聚焦破片战斗部破片质量对毁伤能力的影响分析

杨雨潼，马平原，曾亮

（1.海军装备部重庆局，重庆400000；2.92349部队，山东淄博255178；3.海军航空工程学院飞行器工程系，山东烟台264001）

聚焦破片战斗部破片质量对毁伤能力的影响分析

杨雨潼1，马平原2，曾亮3

（1.海军装备部重庆局，重庆400000；2.92349部队，山东淄博255178；3.海军航空工程学院飞行器工程系，山东烟台264001）

聚焦破片战斗部是防空导弹常用战斗部，由于战斗部总质量往往受限，因而分析在破片总质量不变的情况下单个破片质量对毁伤能力的影响十分必要。假定聚焦破片战斗部的破片总质量不变，为8 kg，应用ANSYS/LSDYNA有限元分析软件模拟不同质量破片打击靶弹不同目标舱段的毁伤效果，共进行了15种情况的数值模拟。模拟结果研究表明：单个破片质量为2 g的战斗部对靶弹的整体杀伤效果最好。

聚焦破片战斗部；防空导弹；毁伤；破片

聚焦破片战斗部采用了破片集束技术，降低破片飞散角，使破片在爆炸后轴向集中在一个较窄的“飞散角”区域内，形成密集环状破片流，对目标结构“切割”杀伤，增大了战斗部对目标的毁伤效果，适用于防空导弹战斗部[1-2]。

聚焦破片战斗部的主要杀伤元素是破片，因而破片的数量、形状、质量、初速、分布状况等都是关键性能指标。通常在导弹设计过程中，战斗部质量是一定的，为在这一条件限制下，极大地提高战斗部的毁伤能力，有必要研究在破片总质量不变的情况下单个破片质量对毁伤能力的影响。本文假定：聚焦破片战斗部的破片总质量保持为8 kg，而单个破片质量在2 g、2.5 g、3 g、3.5 g、4 g间变化；战斗部距靶弹6 m爆炸，爆炸后形成的破片形状为正方体，质量大小一致并均匀分布呈圆柱面状的破片带上；靶弹的目标舱段简化等效为不同材料和厚度的圆环柱体。本文采用ANSYS/LS-DYNA有限元软件进行数值模拟分析。

1 几何建模和网格划分

1.1 聚焦破片战斗部的简化假设

聚焦破片战斗部爆炸后形成圆环状破片带。现在假设所有的破片都均匀分布在此圆环带上，圆环的半径为6 m。此圆环带面的轴线与靶弹的轴线平行。作用在靶弹上的破片所对应的圆心角为α，如图1所示，图中大圆为聚焦破片带的分布圆，小圆表示靶弹。

图1 破片分布图Fig.1 Distribution of fragment

由图1的几何关系可得

式（1）中：r为靶弹的弹径，r=17.2 cm；R为聚焦破片战斗部爆炸后形成的聚焦破片带圆环的半径，R=600 cm。

用上式求得α=3.19°，α的数值很小且破片所形成的圆半径较大，因而建模时认为作用在靶弹上的这些破片在空间成直线分布，没有弧度。破片简化为正方体，边长为a。聚焦破片战斗部的破片总质量为8 kg。单个破片的质量m变化范围为2～4 g，分别取2 g、2.5 g、3 g、3.5 g、4 g作为研究对象。

打击到靶弹的破片数n与总破片数N的关系为

相邻破片之间的间距为

每个破片的边长为

不同质量的破片所对应的计算结果如表1所示。

表1 不同质量的破片所对应的计算结果Tab.1 Results corresponding to different fragments in weight

1.2 靶弹的简化假设

本文假设靶弹为“鱼叉”反舰导弹[3]，根据参考文献[4-5]，采用等效原则建立等效靶，把靶弹“鱼叉”导弹的舱段分别用不同厚度的圆环柱体进行简化等效。“鱼叉”导弹的3个主要舱段分别是制导舱、战斗部舱、发动机舱。制导舱等效为单圆环柱体，柱长30 cm，圆环柱体外径17.2 cm，内径16.8 cm，材料为硬铝LY12；战斗部舱等效为单圆环柱体，柱长30 cm，圆环柱体外径17.2 cm，内径15.6 cm，材料为4340钢；发动机舱等效为双圆环柱体，其中发动机舱的外蒙皮等效为外圆环柱体，发动机壳体等效为内圆环柱体，柱长30 cm，外圆环外径17.2cm，内径16.8 cm，材料为硬铝LY12，内圆环外径15.95 cm，内径15.7 cm，材料为4340钢。以上外径、内径均指半径。

