起爆方式对预制破片飞散性能影响的数值模拟研究

史志鑫，尹建平

(中北大学 机电工程学院， 太原 030051)

预制破片战斗部通过装药起爆产生的爆轰波驱动破片，使破片飞散形成毁伤元对目标进行杀伤，预制破片战斗部可以通过改变装药结构和改变起爆方式控制装药起爆后的爆轰波形，进而控制预制破片的飞散效果；通过控制装药起爆后的爆轰波形可以实现预制破片的聚焦效果，也可以控制预制破片的飞散角和飞散方向角，实现定向杀伤。

预制破片战斗部可以根据战场的作战需要选择合适的装药结构和起爆方式。梁争峰等[1]利用数值仿真的方法分析了定向破片战斗部的破片数目和破片速度的分布规律，并研究了爆炸网络对定向战斗部破片飞散的影响。李翔宇等[2]运用LS-DYNA软件对比分析了可变形战斗部、偏心起爆战斗部和传统周向均匀战斗部破片的飞散效果。郭子云等[3]利用LS-DYNA研究了战斗部端面预制破片的威力，分析了装药长径比和装药端面曲率半径对战斗部端面预制破片的分散速度和飞散角的影响。臧立伟等[4]利用数值仿真的方法对轴向预制破片战斗部进行研究，分析了炸药爆速、起爆点位置和壳体厚度对轴向预制破片飞散的影响。龚柏林等[5]利用试验和数值仿真的方法对D型预制破片战斗部破片的飞散过程进行了研究，试验获得了预制破片的毁伤效果和破片的分布，对比了Lagrange算法和ALE算法的仿真结果。从现有的对预制破片战斗部的研究来看，很少有人对预制破片战斗部的起爆方式进行研究，也很少有专家和学者对起爆方式控制装药内部的爆轰波形进行研究。

本文利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件对预制破片战斗部毁伤元成型过程进行了数值模拟，分析了战斗部不同起爆方式对破片飞散效果的影响。

1 计算模型

战斗部结构由壳体、内衬、预制破片和装药组成，战斗部口径为122 mm，壳体厚度为3 mm，内衬厚度为2 mm，战斗部的结构示意图和二分之一有限元模型示意图如图1所示；预制破片在战斗部内部的排列方式及测速单元的选取如图2所示。

由于球形预制破片的初速较高[6]，本文预制破片的形状选取为球形，直径为7 mm，破片在战斗部内部单层排列，战斗部内装填预制破片个数为960个，预制破片的有限元模型如图3所示。

模拟时，战斗部壳体材料选取4340钢，选用MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型，主要参数为：密度为7.83 g/cm3、弹性模量为220 GPa、泊松比为0.22；内衬材料选取铝合金，选用MAT_JOHNSON_COOK材料模型，选用EOS_GRUNEISEN状态方程进行描述，主要参数为：密度为2.77 g/cm3、弹性模量为72 GPa、剪切模量为27.07 GPa；炸药材料选取B炸药，选用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型，选用EOS_JWL状态方程。主要参数为：密度为1.82 g/cm3、爆速为8 480 m/s、C-J压力为34.2 GPa；战斗部装填的预制破片的材料选取45钢；选用MAT_ELASTIC材料模型，主要参数为：密度为7.83 g/cm3、弹性模量为220 GPa、泊松比0.22[6]。

2 数值模拟及分析

从动能的角度出发，在假设条件下，Gurney能量法利用Gurney比能和爆炸载荷系数β推导出破片的初速[7]，破片理论初速的方程为：

Gurney比能与炸药爆速成线性关系，方程为：

式中：De为炸药的爆速。

2.1 数值模拟

本文分析了战斗部底部中心点起爆、中心线起爆、一端面环起爆和两端面环起爆四种起爆方式对对预制破片飞散的影响；中心点起爆、中心线起爆和环起爆示意图如图4、图5和图6所示，起爆环的半径为45 mm。在数值模拟的过程中，用INITIAL_DETONATION关键字添加起爆点，利用在战斗部中心轴线上每隔2 mm设置一个起爆点模拟中心线起爆；在图3所示的战斗部端面圆环上，每隔2 mm设置一个起爆点模拟端面环起爆。

预制破片战斗部选择不同的起爆方式在装药中产生不同的爆轰波形，装药内部不同的爆轰波形使破片的飞散效果不同。战斗部装药起爆后，爆轰波沿装药的径向和轴向传播，并产生高温高压的爆轰产物，爆轰波和爆轰产物沿径向和轴向膨胀使得内衬破裂，爆轰波和爆轰产物从内衬破裂的裂缝中传出并驱动预制破片和破裂的内衬。预制破片在爆轰波和爆轰产物的驱动下向战斗部的径向飞散对壳体产生径向压力，战斗部壳体在破片的挤压和爆轰波的膨胀作用下破裂，部分壳体破裂形成有效破片。预制破片挤出壳体之后向空气中飞散，预制破片在空气中飞散的整体效果形状呈“灯笼形”。预制破片是预制破片战斗部的主要毁伤元，壳体和内衬破裂产生的部分自然破片也具有一定的杀伤能力。预制破片的飞散过程如图7所示。

