爆炸抛撒方式对FAE近场抛撒影响的数值模拟研究

2014-07-04李向东白强本刘天宋

机械与电子 2014年4期

贾飞，李向东，白强本，刘天宋

（南京理工大学机械工程学院，江苏南京210094）

0 引言

二次起爆型云爆战斗部的作用原理是在内部爆炸载荷的作用下，将装填在战斗部内的云爆剂抛撒在目标上空的一定高度，与空气混合形成可爆云雾团，利用二次引信将云雾团起爆，形成云雾爆轰。根据 Gardner D R［1］和 Glass M W［2］用数值模拟的方法对云爆剂抛撒的研究，将云爆剂的抛撒分为2个阶段，其中一个为以中心抛撒装药爆炸作用为主导的“近场抛撒”阶段，另一个为以空气阻力为主导的“远场抛撒”阶段。爆炸抛撒及其效果对云爆剂分散、可爆云雾团的形成和毁伤威力等方面具有重要的影响。

针对爆炸抛撒方式对云爆剂抛撒的影响，张陶等［3］利用实验研究了同等条件下，中心单点起爆爆炸抛撒和多点径向辅助起爆爆炸抛撒对FAE爆轰特性及威力影响，结果得出采用2种爆炸抛撒方式形成的云雾覆盖面积和起爆形态相差不大，但是后者在云雾的均匀型、火球温度和冲击波超压方面均优于前者。张奇等［4］采用高速运动分析系统，观测云爆剂的抛撒过程，研究中心抛撒装药对云雾体积的影响规律，结果得云爆剂的抛散过程和云雾最终体积与中心抛撒装药有关。但是目前爆炸抛撒方式对FAE近场抛撒影响的数值模拟研究还不多见。

在此，利用LS－DYNA软件模拟同质量云爆剂和抛撒装药的情况下，中心单点起爆爆炸抛撒方式和多点径向辅助起爆爆炸抛撒方式对云爆剂近场抛撒过程，分析2种抛撒方式对云爆剂近场抛撒的影响，为云爆战斗部的设计提供参考。

1 计算模型及材料参数

1．1 有限元模型及算法

单点中心起爆云爆战斗部结构如图1a所示，有限元模型如图1b所示。外壳体包括端盖和战斗部外壳，单点中心起爆战斗部模型沿轴线几何对称。为了减少运算量，取1／4模型建模。

图1 单点中心起爆抛撒云爆战斗部结构及有限元模型

单点中心起爆云爆战斗部有限元模型的主要尺寸：战斗部壳体长为408 mm，内径为160 mm，壳体厚为3 mm；中心抛撒装药长为400 mm，内径为64 mm，壳体厚为1 mm；空气域的上边界距端盖50 mm，左右边界距战斗部壳体70 mm。

多点径向辅助起爆云爆战斗部结构如图2a所示，有限元模型如图2b所示。外壳体包括端盖和战斗部外壳，多点径向起爆战斗部模型关于Y轴对称。为了减少运算量，取1／2模型建模。

图2 多点径向起爆云爆战斗部结构及其有限元模型

多点径向起爆云爆战斗部有限元模型的主要尺寸：战斗部壳体长为408 mm，内径为160 mm，壳体厚为3 mm；抛撒装药长为400 mm，内径为42 mm，壳体厚为1 mm；径向抛撒装药共6根，均匀分布在中心抛撒装药的周围，内径为20 mm，壳体厚为1 mm；空气域的上边界距端盖50 mm，左右边界距战斗部壳体70 mm。

计算时，空气、云爆剂和抛撒装药采用Euler六面体单元划分网格，壳体均采用单点积分Lagrange六面体单元划分网格。战斗部壳体外面空气层的外边界为非反射边界，以模拟无限空气域，

1．2 材料模型及参数

2种云爆战斗部抛撒装药采用MAT＿HIGH＿EXPLOSIVE＿BURN材料模型和JWL状态方程描述，主要材料参数如表1所示。

表1 2种战斗部抛撒装药主要的参数

炸药周围的空气介质采用MAT＿NULL材料模型和LINEAR＿POLYNOMIAL状态方程来描述，其材料参数如表2所示。

表2 空气的基本参数

2种云爆战斗部壳体为钢，均采用MAT＿JOHNSON＿COOK材料模型和GRUNEISEN状态方程来描述，主要参数如表3所示。

表3 2种云爆战斗部壳体的基本材料参数

在模拟研究中，液体云爆剂密度在1．0 g／cm3左右，采用物理性能与其接近的水来代替，材料模型和状态方程与空气相同，主要参数如表4所示。

表4 水的主要参数

1．3 2种云爆战斗部爆炸抛撒过程

利用上述战斗部模型结构、材料模型和材料参数，对2种抛撒方式的云爆战斗部模型的爆炸抛撒过程进行模拟，如图3和图4所示。

图3 单点中心起爆战斗部云爆剂近场抛撒过程

图4 多点径向起爆战斗部云爆剂近场抛撒过程

2 计算结果与讨论

抛撒装药起爆后，云爆剂在内部爆炸载荷的作用下开始运动，云爆剂逐渐被加速，在战斗部壳体破裂以前，受到战斗部壳体的束缚，云爆剂在战斗部壳体内受到挤压，当战斗部壳体破裂以后，云爆剂开始做宏观意义上的加速运动，当云爆剂的抛撒速度大于爆炸产物的膨胀速度，云爆剂加速过程结束。

为了研究2种爆炸抛撒方式对云爆剂近场抛撒的影响，对于单点中心起爆云爆战斗部，在云爆剂上取距中心轴80 mm，距上端盖100～300 mm，间隔100 mm，共3个观察点，如图5a所示；对于多点径向辅助起爆云爆战斗部，在云爆剂上取距中心轴80 mm，距上端盖100～300 mm，间隔100 mm，分别在2个径向辅助抛撒装药之间和径向抛撒辅助装药之上取3个观察点，如图5b所示。它们的起爆位置都在靠近C点的一端。2种抛撒方式云爆战斗部模型各个观察点在100μs的速度如图6所示。

由图6可知，2种抛撒方式云爆战斗部离起爆点较远的观测点测得的抛撒速度较大，而离起爆点

图5 2种抛撒方式战斗部计算模型观测点

图6 2种战斗部速度随时间的变化曲线

相对较近的观测点测得的抛撒速度较小。多点起爆云爆战斗部位于2个径向辅助抛撒装药之间的观测点的抛撒速度，小于位于径向辅助装药之上的观测点的速度。

由表5可知，单点起爆云爆弹计算装置的在各个观察点的最大速度，要比多点径向辅助起爆的各个观察点的速度都大，单点起爆抛撒方式的云爆战斗部观测点的最大速度（观测点A的最大速度），比多点径向辅助起爆抛撒方式的云爆战斗部观测点的最大速度（观测点D的最大速度）高26．2%。这是由于多点径向辅助抛撒方式的云爆剂受到的压力较大，液体云爆剂容易雾化，雾化后的云爆剂动量减小，阻力增大，从而导致速度降低。

但是在相对位置相同的观察点，单点起爆云爆战斗部观测点的最大压力小于多点径向辅助起爆云爆战斗部观测点最大压力，最大压力降低61．2%。根据相关文献可知［3］，云爆剂在较大的压力作用下容易破碎成雾。