炸高对炮射导弹破甲威力影响数值仿真

林世聪，杨　军，李　帆

(1.装甲兵工程学院 兵器工程系，北京　100072； 2.总装备部北京军事代表局，北京　100042)



炸高对炮射导弹破甲威力影响数值仿真

林世聪1，杨军1，李帆2

(1.装甲兵工程学院 兵器工程系，北京100072； 2.总装备部北京军事代表局，北京100042)

摘要：炮射导弹主要采用破甲战斗部高速金属射流侵彻毁伤目标；当材料、结构、尺寸等参数确定后，影响战斗部破甲威力的主要因素为炸高；以某型炮射导弹为研究对象，利用Ansys-Autodyn 2D有限元仿真软件构建炮射导弹战斗部模型，设定五组炸高对战斗部侵彻靶板过程分别进行仿真，得到炮射导弹的有利炸高为其战斗部直径的1.90～2.53倍。

关键词：炮射导弹；破甲威力；炸高

目前分析破甲战斗部威力影响因素的文章较多，刘建荣等在文献[1]中分析了药型罩对破甲威力的影响；李金铭等在文献[2]中分析了靶版结构对破甲威力的影响；炸高对破甲威力的影响分析仅停留在定性分析和最简化模型分析阶段,朱绪强、陈威等在文献[3-4]中定性总结炸高对破甲威力的影响，认为：一方面炸高的增加有利于射流充分伸展，使破甲深度增加；另一方面随着炸高增加，射流产生径向分散和摆动，射流不稳定性增加，延伸到一定程度后出现断裂，反而使破甲深度降低。

炮射导弹破甲战斗部与常规非炮射破甲战斗部结构有区别，影响其破甲威力的因素分析尚不充分。为了研究炸高对炮射导弹破甲威力的影响，本文结合某型炮射导弹战斗部参数，构建战斗部模型，设置150 mm、180 mm、210 mm、240 mm、270 mm五组炸高，利用Ansys-Autodyn 2D有限元仿真软件对侵彻过程进行仿真并监测射流速度、能量等参数变化，结合侵彻效果，定量分析其有利炸高，为炮射导弹战斗部设计及导弹结构设计提供一定理论支持。

1战斗部模型构建

战斗部由外壳、药形罩、主装药、隔板、传爆药柱、底座、战斗部引信等组成，结构如图1所示。

1.传爆药柱；2.战斗部引信；3.底座；4.隔板；

构建模型时对其结构简化，重点分析主装药、药形罩、隔板、外壳4个部分，结合具体结构尺寸，利用Ansys-Autodyn 2D构建战斗部2D模型如图2所示。

图2　战斗部2D模型

2材料模型与参数确定

材料模型与参数的确定涉及到空气、主装药、药型罩、隔板、外壳和靶板6个部分。其中采用Euler(欧拉)处理器对空气、主装药和药型罩建模并将其Euler单元定义为流体；采用Lagrange(拉格朗日)处理器对隔板、外壳和靶板建模，并将靶板的Lagrange单元定义为固体。为了避免边界反射干扰试验，将边界条件设置为“Flow-out(完全流出)”，在此边界条件下所有物质均可正常流出边界，应力波也会无反射传播。

2.1空气

空气选用理想气体模型，采用Ideal-Gas(理想气体)状态方程(1)描述：

(1)

式(1)中，P为空气压强；γ为气体常数；ρ为空气密度；E为内能；Pshift为初始压力。主要参数如表1所示。

表1　空气材料参数

2.2主装药

主装药材料模型选用High Explosives Burn(高能炸药爆轰)模型，为精确的描述爆轰产物的膨胀驱动过程，采用JWL(Jones-Wilkens-Lee)状态方程[6]对炸药材料进行描述:

(2)

表2　主装药材料及状态方程计算参数

2.3药型罩

药型罩为单锥变壁厚药型罩，采用Johnson-Cook材料本构模型和Mie-Gruneisen状态方程中关于压缩材料的压力计算公式描述。

(3)

表3　药型罩材料参数

(4)

式(4)中，P为压力；C为药型罩中声速；ρ0为药型罩材料密度；S1、S2、S3是us-up曲线斜率的系数；γ0是Gruneisen 常数；a是γ0的一阶体积修正；μ=ρ/ρ0-1。主要参数如表4所示。

表4　药型罩状态方程计算参数

2.4其他结构

隔板材料选用AΓ-84，外壳材料选用45钢，靶板材料选用4340钢，均采用Johnson-Cook材料本构模型和Mie-Gruneisen状态方程描述。

3仿真过程与结果

在主装药底部中心处设置起爆点，t=0时刻引爆战斗部形成射流。射流形成过程如图3所示。取药型罩底端截面为0截面，图中由上至下射流长度依次为0 mm、150 mm、180 mm、210 mm、240 mm、270 mm，对应本文设置的5组炸高方案。

