线列式离散杆战斗部可行性仿真分析*

阮喜军,梁争峰,李广嘉,程淑杰

(西安近代化学研究所,西安　710065)



线列式离散杆战斗部可行性仿真分析*

阮喜军,梁争峰,李广嘉,程淑杰

(西安近代化学研究所,西安710065)

摘要:综合利用杆条毁伤元周向及轴向的飞散规律,提出一种新型离散杆战斗部,该战斗部具有线杀伤密度高、威力半径大等特点,在弹目动态交汇条件下可对目标形成线列式穿孔,实现线切割毁伤。文中通过理论分析和数值仿真的方法对该战斗部进行初步研究与探索,在理论方面给出了设计原理和设计参数数学计算模型,并运用动力学软件ANSYS/LS-DYNA对该战斗部模型进行仿真计算,仿真结果初步验证了其作用原理和设计方法的正确性和可行性。

关键词:线列式离散杆战斗部;线切割;数值模拟

0引言

现代战争作战的空天目标呈现类型多样化、特性复杂化等特点。由过去以飞机为主的空中目标,发展到飞机、导弹、人造卫星为主的空天军事目标。快慢目标兼有,机动性更强,最大运动速度可提高到每秒几千米,生存能力不断提高。为适应现代战争需要,防空反导战斗部集中向着定向战斗部、聚焦战斗部、多功能战斗部、新型离散杆战斗部四大结构类型发展[1]。俄、美等国家目前已经从破片杀伤爆破、连续杆杀伤战斗部为主的防空反导战斗部发展到以离散杆战斗部和定向战斗部为主的防空反导战斗部[2]。

文中提出了一种新型离散杆战斗部——线列式离散杆战斗部,该战斗部具有线杀伤密度高、威力半径大等特点。从根本上改变杆条的排布方式,采用杆条的周向放置,相对应的杆条列倾斜排布,一方面实现单枚杆条的不偏转的水平直飞,一方面实现任意半径上,高密度、小间距的杆条群的线切割。

文中简要论述了该战斗部的作用原理、特点和优势,给出了工程设计方法,同时利用动力学软件ANSYS/LS-DYNA[3]对战斗部模型进行数值模拟,初步验证了其作用原理及设计方法的正确性和可行性。

1线列式离散杆战斗部作用原理及设计方法

1.1基本作用原理

线列式离散杆战斗部作用原理是通过设计杆条的排列形式,合理利用杆条轴向及周向的飞散规律,最终可控制每个杆条的飞散轨迹,使得杆条群在目标靶上的落点穿孔呈线性分布。

首先采用杆条的环形排布设计,使得杆条在冲击波及爆轰产物的驱动作用下,受力较均匀,可沿飞散方向保持姿态飞行。其次,设计轴向杆条的质心连线与战斗部轴线的夹角θ(称为均布角),能实现杆条沿周向360°均匀、连续分布,如图1所示。再次,杆条组合体采用合理的曲线结构,既能产生轴向等爆轰场强又能达到轴向聚焦的目的,保证了轴向杆条的速度一

图1　某列杆条的周向坐标分布

致性和间距最小性。但由于端部稀疏波的影响,前后端的杆条会受到影响,导致两端间距较大,见图2。综合周向与轴向的飞散规律,可得列杆条周期性线列式穿孔和杆条飞散示意图,参见图3和图4。

图2　某列杆条的轴向坐标分布

图3　列杆条周期性线列式穿孔

图4　杆条飞散

1.2参数设计

对线列式离散杆战斗部设计过程涉及到的两个主要参数周向杆条数、均布角进行理论分析。

1.2.1周向杆条数

由壳体破裂理论[7-8]可知周向杆条数存在临界值,杆条周向尺寸长度越长,杆条周向越易断裂,有效破片生成率越低;周向尺寸越小,对于全预制形式杆条则无法充分发挥大质量杆条的优势。

基于物体断裂的尺度效应(无论静态或动态加载下物体尺寸对于其强度和塑性极限的影响),从量纲分析入手对周向杆条数的临界值进行估算,爆炸过程中形成的毁伤元具有特征质量m,它是壳体系数a0、L0、δ和炸药性质ρ0、De以及金属性质γ0、G、E的函数,其中a0为壳体内半径,L0为壳体总长,δ为壳壁厚度,ρ0为炸药密度,De为炸药爆速,γ0为金属密度,G为剪切模量,E为断裂比能量,有:

