以各因素对试验 结果的影响程度从主到次分别是4 、B 、c ，即壳体厚 度对破片散布密度影响最明显，炸药爆速次之，起爆 点距离影响最小。 对于因素A ，由于丁。 咒 已，所以在因素A 的 3 个水平的指标和中，第3 水平的指标和最小，也就 是第3 水平的破片平均飞散角最小，所以因素A 应 该取第3 水平。同理，因素曰应该选取第1 水平，因 素C 应该选取第3 水平。 综上所述，可使破片散布面积指标达到最大的 仿真条件是A ，，曰。，c ，，即壳体厚度为5 m m ，炸药为 T N T ，爆速为0 ．6 9 3 k r n ／s ，起爆点距离为6 0 m m 。由 此得出第7 次仿真为2 7 次试验中最好方案，破片平 均飞散角为4 ．5 2 0 0 。 4 结论 1 通过数值模拟研究了壳体厚度、炸药爆速、 起爆点位置对破片散布密度的影响，得出随着壳体 厚度和起爆点距离的增加、炸药爆速的减小，破片平 均飞散角逐渐减小。 2 采用正交设计的方法，以破片平均飞散角为 指标，对正交表给出的9 种各因素不同水平的搭配 方案分别进行了仿真计算，最后得到了壳体厚度、炸 药爆速、起爆点距离3 种因素对破片散布密度影响 的主次关系。结果表明，壳体厚度对破片散布密度 影响最明显，炸药爆速的影响次之，起爆点距离影响 最小。 3 得到了影响破片散布密度3 种因素的最佳 水平组合，即壳体厚度为5 m m ，炸药为T N T ，爆速为 o ．6 9 3 k m ／s ，起爆点距离为6 0 m m 。其对应的破片平 均飞散角为4 ．5 2 0 。。 参考文献 [ 1 ]龚柏林，卢芳云，李翔宇．D 型预制破片战斗部破片飞 散过程的数值模拟[ J ] ．弹箭与制导学报，2 0 1 0 ，3 0 1 8 8 - 9 4 ． G o n gB a i l i n ，L uF a n g y u n ， L iX i a n g ；y u ．S i m u l a t i o na n d s t u d y o nt h ef r a g m e n te j e c t i o np m c e s so fp r e m a d eD s h 印ew a r h e a d [ J ] ．J o u m a lo fP 玎o j e c t i l e s ，R o c k e t s ，M i s s i l e sa n dG u i d a n c e ，2 0 1 0 ，3 0 1 8 8 - 9 4 ． [ 2 ]时党勇，张庆明，夏长富．多层预制破片战斗部数值仿 真方法及起爆方式影响[ J ] ．解放军理工大学学报自 然科学版，2 0 0 9 ，1 0 6 5 5 3 r 5 5 8 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n e s s ，d e t o n a t i o nv e l o c i t y ，a n di n i t i a t i o np o i n tp o s i t i o no nt h e a v e r a g en i g h ta n g l eo fa x i a lp r e f 如r i c a t e df h g m e n t s ，n u m e r i c a ls i m l l l a t i o no ft h ea c c e l e r a t e dp m c e s so ft h ea 菌a lp r e f a b r i c a - t e df r a g r I l e n t sw a sc a m e do u tw i t ht h eL a g r a n g em e t h o du s i n gL s - D Y N A ．R e g a r d i n ga v e r a g en i g h ta n g l eo ff h g I I l e n t sa si n d e x ，o r t h o g o n a lo p t i m i z a t i o nm e t h o dw a s 印p l i e dt oa n a l y z et h ep r i m a r ya n ds e c o n d a r yr e l a t i o n so ft h et h r e ef a c t o r si n n u e n c i n gt h ea v e r a g en i g h ta n d e ．T h er e s u l ti n d i c a t e st h a ts h e l lt h i c k n e s si st h ed o I I l i n a n tf a c t o r ，e x p l o s i v ed e t o n a t i o nv e l o c i t y c o m e ss e c o n d ，a n di n i t i a t i o np o i n td i s t a n c ei m p a c ti sm i n i m a l ．A no p t i m u mc o m b i n a t i o no fe v e r yl e v e lo ft h r e ef a c t o r sa f ． f e c t i n gt h ea v e r a g en i g h ta n g l ei sg a i n e d ，t h m u g hw h i c ht h ec o I T e s p o n d i n gf 吨m e n t sa v e r a g en i g h t a n g l ei s4 ．5 2 0 。． [ K E Yw 0 R D s ]e x p l o s i o nm e c h a n i c s ，p r e 址r i c a t e df I a g m e n t s ，n i 曲ta n 百e ，o n h o g o n a lo p t i m i z a t i o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 1 起爆药的结构和炸药性质的关系 爆破器材2 0 0 1 ，3 0 3 ，1 0 ～1 4 中文 文中评述了起爆药的晶体结构、分子结构和炸 药性质之间的关系以及新型配位化合物起爆药的发 展。 2 粉状工业炸药配方的数学模型 爆炸与冲击2 0 0 1 ，2 1 3 ，2 1 0 ～2 1 4 中文 研究了含有C 、H 、0 、N 、A l 的粉状工业炸药配 方设计的数学模型。研究了不合T N T 的硝酸铵炸 药、含T N T 和燃料油的硝酸铵炸药、含铝粉和T N T 的硝酸铵炸药的配方设计和最佳的数学模型。给出 以上炸药配方设计的数学模型的计算结果，也给出 了由理论计算配方制出的炸药的爆炸性能，从而肯 定了数学模型的可靠性。 钟一鹏译自美国化学文摘 V 0 1 ．1 3 6 ，N o ．1 2 0 0 2 万方数据