基于LS-DYNA的巡飞弹安全性分析研究

贾飞 刘彦池 苑大威 李哲

摘  要：针对巡飞弹在巡飞过程中，因恶劣天气强电磁干扰，发生的急加速、急转、跌落时战斗部的安全性进行了研究;通过对巡飞弹在急加速、急转、跌落过程的理论分析，确定巡飞弹战斗部在急加速、急转时的过载加速度范围和跌落时的碰撞速度和角度范围;利用LS-DYNA开展不同加速度过载刺激，以及不同碰撞刺激下的有限元分析，确定巡飞弹战斗部处于安全状态，为巡飞弹战斗部的安全性评估分析和战斗部强度提升、材料优化提供理论依据。

关键词：巡飞弹;战斗部;弹药安全性;数值仿真

中图分类号：TP391.9         文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）23-0043-05

Research on Safety Analysis of Cruiser Based on LS-DYNA

JIA Fei1， LIU Yanchi1， YUAN Dawei1，2， LI Zhe3

（No.208 Research Institute of China Ordnance Industries， Beijing  102202， China; 2.Science and Technology on Transient Impact Laboratory， Beijing  102202， China; 3.North University of China， Taiyuan  030051， China）

Abstract： The safety of the warhead in the process of cruiser flying is studied in the case of rapid acceleration， sharp turn and falling due to strong electromagnetic interference caused by bad weather. The range of overload acceleration and collision velocity and angle of cruiser warhead are determined by theoretical analysis of cruiser warhead in rapid acceleration， sharp turn and falling process. LS-DYNA is used to carry out finite element analysis under the different acceleration overload stimulation and different collision stimulation to determine that the cruiser warhead is in a safe state， which provides theoretical basis for the safety evaluation and analysis of the cruiser warhead， and the strength improvement and material optimization of the warhead.

Keywords： cruiser; warhead; ammunition safety; numerical simulation

0  引  言

巡飞弹的巡飞阶段在相对高度为100～300 m的高空飞行时，存在因恶劣天气强电磁干扰，人为操作失误情况下而发生的急加速、急转、跌落的风险，导致战斗部在引信保险状态下异常起爆，对武器及人员的安全造成威胁，进而形成恶劣的后果。因此，研究巡飞弹战斗部在急加速、急转存在的过载情况下及高空跌落的状况下的安全性问题具有重要意义。

早在20世纪70年代，美军经历过几次因弹药意外爆炸造成的重大损失的事故后，以美军为首的西方国家就开始进行系统性的弹药安全性研究，在弹药安全性政策研究、关键技术攻关、技术标准制定等方面取得了非常明显的成效，形成完备的弹药安全性政策、标准和技术体系[1]。国内的众多学者也对弹药的安全性开展了大量研究，乔良等[2]针对战术导弹战斗部在意外刺激源下的安全性问题，结合数值模拟、安全阈值判据与典型试验验证手段，提出了一种战术导弹战斗部安全性综合评估方法;李广嘉等[3]采用LS-DYNA动力学仿真软件模拟战斗部跌落试验，基于材料本构模型对战斗部跌落安全性进行预测，得到了不同状态下战斗部跌落的结构变形和装药响应数据;谢涛等[4]对空空导弹战斗部跌落过程进行理论分析，确定了战斗部跌落时装药最大应力的弹着角范围，并采用LS-DYNA仿真软件进行了验证，确定了空空导弹战斗部的跌落安全高度为12 m。

上述研究成果并未对巡飞弹战斗部在加速度过载刺激下以及高空跌落刺激下的安全性进行专项研究。数值仿真研究能克服试验耗资巨大、安全性保障等实际问题，节约成本和时间[5-7]，因此，本文通过对巡飛弹在巡飞阶段因意外出现的急加速、急转以及在100～300 m的高空跌落过程的分析确定巡飞弹战斗部在急加速、急转时的过载加速度范围和跌落时的碰撞速度和角度范围，通过LS-DYNA动力学仿真软件进行分析计算[8]，结合材料的安全阈值数据评估不同工况下巡飞弹战斗部的安全性。

1  过载刺激下巡飞弹安全性分析

1.1  数值计算模型

由实际经验可知，巡飞弹战斗部在过载刺激下会受到强烈的冲击载荷，当冲击载荷超过弹体装药的承受能力时，可能会直接激发炸药爆炸，引起安全问题，与巡飞弹的弹体外形没有较大关系，因此为了减少仿真计算时间，仅对巡飞弹战斗部开展过载刺激下安全性分析，利用UG建立的巡飞弹战斗部三维模型如图1所示。

LS-DYNA数值计算模型采用cm-g-?s单位制，其中药形罩和预制破片采用描述材料在高速冲击下物理特性的Johnson-Cook本构模型，模型参数如表1所示，研究的炸药采用弹塑性模型（ELASTIC_PLASTIC_HYDRO），其冲击引爆过程采用点火与增长状态方程（IGNITION_AND_GROWTH_OF_REACTION_IN_HE）描述。巡飞弹战斗部装药采用8701炸药，本构模型基本参数如表2所示，其对应的点火与增长状态方程参数如表3所示，战斗部壳体和引信简化模型采用PLASTIC_KINEMATIC模型[9，10]，参数如表4所示。

1.2  计算工况

通过相关文献资料的查询，得知巡飞弹在巡飞阶段飞行时，发生加速或急转情况巡飞弹受到的加速度过载约为几个G，故对巡飞弹战斗部施加轴线方向的过载，进行2G、4G、6G、8G、10G、12G、14G、16G、18G、20G等10种工况分析。