图3　射流形成过程

分别记5组炸高为方案A、B、C、D、E，进行数值仿真计算。其中方案B的射流侵彻过程如图4所示。

图4　射流侵彻过程

整理各方案中射流着靶时的时刻、射流速度、射流内能及最终侵彻深度如表5所示。

表5　不同方案射流数据及侵彻深度

从表5中试验数据可以看出从方案A至方案E，各项数据均先增加而后减小，其中方案C中射流各项数据均大于余下四组方案，可得出此炮射导弹战斗部炸高在210 mm附近时，破甲威力达到最大。

但有利炸高为一个区间，需结合数据具体变化规律进行探究。由此对表5中数据进行处理，得到表6(表中“0”为初始，“+”代表增加，“-”代表减少)。

表6　方案数据对比

结合表6中处理后的数据与Autodyn软件中的仿真过程可以得到，炸高对炮射导弹破甲威力的影响大致满足钟形曲线，在方案C中炸高210 mm附近达到钟顶，即破甲威力最大；在方案B中炸高180 mm和方案C中炸高240 mm之间，破甲威力相对钟顶数值减小，但减小幅度较小；在未达到方案B中炸高和超过方案D中炸高时，破甲威力迅速减弱。

4结论

1) 结合表5、表6中数据分析与Autodyn软件中的仿真过程可以得出，初期随着炸高的提高，射流接触靶板时的速度增加，射流内能增加，侵彻深度加深。当炸高提高到某一范围时，侵彻深度最大，即破甲威力最大。之后随着炸高的提高，射流速度降低，射流内能降低，侵彻深度快速下降。与文献[3-4]中结论相符。

2) 此型号炮射导弹的有利炸高在180～240 mm之间，使战斗部破甲威力达到最大的炸高在210 mm附近，略小于210 mm。其有利炸高为战斗部直径的1.90～2.53倍。

3) 结论2)中战斗部有利炸高范围适用于相同或相似结构的炮射导弹破甲战斗部。

参考文献：

[1]刘建荣,张国伟,徐立新,等.药型罩加工精度对破甲战斗部威力影响的研究[J].弹箭与制导学报,2012,32(3):114-117.

[2]李金铭,张国伟,马建.间隔靶板对破甲战斗部威力影响的数值模拟[J].弹箭与制导学报,2013,33(5):112-114,184.

[3]朱绪强,成一,李德才,等.大炸高下破甲弹的侵彻性能研究[J].爆破器材,2013,42(1):98-99,107.

[4]陈威,李吉峰,朱磊.药型罩锥角对有利炸高影响的数值分析[J].弹箭与制导学报,2010,30(6):44-63.

[5]李斌,孙建兵,许洁.聚能射流侵彻钢板相似律数值模拟研究[J].机械管理开发,2013(2):9-11.

[6]章冠人.凝聚炸药起爆动力学[M].北京:国防工业出版社,1991.

[7]崔军,徐峰,李向荣.聚能射流对靶板侵彻的数值仿真[J].兵工自动化,2010,29(1):24-26.

[8]吴有龙,李伟兵,王晓鸣,等.壳体厚度对聚能杆式侵彻体成型的影响[J].火工品,2010(2):29-31.

[9]张元军,李四川,彭小明.破甲战斗部的炸高设计和制造工艺[J].四川兵工学报,2009,30(12):124-125.

(责任编辑周江川)

本文引用格式：林世聪，杨军，李帆.炸高对炮射导弹破甲威力影响数值仿真[J].兵器装备工程学报，2016(4):12-14.

Citation format:LIN Shi-cong, YANG Jun, LI Fan.Numerical Simulation on Effect of Gun-Launched Missile’s Power on Burst Height[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(4):12-14.

Numerical Simulation on Effect of Gun-Launched Missile’s Power on Burst Height

LIN Shi-cong1, YANG Jun1, LI Fan2

(1.Department of Arms Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China;2.Beijing Military Representative Office of General Armament Department, Beijing 100042, China)

Abstract:The gun-launched missile mainly uses armor-penetrating warhead and penetrates damage target by high-speed metal jet. When the material, structure, size and other parameters are determined, the main factors influencing the power of armor-penetrating warhead is burst height. Taking a certain type of gun-launched missile as the research object, using Ansys-Autodyn 2D to build the missile warhead model and setting up the process of five groups of burst heights to do the numerical simulation on the process of warhead penetrating the target, we got that the stand-off burst height of gun-launched missile is 1.90～2.53 times of the diameter of the warhead.

Key words:gun-launched missile; power of armor-penetrating warhead; burst height

文章编号：1006-0707(2016)04-0012-04

中图分类号：TJ760.1

文献标识码：A

doi:10.11809/scbgxb2016.04.004

作者简介：林世聪(1992—)，男，硕士研究生，主要从事兵器发射理论与技术研究。

收稿日期：2015-10-16；修回日期：2015-11-22

【装备理论与装备技术】