预制破片飞散特性的数值模拟

王庆书 张嘉易 郝永平 赵丽俊

(沈阳理工大学机械工程学院 辽宁 沈阳 110159)

预制破片按需要的形状和尺寸，用规定的材料预先制造好，并用粘结剂粘结在装药外的内衬上或战斗部壳体的内腔上以维持一定的形状在炸药爆炸后飞散撞击毁伤目标[1]。国内外的学者对预制破片的数值模拟进行了大量的研究，并取得了一系列的实验和仿真的结果。臧立伟等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、起爆点位置对预制破片的飞散影响[2]。中国工程物理研究院总体工程研究所杨云斌等人利用分析方法，建立破片飞散、破片作用目标分析模型[3]。在国外尤其美国已经成了较为完整和系统的理论方法。

一、有限元模型的建立

(一)实体结构

图1为该预制破片战斗部结构，由50SiMnVB内衬、炸药、钨块预制破片和空气区域组成。在建模的过程中，炸药和空气在交界处采用共节点建模。因整体的结构模型是轴对称结构，了减少建模的时间和计算的工作量，现采用建立1/4模型，建模的单位制采用cm-g-us.

图1 预制破片战斗部结构示意图

(二)材料和单元类型的确定

此战斗部主要有四部分:炸药、内衬、预制破片和空气区域，炸药选用高能炸药*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模，*EOS_JWL状态方程。空气采用*MAT_NULL材料模型，状态方程采用*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL方程，预制破片和内衬采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型。其中各个材料及状态方程的参数如下各表。

表1 预制破片、内衬材料参数

表2 炸药材料参数

在接触方式上：内衬和破片之间采用侵蚀接触(ERODING_SURFACE_TO_SURFACE)，炸药和空气之间因为SOLID_ALE单元类型，不需要采用接触，炸药和空气组成的“流体”与内衬和破片组成的“固体”之间采用流固耦合方式，用到的关键字为：CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID。

二、求解结果

由以上方法建立的有限元模型，施加相应的求解条件，将生成的K文件递交求解计算。破片在120us时刻的飞散效果如下图所示：

t=120us

现选取一些比较典型的预制破片绘制出速度随时间变化的曲线如图3所示：

图3 预制破片的速度随时间变化的曲线

从图上可以看出。预制破片的速度在90us的时候基本上趋于稳定，不再随着时间的增加有显著的增加，选取的这些节点在速度趋于稳定后，其中最大的速度为830m/s,最小的速度为522m/s.通过分析所有节点的速度，预制破片的平均速度为721m/s。

为了研究破片的飞散范围，现在破片上面自上而下取一些列的节点，通过破片的速度和沿z轴的分速度两者之间的关系来确定破片的飞散角度。

表2 破片飞散数据表

三、结论

由上述表2可以看出，破片的飞散方向集中在82.9-87.4，通过飞散方向角计算出飞散角为9.7，大部分的破片的飞散范围为-4.85和4.85，说明战斗部打击目标的范围比较集中，破片平均速度为721m/s,表明战斗部杀伤威力较大。