(1)

而质量m可以理解为当壳体分裂为nθ个纵向条带时得到的似规则毁伤元的质量,最广泛估算周向分裂数的方法是梯度方法,其基本概念是毁伤元端部存在某个临界的速度矢量差。

利用梯度方法得到周向杆条数公式为:

(2)

式中:v0为毁伤元初速;vcr为破片端部的临界速度差。

最终可得周向杆条数的计算关系式:

(3)

式中:c为修正系数;χ0为壳体内半径与外半径的比值;E为断裂比能量,钢形成裂纹所需的能量为14～169J/cm2,20#钢为14J/cm2。

1.2.2均布角的计算公式推导

根据线列式离散杆战斗部作用原理,为使杆条沿周向360°均匀、连续分布,通过几何关系可得轴向杆条质心连线与战斗部轴线夹角即均布角的计算公式:

(4)

式中:m为周向杆条的数目;L为战斗部杆条组合体的长度;A为线列式破片周向连续、均布修正系数A≥1;D为战斗部杆条组合体平均直径。

2数值模拟

运用动力学软件ANSYS/LS-DYNA进行模拟。简化战斗部结构,仅考虑炸药、杆条、空气内腔和端盖。

2.1材料模型

炸药采用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BU-RN材料模型和EOS_JWL状态方程描述。所选取炸药与JWL状态方程的基本参数见表1和表2。

表1　炸药基本参数

表2　JWL状态方程参数

空气采用MAT_NULL空材料模型和EOS_LINEAR_POLYNOMIAL线性多项式状态方程。取密度为1.292 9kg/m3。

杆条和端盖采用非线性塑性模型PLASTIC_KINEMATIC材料模型,参数见表3和表4。

表3　杆条材料参数

表4　端盖材料参数

2.2有限元计算模型

有限元计算模型如图5所示。采用全预制破片形式,战斗部结构参数见表5。

表5　战斗部结构参数

图5　战斗部结构模型

图6　单枚预制杆条

炸药和空气为避免单元发生畸变采用多物质ALE算法,杆条、端盖使用拉格朗日算法,并通过*CONSTRAINED_LAGR-ANGE_IN_SOLID关键字进行耦合。采用cm-g-μs单位制建模。

2.3变量参数设计

设定A=1的情况下,预设5组不同的周向杆条数进行模拟,参数设计见表6,一方面考察并分析该战斗部结构设计的可行性,一方面对c的范围进行初步预估。

表6　5组不同周向杆条数的模拟弹杆条参数

3仿真结果与分析

对每组杆条驱动飞散的仿真过程进行记录,图7为杆条在200μs时刻的飞散状态。

图7　杆条在200 μs时刻飞散状态

从杆条飞散过程来看,杆条组合环飞散形成多个杆条列周期,同时每个杆条列周期中的杆条质心连线具有一定的线性规律,与理论设计保持一致。

观察并统计5组杆条的断裂和变形数据,仿真结果显示1#～3#模拟弹杆条出现断裂,4#～5#模拟弹杆条基本完整,图8为1#～3#弹3组杆条在200μs时刻局部断裂变形状态。

表7　杆条飞散及断裂情况统计

从杆条断裂情况判断,当周向杆条数为20时,初步认定为是相对应此种战斗部结构状态下的临界周向数杆条,周向杆条数小于临界值时(1#～3#),单枚杆条周向长度较大易断裂;大于临界值时(5#),杆条基本无断裂。因此将临界值代入式(3)可得:c=1.998。

图8　杆条局部断裂失效图

进一步对模拟样弹的驱动过程从不同的角度进行记录,同时对杆条沿短对称轴的旋转角度进行数据统计,4#弹的杆条基本完整,因此对4#弹的杆条的飞散进行多时刻、多角度的观察,图9为4#模拟弹不同时刻杆条的飞散状态。

