周向毁伤线性聚能战斗部威力的仿真＊

付 璐，尹建平，王志军，刘 敏

（1中北大学机电工程学院，太原030051；2国营732厂，山东淄博255201）

0 引言

线性成型装药是聚能装药的一种。线性成型装药起爆后，金属罩在爆轰产物作用下，形成高速的平面金属射流切割刀，实现对目标的切割，故又称为聚能切割器。这种技术从20世纪60年代开始被广泛应用于宇航和军事领域，用于目标的铲除或精确破坏，如摧毁建筑物、反车辆、排雷等[1]。在战场上，利用线性爆炸成型弹丸破坏并炸毁一定距离内相互连接的带刺铁丝网、通电防护墙等防护设施达到削弱对方防御能力的目的[2]。基于此应用，文中开展了线性聚能装药结构的研究，提出一种能够实现周向毁伤的战斗部结构。

1 战斗部结构

文中所述新型战斗部结构如图1所示，其主要结构参数有5个，即药型罩内曲率半径R1、外曲率半径R2、装药高度h、装药长度b和装药宽度L。它是在传统的线性成型装药的基础上，通过改变装药结构，由壳体通过钎焊、粘合或者边缘啮合而互锁的方法将4个独立的药型罩沿着它们的边缘装配到一起组合而成。

文中讨论的结构模型参数：药型罩采用变壁厚设计，内曲率半径R1＝52mm，外曲率半径R2可变；装药高度h＝60mm；装药长度b＝60mm；装药宽度L＝14mm；起爆方式为装药中心线起爆。

图1 战斗部结构

2 仿真计算及算法

图2为战斗部结构的有限元模型，采用多物质流固耦合格式来模拟装药的爆轰、药型罩的压垮和线性爆炸成型弹丸的形成过程，且Euler网格范围足以覆盖爆轰产物和爆炸成型弹丸流动的空间。网格单元选用Solid164八节点六面体单元，模型共划分了343281个节点，323600个单元。单元算法采用多物质ALE算法[3]，计算中采用的单位制为 mm－kg－ms。

图2 战斗部结构有限元模型

2.1 药型罩和壳体的材料模型

药型罩和壳体材料选用紫铜，采用Johnson－Cook模型和Gruneisen状态方程来描述动态响应过程以及高应变下的材料变形问题。材料参数[4]见表1。

表1 药型罩和壳体材料参数

2.2 炸药材料模型及状态方程

装药选用 HIGH＿EXPLOSIVE＿BURN高能炸药材料模型和JWL状态方程。JWL状态方程精确描述了在爆炸驱动过程中爆轰气体产物的压力、体积、能量特性，表达式为：

式中：peos为来自于状态方程的炸药爆轰产物压力；P为炸药单元所释放的压力；F为炸药燃烧质量分数；V为爆轰产物相对体积；E为爆轰产物单位体积的内能；A、B、R1、R2和w 为输入参数。采用8701炸药，材料参数[4]见表2。

表2 炸药材料参数

2.3 空气材料模型及状态方程

空气材料选用流体模型MAT＿NULL，状态方程为线性多项式：EOS＿LINEAR＿POLYNOMIAL，并在边界节点上施加压力流出边界条件，避免压力在边界上的反射。材料参数[4]见表3。

表3 空气材料参数

3 数值模拟及方案优化

3.1 线性EFP成型的数值模拟

当主装药起爆以后，前进的爆轰波阵面在炸药外廓所提供的空穴处渐渐压垮金属药型罩，随后传入药型罩内在其内表面反射拉伸。t＝20μs时，空腔内的材料相互挤压、碰撞，使得它们的平均速度得到提高，促使罩体翻转；t＝40μs时，罩体金属向轴线聚集，出现径向收缩；t＝60μs时，由于罩体上靠近轴线处与边缘处部位存在着速度梯度，使罩体不断变形，产生径向收缩和轴向拉长。随着爆轰波的继续推进，药型罩两端面继续向轴向收拢，最终罩体在轴向拉伸及径向挤压作用下形成密实的线性爆炸成型弹丸，如图3所示。

