相对速度对随进战斗部影响的仿真研究
2013-08-26张乐源李永胜王伟力宋之勇白连建王海生
张乐源，李永胜，王伟力，宋之勇，白连建，王海生
(1.海装重庆局，重庆 402760;2.海军航空工程学院 兵器科学与技术系，山东 烟台 264001;3.中国人民解放军92514部队，山东 烟台 264001)
0 引言
串联战斗部的毁伤机理是利用前级成型装药压溃药型罩，形成金属射流或EFP对目标进行毁伤;后级战斗部随进侵彻与爆破，从而对硬目标、舰艇、人员、装备等造成高效的毁伤。对于串联战斗部，第1级装药量较大，2级间距较小，第1级爆炸会对第2级产生重要的影响［1－5］。这些影响主要包括以下几方面:
1)爆炸后形成的空气冲击波超压对第2级战斗部的作用，冲击波超压可能损坏第2级弹体，甚至可能引爆第2级装药;
2)空气冲击波和爆轰产物直接作用在第2级弹体上，产生较大的冲量，结果会使第2级战斗部的速度降低，并且可能引起第2级战斗部姿态的改变，从而使第2级战斗部不能顺利穿进由第1级战斗部爆炸在目标靶上所侵彻的孔洞内。
本文针对王伟力、李永胜［1－2］等设计的用于串联战斗部的环形切割器，运用ANSYS/LS－DYNA软件，对在不同的前后级相对速度条件下，该环形切割器对随进战斗部的影响进行数值仿真，为串联战斗部隔爆结构设计提供依据。
1 环形切割器和随进战斗部结构和材料模型
1.1 环形切割器和随进战斗部结构模型
环形切割器和随进战斗部的结构设计如图1所示。数值计算时不考虑由于零件制造、装配等造成的不对称性，不考虑其他部件的影响。模型假设:1)环形切割器的炸药、药型罩、壳体，空气和随进战斗部的壳体、炸药为均匀连续介质;2)整个爆炸过程为绝热过程;3)忽略重力的作用。
图1 环形切割器和随进战斗部结构设计Fig.1 The structural design of annular cutter and following warhead
为研究处于不同随进状态的随进战斗部受环形切割器起爆后空气冲击波作用的响应规律，根据实际需要采用ANSYS/LS－DYNA软件，建立“环形切割器+随进战斗部”的串联战斗部模型，根据对称性，为简化计算采用1/4模型，如图2所示。其中随进战斗部与环形切割器的相对速度v分别为0 m/s，300 m/s，600 m/s。
模型由环形切割器的炸药、药型罩、壳体、空气、随进战斗部壳体及炸药6部分组成。将环形切割器炸药、药型罩、壳体和空气4种材料采用Euler网格单元划分，在计算中单元使用多物质ALE算法，克服了单元严重畸变引起的数值计算困难的问题。随进战斗部的壳体和装药2种材料采用Lagrange网格单元划分。
为保证计算的精确可靠性，在空气域四周设置透射边界，避免冲击波在空气域边界反射造成的误差。对于整个模型，在对称面上施加对称约束。空气域四周设置透射边界，起爆方式为环形起爆，爆轰波按非直线方式传播。计算时间为200 μs，并记录环形切割器及周围空气域和随进战斗部加速度、速度、压力等参数。
图2 环形切割器和随进战斗部仿真模型Fig.2 The simulation model of annular cutter and following warhead
1.2 环形切割器和随进战斗部材料模型
表1 空气材料参数Tab.1 Air material parameters
表2 B炸药材料参数Tab.2 B explosive matlrial parameters
表3 壳体钢材料的参数Tab.3 The case steel material parameters
表4 药型罩紫铜材料参数Tab.4 Liner copper material parameters
2 不同相对速度对随进战斗部影响的数值计算结果
探讨环形切割器起爆后对不同相对速度 (v=0 m/s，v=300 m/s，v=600 m/s)的随进战斗部加速度、速度、压力等的影响。
2.1 v=0 m/s时
1)随进战斗部加速度曲线如图3所示。从图中可以看出，随进战斗部受到前级聚能装药产生的加速度从冲击波到达随进弹头部开始，当冲击波阵面到达随进战斗部锥体中段时，战斗部加速度最大值为3.18×105m/s2;当冲击波阵面扫过随进战斗部锥体和柱体结合部附近时，加速度逐渐下降，加速度持续作用时间较长，约为60 μs。
图3 随进战斗部加速度变化曲线 (v=0 m/s)Fig.3 The acceleration curve of following warhead(v=0 m/s)
2)随进战斗部速度变化曲线如图4所示。从图中可以看到，随进战斗部受冲击波作用为120 μs达到向后运动的最大速度为12.6 m/s。
图4 随进战斗部速度变化曲线 (v=0 m/s)Fig.4 The velocity curve of following warhead(v=0 m/s)