1.3 破片模型的网格划分

每个破片的等效正方体划分网格尺度为0.2 cm。破片采用八节点六面体单元SOLID164划分。不同质量的破片网格划分基本类似，在此仅以质量为2 g的破片为例进行说明，如图2所示。

图2 单个破片的网格划分Fig.2 Mesh of fragment

1.4 各舱段模型的网格划分

在对各舱段的等效圆环柱体进行划分网格时，为了既节省机时又不影响模拟数值结果，只对破片与柱体的接触段进行加密，划分尺度为0.2 cm。采用八节点六面体单元SOLID164划分。其划分见图3～5。

图3 制导舱的网格划分Fig.3 Mesh of guidance cabin

图4 战斗部舱的网格划分Fig.4 Mesh of warhead cabin

图5 发动机舱的网格划分Fig.5 Mesh of engine cabin

1.5 材料模型及计算参数

针对弹靶高速撞击过程中，材料变形速度快，塑性流动大的特点，本文选用Johnson-Cook材料模型来对其进行模拟。Johnson-Cook模型是一种与应变率、温度相关的塑性材料模型，适用于应变率在很大范围内变化、绝热塑性变形引起的材料软化问题，在实体单元中使用时需要输入状态方程。

Johnson-Cook材料模型参考文献[6-7]。材料模型的参数见表2、表3。

表2 钢的Johnson-Cook材料模型参数_Tab.2 Johnson-Cook material model parameter of steel

表3 铝的Johnson-Cook材料模型参数_Tab.3 Johnson-Cook material model parameter of steel

1.6 破片毁伤靶弹的模型

破片初始位置距靶弹上壁0.5 cm，初速为0.17 cm/μs。5种不同质量的破片毁伤3种舱段共建立15个模型，以3 g质量的破片毁伤发动机舱为例，见图6。其他模型，在这里就不一一赘述。

图6 破片毁伤发动机舱模型Fig.6 Model of fragment penetrating engine cabin

2 计算结果与分析

2.1 评判聚焦破片战斗部毁伤效果的标准

聚焦破片战斗部最早出现在法国海响尾蛇防空导弹上，它利用装药的聚焦效应，使破片在空间一定距离处汇聚，打击能量集中，可对目标进行近似“切割”毁伤。为了客观评判不同质量聚焦破片的毁伤效果，我们引入了圆周切割率的概念。圆周切割率是指破片杀伤靶弹所留下的所有弹洞在靶弹圆周方向的弧长总和与靶弹周长的比值。一般而言，破片造成的圆周切割率越大，其战斗部的毁伤效果就越好。

另外，破片在打击到靶弹战斗部后，将在装药柱内产生冲击波。冲击波在装药内传播时波阵面处的压力、密度和温度急剧上升，使得装药内部产生不均匀的应力，在某些点可能出现应力峰值，造成炸药局部加热产生“热点”。当“热点”温度高于炸药热分解温度时，炸药有可能被引爆。单位时间内在炸药内部形成的“热点”数越多，引爆的概率就越高[8-9]。因此，对于打击到靶弹战斗部的破片而言，其毁伤效果也取决于破片撞击靶弹战斗部所产生的冲击波压力能否可靠引爆战斗部装药。

2.2 聚焦破片打击靶弹制导舱数值模拟

不同质量聚焦破片打击靶弹制导舱毁伤效果如图7～11所示，破片均能够贯穿靶弹制导舱。

图7 2 g破片毁伤效果Fig.7 Damage effect of 2 g fragment

图8 2.5 g破片毁伤效果Fig.8 Damage effect of 2.5 g fragment

图9 3 g破片毁伤效果Fig.9 Damage effect of 3 g fragment

图10 3.5 g破片毁伤效果Fig.10 Damage effect of 3.5 g fragment

图11 4 g破片毁伤效果Fig.11 Damage effect of 4 g fragment

表4为各种质量的破片所对应的切割率，从表4中清楚看出破片的切割率随破片质量的增加而减小，其中质量为2 g的破片对靶弹的制导舱的切割率最大。因此，2 g破片对靶弹的制导舱的杀伤效果最好。