图3 线性爆炸成型弹丸成型过程仿真结果

从图4可以清楚看出药型罩内壁质点先于药型罩外壁质点被加速，而后者速度幅值比前者大，速度的变化反应了挤压与拉伸共同作用过程。在t＝80μs以后内外壁质点速度趋于一致，线性爆炸成型弹丸成型过程基本结束。形成的线性爆炸成型弹丸能够完成预期设想，沿着4个方向稳定飞行，达到周向毁伤的目的，如图5所示。

图4 药型罩内外壁质点速度历程曲线

3.2 线性爆炸成型弹丸的优化设计

图5 战斗部成型整体结果

文中在固定药型罩内曲率半径、装药长度、装药高度和装药宽度的条件下，对药型罩罩顶厚和外曲率半径参数进行数值仿真计算。数值仿真计算得到了药型罩外曲率半径、罩顶厚两参数对爆炸成型弹丸速度影响规律，从中获得5个线性爆炸成型弹丸方案，将仿真计算得到的线性爆炸成型弹丸速度和动能作为优化设计评定指标。表4给出了5个线性爆炸成型弹丸方案的结构参数和速度稳定时刻（t＝80μs）的结果数据。

表4 战斗部结构参数及结果数据表

对于爆炸成型弹丸在装药长度、装药高度和装药宽度一定时，爆炸成型弹丸对目标的侵彻威力主要由其自身动能大小决定[5]，由上表可以看到，随着外曲率半径的增大，药型罩顶厚在增加，同时线性爆炸成型弹丸的速度在减小，动能在降低。方案1中，形成的线性爆炸成型弹丸头部和尾部由于速度梯度的原因，出现断裂现象，如图6所示，影响了对目标的毁伤效能；方案2～5中，形成的线性爆炸成型弹丸均未出现断裂现象，飞行稳定时速度相比方案1有所降低。综合考虑线性爆炸成型弹丸成型和动能最大准则，确定方案2为优化方案，如图7所示。

图6 方案1线性爆炸成型弹丸飞行姿态

图7 方案2线性爆炸成型弹丸飞行姿态

从计算结果可以看出药型罩曲率半径、壁厚与线性爆炸成型弹丸成型之间的关系：

1）药型罩曲率半径的变化将引起爆轰波阵面作用于药型罩位置的改变，导致药型罩材料流动方向的变化，从而影响线性爆炸成型弹丸的成型。

2）对于药型罩壁厚，直接影响线性爆炸成型弹丸头部速度大小，而且罩壁厚不宜太薄或太厚，太薄会使线性爆炸成型弹丸出现拉断现象，太厚会使药型罩翻转困难，速度降低，得不到形态良好的线性爆炸成型弹丸，这些在设计时需要加以重视。

4 结论

1）与传统的线性聚能装药相比，在爆炸载荷作用下，该新型战斗部形成线性爆炸成型弹丸的破坏效应可以作用到相同距离的四个方向，实现周向毁伤，进而提高了目标的破坏率。该战斗部可用来摧毁建筑物、破坏防护网、反车辆等目标，并具有一定的毁伤效果。

2）综合考虑线性爆炸成型弹丸成型和动能最大准则，该战斗部在爆炸载荷作用下形成的线性爆炸成型弹丸形态良好，具有很好的气动性且稳定时具有一定的速度，有利于侵彻目标。

3）药型罩曲率半径、壁厚对线性爆炸成型弹丸的成型和速度影响较大。在内曲率半径一定的情况下，随着外曲率半径的增大，药型罩顶厚在增加，形成的线性爆炸成型弹丸的速度在减小，动能在降低。

[1]A C Robinson，M G Vigil.An analytical－experimental comparison of 150and 220grain per foot liner shaped charge performance，DE87－014217[R].1987.

[2]Alford Roland，Alford Sidney.Explosive charge，US 2010／0018427A1[P].2010.

[3]时党勇，李裕春，张胜明.基于 ANSYS／LS－DYNA 8.1进行显示动力分析[M].北京：清华大学出版社，2005.

[4]闫玉凤，陈智刚，周迪锋，等.不同爆轰波形对串联聚能射流影响的数值模拟[J].测试技术学报，2010，24（2）：157－160.

[5]王树有，蒋建伟，门建兵.准球形爆炸成形弹丸形成过程的仿真计算与实验验证[J].系统仿真学报，2009，21（15）：4863－4865.