药型罩破片群成型的数值仿真和实验研究

龚柏林，初 哲，王可慧，耿宝刚，吴海军，吴崇欣

（西北核技术研究所，西安710024）

药型罩破片群成型的数值仿真和实验研究

龚柏林，初 哲，王可慧，耿宝刚，吴海军，吴崇欣

（西北核技术研究所，西安710024）

为解决常规药型罩破片群成型中存在的径向发散不足的问题，对传统的成型弹体结构进行了改进，并对药型罩破片群的成型过程进行了数值仿真，最后通过靶板效应实验进行了验证。研究结果表明，药型罩破片群的径向发散能力得到了有效增强，形成的破片群径向散布角达到18°。

爆炸力学；药型罩破片群；多模战斗部；聚能装药

定向破片群模式是多模战斗部的一种重要毁伤模式，主要通过对药型罩的破坏与分割，最终在目标方向上形成覆盖较大范围的高速破片场。该模式下产生的破片数量多、覆盖面积大，可有效对付运输车、飞机、雷达、指挥系统、地面人员等面目标。目前，国内外实现药型罩破片群成型的主要方法相对统一［1-12］，主要通过在药型罩前端设置网状的隔栅或切割索等切割装置，实现对药型罩的切割与分离。但这种方法存在一个明显的问题，即成型的破片群径向散布角小，一般不大于10°，因而破片群打击覆盖面积较小、毁伤能力受限等。

为了解决上述问题，首先初步分析了导致药型罩破片群径向发散不足的原因，根据分析结果改进了传统的弹体结构；其次，基于LS－DYNA3D有限元计算软件，对药型罩破片群的成型过程进行了数值仿真；最后，通过实验对仿真结果进行了验证。

1 聚能成型特性的初步理论分析

以定常模型为例，分析了药型罩在压垮过程中的运动特性［13］。计算模型如图1所示。图中，α为药型罩初始半锥角；OC为罩壁初始位置。假设爆轰波沿药型罩中心轴线方向传播，当爆轰波到达罩壁上A点时，A点开始运动。设A点的压垮速度为v0，其方向与罩内表面外法线的夹角为δ。δ称为变形角或偏转角。

根据Taylor公式，有

式中，vD为爆轰波速度。设A点速度v0的方向与药型罩中心轴线的夹角为θ，根据几何关系，有

v0存在一个向轴向方向聚合的速度分量v0sinθ。根据式（1）和式（2），有

该速度分量是导致射流轴向聚合的原因。当药型罩以向后折合的形式形成射弹时，也会产生类似的速度分量。对于定向破片群模式，压垮中的药型罩在初始时刻被隔栅或切割索分割后，虽然能形成多个药型罩小破片，但由于存在一个向轴线方向汇聚的速度分量，被切割后成型的破片群仍然具有向轴线聚拢的趋势，导致破片群径向发散不足，径向散布角偏小。

若要增大药型罩破片群的散布角，应在药型罩被切割时或切割后，为药型罩提供径向发散驱动，以抵消轴向聚合的速度分量，并赋予破片径向发散的速度。因此，可在切割装置中心内置机械机构驱动源或化爆驱动源，适时启动驱动源推动切割装置和药型罩向外扩张，实现药型罩被切割后的发散。可根据药型罩聚合速度和破片群的径向散布要求，设计驱动源的输出能量。

2 弹体结构改进设计

采用一种特殊结构的切割装置替代传统的隔栅结构。将该切割装置置于药型罩口部下方，并固接于壳体内壁。弹体结构如图2所示。该切割装置通过将多个切割片拼接，形成一个中心带空腔的网状结构。药型罩被压垮并与切割装置发生作用后，将首先被切割片分割成多个破片。由于压垮过程中，药型罩顶部区域的轴向速度最高，切割片难以对该区域的药型罩实施有效切割；同时，药型罩顶部的高速冲击也极易对切割装置造成破坏。因此，在切割装置中心预留了一个空腔，以避开药型罩顶部区域对切割装置的冲击。同时，在该空腔中内置辅助装药作为化爆驱动源，使其在药型罩被切割的同时发生爆炸，推动切割片结构和药型罩一同向外扩张。

另外，改进后的结构也能较好地兼容多模战斗部其他模式的成型。当多模战斗部需调整为爆炸成型弹丸或聚能杆模式时，可以先启动扩张驱动源，破坏药型罩切割装置，为爆炸成型弹丸或聚能杆的成型留出通道。

改进后的弹体结构主要包括主装药、药型罩、壳体、端盖和切割装置等。其中，主装药采用铸装B炸药，装药直径为90mm，长径比为0.8。药型罩为紫铜材料制成的同壁厚球缺罩，壁厚为2.5mm，口径与装药直径相同。壳体、端盖及切割装置均由45＃钢材料制成。其中，壳体厚3mm，端盖厚10 mm。切割片厚3mm，轴向高度为15mm。切割片中心空腔内置泰安炸药作为辅助装药。

3 药型罩破片群成型过程的数值仿真

为考核结构改进后药型罩破片群的成型效果，选用大型有限元计算软件LS－DYNA3D对弹体作用过程，即药型罩破片群的成型过程进行了数值仿真。根据上述弹体结构建立有限元模型，如图3所示。计算中，将主装药、辅助装药和空气剖分为欧拉网格。考虑到药型罩将经历大变形过程且其在爆轰加载下呈现出接近流体的特性，计算时将药型罩剖分为欧拉网格。将壳体、端盖和切割装置剖分为拉格朗日网格，并置入欧拉网格中。采用ALE算法处理拉格朗日网格和欧拉网格之间的相互作用。计算时，在空气所占欧拉区域的边界施加压力外流边界条件，以模拟无限欧拉场，避免压力在边界上的反射。各结构之间采用自动面面接触。