1.3  网格划分

网格生成是偏微分方程数值求解的前处理步骤，网格生成在整个数值模拟过程中的地位极其重要，网格的“好坏”决定了后续计算的精度、效率乃至成败。结构化网格具有质量好，生成速度快，数据结构简单等优点，因此，将UG建立的巡飞弹战斗部模型导入Hypermesh网格划分软件中，各零件采用六面体三维网格构建所有零件的网格模型，如图2所示。

1.4  数值计算结果与分析

本文通过数值模拟结果的炸药反应度来判断装药是否安全，當反应度大于1则认为炸药爆炸，其中，20G过载刺激下巡飞弹战斗部应力云图和反应度云图如图3所示，可以看出战斗部壳体没有明显变形，应力较小，且反应度小于1，不同过载刺激下战斗部装药反应度如表5所示。数值模拟结果表明，各种工况下炸药反应度均远小于1，炸药状态稳定，故认为在巡飞弹在巡飞过程中因突发状况受到过载刺激时，对战斗部装药安全性没有影响。

2  跌落刺激下巡飞弹安全性分析

2.1  数值计算模型

通过UG建模软件建立巡飞弹三维模型，将真实模型中不影响或影响较小的小边、小面、小孔、倒角等几何尺寸删除，对模型进行简化，巡飞弹简化模型及地面如图4所示。

跌落安全性仿真模型中，巡飞弹的头部与刚性面发生碰撞，因此巡飞弹的头部、机身、机前翼、机尾以及战斗部壳体和引信简化模型，均采用描述材料在高速冲击下物理特性的Johnson-Cook本构模型，参数如下表6所示。战斗部其余部件的材料参数与过载刺激下战斗部安全性分析模型中的相同。

在LS-dyna中，利用材料刚体材料模型*MAT_RIGID定义一个刚性板，让巡飞弹以不同角度、不同速度撞击刚性板，材料参数如下表7所示。

2.2  计算工况

巡飞弹在异常跌落情况下，撞击地面的撞击速度与撞击角度的大小与巡飞弹的飞行速度、跌落高度有关，基于正交设计原理，构建2因素6水平正交表，以飞行速度v=30～50 m/s，跌落高度100～300 m为例，假设理想状态下，通过计算不同跌落高度时垂直地面的速度和不同水平飞行速度，得到巡飞弹的撞击速度范围为44.27～91.54 m/s，撞击角度范围41.52°～90°。因此，选择40 m/s、50 m/s、60 m/s、 70 m/s、80 m/s、90 m/s，6个撞击速度，15°、30°、45°、60°、75°、90°6个撞击角度，组成36种工况，进行不同撞击速度，不同撞击角度下的弹药安全性分析。

2.3  网格划分

将UG建立的巡飞弹简化模型导入Hypermesh网格划分软件中，各零件采用六面体三维网格构建所有零件的网格模型，如图5所示。

2.4  数值计算结果与分析

巡飞弹以90 m/s的速度90°撞击时的应力云图如图6所示，巡飞弹的头部撞在刚性板后，发生剧烈挤压变形，战斗部以及其余部件在惯性作用下继续向前运动，直至撞到刚性板，战斗部产生剧烈形变，当战斗部撞击刚性板速度衰减为0时，战斗部装药反应度如图7所示，反应度为0.002，远小于1，巡飞弹处于安全状态。不同撞击工况下战斗部装药的反应度如表8所示，从数值模拟计算结果可以看出，所有工况下战斗部装药的反应度均远小于1，炸药未燃未爆，说明巡飞弹处于安全状态。

3  结  论

本文针对巡飞弹在巡飞过程中，存在急加速、急转、跌落的风险，通过数值仿真，模拟巡飞弹在加速度过载刺激和跌落刺激下的各种实际工况，分析了巡飞弹在不同加速度过载和不同撞击姿态、速度对刚性地面的动态响应，得到炸药内部的应力和反应度响应，巡飞弹战斗部在巡飞阶段因意外情况急加速、急转、跌落时，装药不会发生爆炸，处于安全状态，为今后战斗部的跌落安全性评价分析和战斗强度提升、材料优化提供理论依据。

参考文献：

[1] 韩方丁，井文明，唐胜景.国外系统开展弹药安全性研究的启示 [J].新技术新工艺，2020（5）：1-5.

[2] 乔良，龚苹，刘晋渤，等.战术导弹战斗部安全性评估方法研究 [J].战术导弹技术，2020（2）：34-38+82.

[3] 李广嘉，周涛，曹玉武，等.带舱大型战斗部跌落响应数值分析 [J].高压物理学报，2018，32（4）：153-157.

[4] 谢涛，吕红超，郝陈朋.基于LS-DYNA的导弹战斗部跌落安全性分析 [J].兵器装备工程学报，2018，39（8）：26-29.

[5] 江明，唐成，袁宝慧.导弹战斗部安全性试验评估 [J].四川兵工学报，2015，36（7）：6-9.

[6] 董三强，冯顺山，金俊.弹药安全性能评价模型研究 [J].兵工学报，2011，32（4）：421-425.

[7] 董海山.钝感弹药的由来及重要意义 [J].含能材料，2006（5）：321-322.

[8] 时党勇，李裕春，张胜民.基于 ANSYS/LS-DYNA8.1 进行显式动力分析 [M].北京：清华大学出版社，2005.

[9] Livermore Software Technology Corporation.LS-DYNAR keyword users manual [Z].Livermore Software Technology Corporation，2007.

[10] Livermore Software Technology Corporation.LS-DYNA theory manual [Z].Livermore Software Technology Corporation，2007.

作者简介：贾飞（1987.08—），男，汉族，山西大同人，高级工程师，硕士研究生，研究方向：仿真技术。