串联战斗部前后级作用关系数值模拟研究

2017-10-16张伟光高兴勇

火力与指挥控制 2017年9期

关键词：战斗部串联子弹

张伟光，高兴勇

（军械工程学院，石家庄 050003）

串联战斗部前后级作用关系数值模拟研究

张伟光，高兴勇

（军械工程学院，石家庄 050003）

利用Autodyn有限元软件采取三维数值仿真的方法，对串联战斗部前后级的作用关系开展研究。基于串联战斗部轴对称的特点，建立了1/2有限元仿真简化模型，通过设置前后级飞行速度0 m/s、100 m/s、200 m/s以及前后级间距10 mm、30 mm、50 mm，利用控制变量法，分析了前后级相对速度、前后级间距对随进子弹受力状态的影响规律。得出了随着前后级相对速度的增大或者前后级间距的减小，随进子弹各点的受力及速度降都会增大的变化规律。仿真结果可以为相关串联战斗部的优化设计提供参考。

串联战斗部，数值模拟，爆轰场，随进子弹

Abstract：Using finite element software Autodyn based on dimensional numerical simulation ，the effect of the relationship between the front and rear tandem warhead level is researched.Based on the characteristics of the axial symmetry of series warhead，1/2 finite element simulation model is established.Setting the 0 m/s，100 m/s，200 m/s，10 mm，and the front and back stage spacing of，30 mm，and 50 mm，and using control variable method to analyse the relative velocity before and after class，before and after class on the pitch with the influence of the force of bullets into the state.Obtained before and after the variation decreases as the relative speed increases before and after class or grade pitch，as they enter the bullet points of the force and speed drop will increase.

Key words：tandem warhead，numerical simulation，explosion field，following projectile

0 引言

破爆型攻坚弹战斗部具有前级聚能装药对钢筋混凝土工事开孔、随进子弹随进杀伤功能，兼有对均质装甲的破甲能力，主要用于打击敌方由混凝土构筑的永备防御工事、军事建筑设施和装甲车辆等。目前国内已有很多专家学者对串联战斗部进行了一定的研究。文献［1］从理论和仿真两方面进行研究，提出了串联战斗部前级爆轰场能够作为随进引信解保环境的结论。文献［2-5］研究了不同初始速度、前后级不同间距等因素影响条件下前级爆轰场对随进子弹的作用关系。文献［6］主要对破爆型串联攻坚战斗部前级爆轰场作用在随进子弹上的压力、冲量以及随进子弹的速度衰减规律进行了研究。

近年来，基于随进引信解除保险环境少的问题，越来越多地随进引信利用前级爆轰场作用在随进子弹产生的加速度过载作为解保环境，这种串联战斗部设计新颖，前级战斗部采用辅炸药环形起爆主炸药的结构设计，已引起广大学者的重视，结构模型如下页图1所示。但由于爆轰场具有一定的不可控制性，在特殊情况下很可能导致随进引信无法正常作用。鉴于此，本文针对该类串联战斗部，参考上述文献在研究串联战斗部前后级不同影响关系的方法思路，利用AUTODYN软件对其前后级作用关系展开研究。

图1 串联战斗部结构简图

1 仿真模型、算法及材料参数

1.1 串联战斗部仿真模型及算法介绍

计算时忽略战斗部内部零件、装配关系等带来的不对称因素，建立1/2的三维仿真简化模型。在主战斗部和随进子弹周围建立了空气域，为避免可能出现的网格严重畸变所引起的计算困难，将药型罩、前级聚能装药、隔板及空气域采用欧拉网格划分，随进子弹、壳体采用拉格朗日网格划分，两者之间采用自动流固耦合算法，随进子弹与壳体之间采用Lagrange/Lagrange方法建立接触关系。为消除冲击波在空气域边界反射所引起的误差，确保计算的精确性，在空气域四周（对称面除外）设置了无反射边界条件。有限元仿真简化模型如图2所示，观测点设置如图3所示。

图2 有限元仿真简化模型

图3 观测点位置图

1.2 材料参数设置

空气采用Ideal Gas材料模型。药型罩采用紫铜材料，各参数取值如表1所示。

主炸药和副炸药为8701高能炸药，采用JWL状态方程［7］，各参数取值如表2所示。

隔板材料为聚苯乙烯，采用shock状态方程，计算参数如表3所示。

表1 药型罩材料参数

表2 主炸药及副炸药材料参数

表3 隔板材料参数

随进子弹材料为钢，弹壳材料为铝合金，都采用Johnson-cook材料模型和Grünesien状态方程，计算参数如表4所示。

表4 随进子弹及弹壳材料参数

2 计算结果分析

2.1 相对速度的影响分析

2.1.1 相对速度对随进子弹的受力影响

通过仿真计算，选取5个观测点作为子弹头部受力研究点。在两级战斗部不同相对速度条件下随进子弹头部各点的压力与时间变化曲线如下页图4～图6，各点冲量与时间变化曲线如下页图7～图9所示。从图中可以看出，前级装药爆炸后，产生的爆轰场会迅速作用到随进子弹上，相对速度大小改变时，随进子弹的受力也会发生变化，但整体的受力曲线变化趋势是一样的，约从8.5 μs时开始爆轰场作用在随进子弹上，80 μs时压力趋于零，相对速度为0 m/s、100 m/s、200 m/s时的受力峰值分别为3.33 GPa、3.76 GPa、3.99 GPa。因此，可以看出，随进子弹各点受力随着前后级相对速度的增加而呈现变大趋势。

图4 速度为0 m/s

图5 速度为100 m/s

图6 速度为200 m/s

图7 速度为0 m/s

图8 速度为100 m/s

图9 速度为200 m/s

2.1.2 相对速度对随进子弹的速度降影响

当初始相对速度不同时，随进子弹的速度降也会发生改变，其速度降随两级战斗部相对速度变化曲线如图10～图12所示。由图可看出，相对速度为0 m/s、100 m/s、200 m/s时，随进子弹的速度降分别为 58.6 m/s、64.5 m/s、68 m/s。由此可以得出结论，随着两级战斗部的相对速度增大时，随进子弹的速度降也在增大。

图10 速度为0 m/s

图11 速度为100 m/s

2.2 前后级间距的影响分析

2.2.1 前后级间距对随进子弹的受力影响

图12 速度为200 m/s

结合相对速度这一因素对随进子弹影响的研究方法，分别设置前后级间距为10 mm、30 mm、50 mm，相对速度都为零进行研究，其中前后级间距为10 mm的模型就是上节相对速度为0 m/s的模型，这里不再重述。3种模型仿真计算结果对比如图13～图15所示。由图可知，随着前后级间距的增大，爆轰场开始作用到随进子弹的时间滞后，随进子弹各点受力减小。