表4 不同质量破片对靶弹的制导舱的切割率Tab.4 Incising ratio on guidance cabinfor different fragments in weight

2.3 聚焦破片打击靶弹战斗部舱数值模拟

对于战斗部舱来说不同质量的破片的毁伤作用过程描述基本相同，各种不同质量的破片均没能穿透战斗部舱等效圆筒的上壁，只留下了一串深浅不等的弹坑。表5给出了不同质量的破片打击战斗部舱造成的舱壁应力最大值。

表5 不同质量的破片打击战斗部舱造成的舱壁应力最大值Tab.5 Max stress on warhead cabin impacted by different fragments in weight

从表5中可以看出，各种不同质量的破片打击战斗部舱造成的舱壁应力最大值差值很小，差值最大只有0.012GPa。并且，根据装药安定性知识[10-11]，这些破片所造成的最大应力均不能够可靠地引爆战斗部。图12是质量为2.5g的破片打击舱壁过程中造成的舱壁应力最大值的时刻图。

图12 t=9.9859 μs战斗部舱壁应力图Fig.12 Stress of warhead bulkhead at t=9.985 9 μs

2.4 聚焦破片打击靶弹发动机舱数值模拟

不同质量的破片毁伤发动机舱的过程基本相似，部分破片能够侵彻外蒙皮和发动机内壁进入发动机舱，但不能够继续侵彻出发动机内壁，部分破片进入外蒙皮和发动机内壁间，给外蒙皮造成较大划伤。典型毁伤如图13所示。

图13 t=437.37 μs时刻发动机舱毁伤效果正视图Fig.13 Front view of the engine compartment damage effect at t=437.37 μs

表6、7为各种质量的破片对应的切割率。从表6可以看出，质量不同的破片对发动机舱外蒙皮的切割率，大体上与破片质量成反比，即对靶弹发动机舱外蒙皮的毁伤以2g的为最佳。从表7可以看出，质量不同的破片对发动机内壁的毁伤效果差别较小，其中以质量为3g的破片的杀伤效果最佳。综合考虑破片对发动机舱外蒙皮以及发动机内壁的毁伤效果，可以认为2g的破片对发动机舱的整体毁伤效果较好。

表6 破片对发动机舱外蒙皮的切割率Tab.6 Incising ratio on skin of engine cabin for different fragments in weight

表7 破片对发动机舱内壁的切割率Tab.7 Incising ratio on shell of enginfor different fragments in weight

3 结论

本文应用大型非线性有限元分析软件ANSYS/ LS-DYNA对聚焦破片战斗部打靶试验进行了数值仿真。分别对质量为2 g、2.5 g、3 g、3.5 g、4 g的破片打击靶弹“鱼叉”导弹不同舱段过程进行仿真，并对不同质量的破片的杀伤效果进行了定量的比较。

从数值模拟结果可以看出在不同质量的破片中，单个质量为2 g的破片能对靶弹的制导舱和发动机舱造成最好的毁伤效果。在不同质量的破片对靶弹构成应力起爆的威胁大小方面，各种不同质量的破片差别很小，且均不能可靠引爆战斗部装药。综合考虑对靶弹的毁伤效果，认为单个质量为2 g的破片对靶弹的整体杀伤效果是最好的。

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Influence Analysis of Fragment Quality with Damage Ability About Fragment Focusing Warhead

YANG Yu-tong1,MA Ping-yuan2,ZENG Liang3
（1.Military Representatives Bureau of Navy in Chongqing,Chongqing 400000,China; 2.The 92349thUnit of PLA,Zibo Shangdong 255178,China; 3.Department of Airborne Vehicle Engineering,NAAU,Yantai Shangdong 264001,China）

Fragment focusing warhead is commonly used in anti aircraft missile.Since the total mass of the warhead is often limited,so the damage ability influenced by single fragment mass is necessary with unchanged total mass of the fragment. Assumed unchanged total mass of the fragment was 8 kg,it was simulated by using ANSYS/LS-DYNA finite element analysis software that fragments of different mass penetrated different target cabin.15 cases of numerical simulation were carried.The simulation showed that damage ability of the warhead was best which mass of single fragment is 2g.

fragment focusing warhead;anti aircraft missile;damage;fragment

TJ410；E932

A

1673-1522（2014）04-0360-05

10.7682/j.issn.1673-1522.2014.04.013

2013-12-09；

2014-03-29

杨雨潼（1971-），男，工程师，硕士。