基于环形切割器的串联战斗部隔爆结构的优选

吕　进，王伟力，李永胜，傅　磊（海军航空工程学院.兵器科学与技术系；.研究生管理大队，山东烟台264001）



基于环形切割器的串联战斗部隔爆结构的优选

吕进b，王伟力a，李永胜a，傅磊b
（海军航空工程学院a.兵器科学与技术系；b.研究生管理大队，山东烟台264001）

摘要：硬质聚氨酯具有刚度小、材质松散、易于吸收爆炸能量的特点，是一种很好的隔爆材料。为了设计环形切割器与后级随进战斗部之间的隔爆装置，利用LS-DNA分别进行了圆柱型、圆锥型、球缺型3种聚氨酯隔爆体的数值模拟研究。通过研究得出结论：球缺型结构既节省材料，又可以更有效地降低前级产生的冲击波对后级战斗部的影响。该结论有助于带环形切割器串联战斗部的隔爆设计。

关键词：聚能装药；数值模拟；环形切割器；隔爆

近年来，我们对环形聚能装药的串联战斗部原理进行了数值仿真和原理验证试验研究[1-2]。宋之勇等人通过对前级环形切割器的优化设计，在保证了环形射流对前级的毁伤效果前提下，基本消除了环形切割器中心侵彻体对后级战斗部的影响[3]。在不考虑环形聚能装药的串联战斗部两级间隔爆的情况下，前级装药爆炸会对后级随进战斗部产生显著的影响：前级装药爆炸后形成的冲击波超压、破片和爆轰产物对后级随进战斗部的作用，一方面可能损坏或引爆后级随进战斗部；另一方面可能使后级随进战斗部的速度降低或姿态改变，从而使其不能顺利穿进由前级战斗部爆炸在目标上产生的孔洞内。因此，必须对环形聚能装药的串联战斗部进行前后两级间的隔爆材料以及结构进行研究[4-9]。前期通过研究，已经确定了选用硬质聚氨酯这种刚度小、材质松散、易于吸收爆炸能量的材料作为前后级隔爆材料[10]。

1　有限元模型

1.1串联战斗部结构模型

本文在环形切割器结构和隔爆体材料确定的前提下建立串联战斗部隔爆模型，模型由环形切割器的装药、药型罩、壳体、空气、后级随进战斗部和隔爆体组成。为简化计算，采用1/4模型，结构如图1所示。

图1　串联战斗部隔爆模型示意图Fig.1 Diagram of tandem warhead eplosion model

隔爆体分别选择圆柱型、圆锥型、球缺型3种结构，1/4模型结构如图2所示。

图2　不同形状隔爆体结构示意图Fig.2 Different shapes of plame-proof bod

环形切割器的装药、药型罩、空气和隔爆体采用Euler网格单元划分。在计算中，单元使用多物质ALE算法；后级随进战斗部和环形切割器壳体采用Lagrange网格单元划分。为保证计算精确和可靠性，在空气域四周设置透射边界，以避免冲击波在空气域边界反射造成的误差。对整个模型，在对称面上施加对称约束，环形切割器装药起爆方式为顶端环形起爆。

1.2材料模型及主要参数

前级环形切割器的装药选用Comp.B炸药，采用High-Eplosive-Burn模型和JWL状态方程；药型罩材料为紫铜，采用Steinberg材料模型和Grüneisen状态方程；壳体和后级随进战斗部为钢，采用Johnson-cook材料模型和Grüneisen状态方程；空气采用Null材料模型和Linear-Polnomial状态方程。主要参数见表1和表2[11]。聚氨酯选用Null材料模型和Grüneisen状态方程进行模拟。硬质聚氨酯的材料参数见表3[12]。

表1　金属材料参数Tab.1 Parameters of metallic materials

表2　Comp.B炸药的材料参数Tab.2 Material parameters of Comp.B eplosive

表2　Comp.B炸药的材料参数Tab.2 Material parameters of Comp.B eplosive

材料Comp.B炸药密度/（g/cm3）1.70爆速/（m/s）8 300爆压/GPa 30.0

表3　聚氨酯的基本材料参数Tab.3 Material parameters of polurethane

表3　聚氨酯的基本材料参数Tab.3 Material parameters of polurethane

ρ/(kg⋅m-3) 320 Grüneisen Eos Cg/(m⋅s-1) 2 540 S1 1.57 S20 γ0 1.07 E0/GPa 0 V01

2　数值模拟结果及分析

2.1圆柱型聚氨酯隔爆

图3给出了圆柱型爆炸过程的数值模拟结果。选取了弹头表面不同位置的单元，见图4，其时间-应力历程曲线如图5所示。

图3　爆轰波压力云图以及随进战斗部上的应力云图（圆柱型隔爆）Fig.3 Detonation wave pressure nephogram and following warhead on the stress nephogram（clindrical）