3)随进战斗部壳体最大主应力为1164 MPa，如图5所示。最大应力出现在战斗部顶端附近一个面区域内;随进战斗部装药最大压力出现在装药的顶端，且最大压力为690.7 MPa。
2.2 v=300 m/s时
图5 随进战斗部壳体和装药表面最大压力 (v=0 m/s)Fig.5 The maximum pressure of following warhead and charge surface(v=0m/s)
1)随进战斗部加速度曲线如图6所示。从图中可以看出，随进战斗部受到前级聚能装药产生的加速度从冲击波到达随进弹头部开始，当冲击波阵面到达随进战斗部锥体中段时，战斗部加速度最大，最大值为4.08×105m/s2，当冲击波阵面扫过随进战斗部锥体和柱体结合部附近时，加速度逐渐下降，加速度持续作用时间较长，约为50 μs。
图6 随进战斗部加速度变化曲线 (v=300 m/s)Fig.6 The acceleration curve of following warhead(v=300m/s)
2)随进战斗部速度变化曲线如图7所示。从图中可以看到，随进战斗部受冲击波作用为100 μs，运动速度最后降为285.2 m/s。
图7 随进战斗部速度变化曲线 (v=300 m/s)Fig.7 The velocity curve of following warhead(v=300 m/s)
3)随进战斗部壳体最大主应力为1153 MPa，如图8所示，最大应力出现在战斗部顶端附近的一个区域内;随进战斗部装药最大压力出现在顶端，为911.3 MPa。
图8 随进战斗部壳体和装药表面最大压力 (v=300 m/s)Fig.8 The maximum pressure of following warhead and charge surface(v=300 m/s)
2.3 v=600 m/s时
1)随进战斗部加速度曲线如图9所示。从图中可以看出，随进战斗部受到前级聚能装药产生的加速度从冲击波到达随进弹头部开始，当冲击波阵面到达随进战斗部锥体中段时，战斗部加速度最大，最大值为5.08×105m/s2;当冲击波阵面扫过随进战斗部锥体和柱体结合部附近时，加速度逐渐下降，加速度持续作用时间较长，约为50 μs。
图9 随进战斗部加速度变化曲线 (v=600 m/s)Fig.9 The acceleration curve of following warhead(v=600 m/s)
2)随进战斗部速度变化曲线如图10所示。从图中可以看到，随进战斗部受冲击波作用为100 μs，运动速度最后降为582.7 m/s。
图10 随进战斗部速度变化曲线 (v=600 m/s)Fig.10 The velocity curve of following warhead(v=600 m/s)
3)随进战斗部受力情况如图11所示。其中壳体主应力最大为1155 MPa;装药最大压力为1287 MPa，出现在距装药顶端5.2 cm处;随进战斗部的速度降为18 m/s。
图11 随进战斗部壳体和装药表面最大压力 (v=600 m/s)Fig.11 The maximum pressure of following warhead and charge surface(v=600 m/s)
3 结语
通过利用ANSYS/LS－DYNA软件进行环形切割器对随进战斗部影响的数值仿真，对仿真结果分析得到如下结论:
1)随着2级战斗部间相对速度的增加，随进战斗部受前级环形切割器爆炸冲击作用时的加速度逐渐增大，速度落差也逐渐增大。最终在600 m/s时，将引爆随进战斗部的装药，进而导致串联战斗部失去其价值。
2)随进战斗部壳体顶端附近区域处主应力最大，后端圆柱段主应力较小;当随进战斗部以低于300 m/s速度随进时，装药最大压力低于1.0 GPa;而当随进战斗部以600 m/s速度随进时，装药最大压力超过1.0 GPa。通常认为，随进战斗部装药压力不超过1.0 GPa就不足以引爆炸药［5］，因此串联战斗部要添加必要的隔爆结构设计。
［1］李永胜，王伟力，姜涛.用于串联战斗部的环形切割器优化设计［J］.弹箭与制导学报，2010，30(2):93－96.
［2］王伟力，李永胜，田传勇.串联战斗部前级环形切割器的设计与试验［J］.火炸药学报，2011，34(2):39－43.
［3］王健，阮文俊.串联随进战斗部前后级影响数值仿真［J］.系统仿真学报，2010，22(9):2231 －2234.
［4］曾必强，姜春兰，严翰新，等.串联攻坚战斗部前级爆轰场对随进弹随进影响分析［J］.兵工学报，2010，31(S1):162－166.
［5］涂侯杰，恽寿榕，赵衡阳.破爆型串联战斗部第一级对第二级影响的研究［J］.兵工学报，1994(3):18－22.