预制破片战斗部选取底部中心点起爆、中心线起爆、一端面环起爆和两端面环起爆四种起爆方式在战斗部起爆后，t=100 μs时破片的飞散效果和速度云图如图8、图9、图10和图11所示。

2.2 数值模拟结果分析

战斗部内部装填预制破片的层数为20层，每层48个破片，从战斗部上方到下方依次将层数编为1层至20层。破片的初速、飞散角和飞散方向角是衡量预制破片战斗部杀伤效能的重要指标，破片的飞散方向角定义为预制破片的飞散方向与战斗部赤道面的夹角[8]。本文利用破片的初速和飞散方向角来分析起爆方式对预制破片战斗部破片飞散的影响。

战斗部选用底部中心点起爆t=100 μs时，从表1数据可以看出，位于战斗部中间的预制破片速度较大，飞散方向角较小，预制破片的平均速度为1 915 m/s，平均飞散方向角为10.1°，飞散角为55.7°；战斗部选用底部中心点起爆，当战斗部起爆后，爆轰波从起爆点向战斗部的轴向和径向传播并驱动预制破片运动，爆轰波传到战斗部的顶部将会返回沿战斗部的轴向和径向再次传播，使得预制破片再次被爆轰波驱动，爆轰波沿战斗部轴向和径向的传播会进行多次，进而对战斗部中间的预制破片进行多次驱动，所以战斗部中间的预制破片速度会大于战斗部两端的预制破片。

战斗部选用中心线起爆时，战斗部起爆后爆轰波从中心线战斗部径向和轴向传播，爆轰波在传播的过程中驱动预制破片向外飞散，每层预制破片的速度差较小；表2中的数据为t=100 μs时每层预制破片的速度和分散方向角，预制破片的平均速度为1 967.1 m/s，平均飞散方向角为9.2°，飞散角为52.6°。

一端环起爆是在战斗部的一端设置起爆环，起爆环的设置位置如图6所示，此种起爆方式使得沿起爆环一端的破片先被驱动，爆轰波沿起爆环轴向和径向传播，径向传播的过程中驱动每层预制破片向外飞散。表3为t=100 μs时每层预制破片的速度和分散方向角的数据，预制破片的平均速度为1 957.4 m/s，平均飞散方向角为8.8°，飞散角为43.7°。

两端环起爆是在战斗部两端设置起爆环，在战斗部的两个端面起爆环设置的位置如图6所示，战斗部两端的起爆环同时起爆，爆轰波从战斗部的两端沿战斗部轴向和径向传播，并驱动预制破片向外飞散，战斗部两端爆轰波在战斗部的中间相遇，一部分爆轰波继续向前传播，另一部分爆轰波反方向传播，战斗部中间的预制破片被战斗部两端传来的爆轰波驱动，战斗部中间的预制破片速度较高，飞散方向角也较小。表4为t=100 μs时每层预制破片的速度和飞散方向角的数据，预制破片的平均速度为2 037.8 m/s，平均飞散方向角为5.6°，飞散角为30.8°。

四种起爆方式的预制破片战斗部破片的飞散性能如表5所示。

表1 战斗部底部中心点起爆每层破片速度及飞散方向角

表2 战斗部中心线起爆每层破片速度及飞散方向角

表3 战斗部一端环起爆每层破片速度及飞散方向角

表4 战斗部两端环起爆每层破片速度及飞散方向角

表5 四种起爆方式的预制破片战斗部破片飞散性能

3 结论

1) 战斗部采用底部中心点起爆，预制破片的平均速度最低，为1 915 m/s，每层预制破片的速度差较大；战斗部采用中心线起爆，每层预制破片的速度差较小，破片的平均速度为1 967.1 m/s；战斗部采用两端环起爆，预制破片的平均速度最高，为2 037.8 m/s，战斗部中间几层预制破片的速度较高；战斗部选用一端环起爆时，破片的平均速度为1 957.4 m/s。四种起爆方式仿真结果所得的破片速度较理论计算的结果大。

2) 战斗部采用底部中心点起爆，预制破片的平均飞散方向角最大，为10.1°，飞散角也最大，为55.7°；战斗部采用中心线起爆，预制破片的平均飞散方向角为9.2°，方向角为52.6°；战斗部采用两端环起爆，预制破片的平均飞散方向角最小，为5.6°，飞散角也最小，为30.8°；战斗部选用一端环起爆时，预制破片的平均飞散方向角为8.8°，方向角为43.7°。

3) 预制破片战斗部采用两端环起爆有利于提高预制破片飞散的速度，减小飞散方向角和飞散角、能够提高预制破片的飞散密集度。