图4　不同单元编号示意图（圆柱型隔爆）Fig.4 Diagram of different numbers of units（clindrical）

图5　不同单元的时间-应力历程曲线（圆柱型隔爆）　Fig.5 Different unit of time-stress curve（clindrical）

从图5可以看出：后级随进战斗部最大应力值出现在弹头表面，达到1.24 GPa。弹头顶部出现了微小变形，说明弹头最大应力值已经超过钢的屈服强度，也说明圆柱型聚氨酯虽然对后级战斗部起到了一定的保护作用，但是作用并不明显。

通过观察圆柱型聚氨酯隔爆数值模拟过程，可以看出，爆轰波在战斗部中心形成了汇聚作用，形成了压力集中区。为进一步提高隔爆效果，提高材料利用率，设计了圆锥型隔爆体与球缺型隔爆体，进行数值模拟研究。

2.2圆锥型聚氨酯隔爆

圆锥型爆炸过程的数值模拟结果见图6。图7为选取的弹头表面不同位置的单元，其时间-应力历程曲线见图8。从图8可以看出：后级战斗部最大应力值出现在弹头表面，达到1.05 GPa。冲击波经过隔爆体后强度有所衰减，弹头未出现变形，说明圆锥型隔爆体对后级随进战斗部起到了很好的保护作用。

图6　爆轰波压力云图以及随进战斗部上的应力云图（圆锥型隔爆）Fig.6 Detonation wave pressure nephogram and following warhead on the stress nephogram（conical）

图7　不同单元编号（圆锥型隔爆）Fig.7 Diagram of different numbers of units（conical）

图8　不同单元的时间-应力历程曲线（圆锥型隔爆）Fig.8 Different unit of time-stress curve（conical）

2.3球缺型型聚氨酯隔爆

球缺型爆炸过程的数值模拟结果见图9。图10为选取的弹头表面不同位置的单元，其时间-应力历程曲线如图11所示。从图11可以看出：后级战斗部最大应力值出现在弹头表面，达到1.02 GPa。冲击波经过隔爆体后强度有所衰减，弹头未出现变形，说明球缺型隔爆体型对后级随进战斗部起到了很好的保护作用。

2.4数值模拟结果分析

通过数值计算，分别计算出3种隔爆结构的体积，并通过以上3组数值仿真研究，得到不同隔爆结构情况下冲击波到达时间、后级随进战斗部表面最大应力、随进战斗部加速度以及速度变化曲线等参数，见表4。表4中，V表示隔爆体体积；t表示冲击波到达后级战斗部头部时间；σma表示后级战斗部头部表面最大应力值；ama表示后级战斗部加速度最大值；Δvma表示后级战斗部速度增量。

图9　爆轰波压力云图以及随进战斗部上的应力云图（球缺型隔爆）Fig.9 Detonation wave pressure nephogram and following warhead on the stress nephogram（hemispherical）

图10　不同单元编号（球缺型隔爆）Fig.10 Diagram of different numbers of units（hemispherical）

图11　不同单元的时间-应力历程曲线（球缺型隔爆）Fig.11 Different unit of time-stress curve（hemispherical）

表4　仿真结果数据统计对比表Tab.4 Simulation results of statistical data comparison

3　结束语

通过对比仿真结果可以看出：圆柱型隔爆体虽然隔爆体积最大，但是隔爆性能却最不理想，后级随进战斗部头部出现了微小变形。而圆锥型和球缺型隔爆体的隔爆性能都优于圆柱型隔爆体。通过比较后级随进战斗部的加速度最大值及速度增量可以看出：球缺型隔爆体在减小了材料体积的同时隔爆效果是最为明显的，是综合隔爆能力最好的隔爆结构。

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（NavAeronautical and Astronautical Universita. Department of Ordnance Science and Technolog; b. Graduate Students’Brigade,antai Shandong 264001, China）

作者简介：吕进（1989-），男，硕士生。

基金项目：部委技术研究基金资助项目（40107）

收稿日期：2014-07-10；

DOI:10.7682/j.issn.1673-1522.2015.02.013

文章编号：1673-1522（2015）02-0156-05

文献标志码：A

中图分类号：TJ55

修回日期：2014-12-02