采用高能燃烧材料模型和JWL状态方程描述主装药和辅助装药，采用Johnson－Cook材料模型和Gruneisen状态方程描述药型罩，采用流体弹塑性材料模型和Gruneisen状态方程描述壳体、端盖及切割装置，采用空物质材料模型和线性多项式状态方程描述空气介质。材料参数分别列于表1－表5中。起爆点位于主装药上端面中心。

药型罩破片群成型过程的数值仿真如图4所示。

由于计算中药型罩被剖分为欧拉单元，因此无法根据计算结果定量统计药型罩破片群的数量和质量。但从图4可以看出：药型罩破片在轴向方向高速飞散的同时，径向方向的发散也比较明显。而且，由于切割装置中心空腔的存在，药型罩经切割作用后形成了中心一个大破片、周围较多小破片的破片群。周围破片群的轴向速度为2～3km·s－1，由于受到辅助装药的增强作用，中心大破片的轴向速度较高，主装药起爆后110μs时，中心破片头部轴向速度最高达4.29km·s－1。

当切割装置中不含辅助装药时，切割片及药型罩丧失了扩张发散的动力，药型罩被切割后形成的破片基本不发散且中心毁伤元的破片速度也相对较低，主装药起爆后110μs时，中心破片头部轴向速度最高达2.5km·s－1。在无辅助装药情况下，药型罩的成型过程数值仿真结果如图5所示。

数值仿真结果表明，设计的切割装置有利于药型罩破片群的成型及径向发散。分析药型罩的作用过程可知，药型罩成型为定向破片群的过程主要包含3个步骤：1）药型罩在压垮的过程中被切割片分割，实现了分区；2）辅助装药起爆驱动切割片扩张运动，实施了对药型罩各分区的进一步分离；3）在分离过程中，药型罩流体在切割装置的作用下，被挤压、干扰和破坏，形成了多个药型罩小破片。

4 药型罩破片群成型的靶板效应实验

为验证结构改进后药型罩破片群的成型性能。采用静爆打靶的方式，开展了药型罩破片群成型的靶板效应实验。实验弹体结构参数如上节所述，弹体实物如图6所示。在弹体前方设置效应钢板以验证破片群毁伤元的成型，并获得破片群的分布。靶板竖直立于爆炸罐内，弹体水平放置并对正靶板中心。实验炸高设为1 000mm，采用尺寸为500mm ×500mm×8mm的单层45＃钢板作为效应靶板。为避免形成的毁伤元穿透靶板后对爆炸罐造成破坏，在靶板后布置了多层45＃防护钢板，钢板在轴线方向的总厚度为500mm。起爆方式为主装药上端面中心单点起爆。实验布局如图7所示。

起爆后，靶板上的瞄准点及其附近有较多穿孔及破片落点。瞄准中心区的破片落点基本上为贯穿，且越靠近瞄准中心，靶板落点的侵深越深。实验后的靶板如图8所示。

根据靶板穿孔形状及分布可以判断，药型罩在切割装置的作用下形成了破片群，32枚药型罩破片侵彻并贯穿8mm厚钢靶。最大穿孔位于靶板中心，直径约为40mm，为球缺形药型罩的顶部区域侵彻靶板后形成；靶板中心周围有多个小孔，孔径约为8～15mm，为药型罩周边部分在切割装置的作用下成型的小破片侵彻靶板后形成，其中一些相对较小的穿孔可能是切割后的药型罩小破片在较大的炸高下拉伸、断裂所致。在穿孔周围有较多直径、侵深均较小的弹坑，可能是药型罩受切割片干扰形成的小颗粒侵彻所致。经统计，靶板上破片落点分布区直径约为310mm，破片群径向散布角达18°。

另外，实验中回收了紧贴靶板布置的防护钢板，如图9所示。从图中可见，防护钢板正面对应瞄准中心的位置有一个直径约45mm、深约25mm的弹坑，其余位置无明显侵彻痕迹。该现象充分说明，形成的药型罩破片群具有明显的速度分布规律，速度沿径向方向的分布梯度较大。中心破片速度最高，虽经过切割装置作用后消耗了部分能量，削弱了药型罩破片的成型质量，但中心破片仍具有较强的侵彻能力。破片群中越靠近弹体轴心，破片速度越高。这些结果与数值仿真结果均相吻合。

5 结论

分析了传统结构中药型罩破片群径向发散不足的原因，改进了弹体结构并用数值仿真和靶效实验进行了效应验证。研究结果表明，改进后的弹体结构，可以较好地实现药型罩破片群的成型，形成的破片群径向散布角达18°，且能有效贯穿8mm厚的45＃钢板。该药型罩破片群成型方法有利于与其他模式的集成，可以应用于多模战斗部。

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Numerical Simulation and Experimental Research on Forming of Liner Fragments

GONG Bo－lin，CHU Zhe，WANG Ke－hui，GENG Bao－gang，WU Hai－jun，WU Chong－xin
（Northwest Institute of Nuclear Technology，Xi'an，710024China）

In traditional forming technology of liner fragments，radial dispersion of liner fragments is limited.To solve this problem，the traditional structure of shaped charge warheads was improved.Simulation of the forming progress of liner fragments was done，and the forming effects were validated experimentally.It is concluded from the results that the ability of radial dispersion of liner fragments is enhanced，and the radial dispersion angle of liner fragments reaches 18°.

explosion mechanics；liner fragments；multimode warhead；shaped charge

O383

A

2095 6223（2015）03 220 05

2014 11 15；

2015 04 20

龚柏林（1982－），男，湖北云梦人，助理研究员，博士，主要从事常规战斗部技术研究。

E－mail：gongbolin＠nint.ac.cn