在200μs时刻对杆条水平夹角进行统计,由于有端部稀疏波的影响,两端部杆条不计入统计,并认为10°以内为保持水平状态。

表8　杆条水平夹角统计

图9　4#模拟弹不同时刻杆条飞散姿态

4#模拟弹的仿真结果再现了杆条的整个驱动过程。从俯视图可看出杆条飞散过程中始终能形成一个连续圆环,杆条列之间首尾相接,杆条周向分布均匀,说明均布角设计的合理性;从杆条列的单个周期来看,86.7%杆条保持水平飞行,与理论分析相一致,只有首尾部分杆条有较大的变形与偏转,这主要是由于端部稀疏波的影响。

综上所述,该仿真结果初步验证了线列式离散杆战斗部结构设计的合理性,可实现杆条分布控制,技术方法具有可行性。

4结论

1)突破了传统杆条的排列方式,提出了一种能对目标实现线切割的线列式离散杆战斗部杆条分布控制技术,并在理论上给出一种工程设计方法。

图10　单个杆条列周期的飞散姿态

2)利用数值模拟进行了验证分析,模拟结果与理论设计基本一致,初步验证了其战斗部结构设计的合理性,可实现杆条分布控制,技术方法具有可行性。

参考文献:

[1]王绍慧. 浅析现代战争对战术导弹战斗部技术发展需求 [C]∥2011年战斗部与毁伤技术专业委员会第十二届学术交流会文集, 2011: 13-18.

[2]吴义锋, 孙书学, 李卫东. 导弹战斗部发展现状与需求分析 [C]∥2011年战斗部与毁伤技术专业委员会第十二届学术交流会论文集, 2011: 7-12.

[3]时党勇, 李裕春, 张胜民. 基于ANSYS/LS-DYNA8.1

进行显示动力分析 [M]. 北京: 清华大学出版社, 2005: 189-203.

[4]桂毓林, 黄文斌, 谭多望, 等. 旋转式离散杆战斗部对反舰导弹的毁伤数值模拟研究 [J]. 高能量密度物理, 2008(4): 155-160.

[5]周迪锋, 陈智刚, 王文甲. 不同结构下双束旋转式离散杆战斗部的数值模拟研究 [J]. 弹箭与导弹学报, 2010, 30(5): 93-96.

[6]梁争峰, 袁宝慧, 程淑杰, 等. 高密度汇聚离散杆战斗部技术探索 [C]∥2011年战斗部与毁伤技术专业委员会第十二届学术交流会论文集, 2011: 265-268.

[7]隋树元, 王树山. 终点效应学 [M]. 北京: 国防工业出版社, 2000: 56-65.

[8]北京工业学院八系. 爆炸及其作用: 下册 [M]. 国防工业出版社, 1979: 3-12.

[9]黄广炎, 冯顺山, 董永香. 静态和动态下杀伤聚焦战斗部设计研究 [C]∥全国博士生学术论坛论文集, 2005: 84-87.

[10]冯顺山, 黄广炎, 董永香, 等. 一种聚焦式杀伤战斗部的设计方法 [J]. 弹道学报, 2009, 21(1): 24-26.

[11]李晋庆, 胡焕性. 聚焦型破片杀伤战斗部聚焦曲线的工程设计 [J]. 兵工学报, 2004, 25(5): 529-531.

[12]CHOUPC,CARLEONEJ,HIRSCHE,etal.Improvedformulasforvelocity,accelerationandprojectionangleofexplosivelydrivenliners[C]∥Procof6thInternationalSymposiumonBallistics, 1981: 286-296.

*收稿日期:2015-04-09

作者简介:阮喜军(1989-),女,河北任丘人,硕士研究生,研究方向:战斗部技术。

中图分类号:TJ760.3

文献标志码:A

FeasibilityAnalysisofLinearDiscreteRodWarheadbyNumericalSimulation

RUANXijun,LIANGZhengfeng,LIGuangjia,CHENGShujie

(Xi’anModernChemistryResearchInstitute,Xi’an710065,China)

Abstract:Based on scattering law of circumferential and axial discrete rods, a so-called linear discrete rod warhead was proposed in this paper, which has advantages of high linear destruction density and large power radius. The warhead can produce almost linear fragment perforation on target in actual combat, similar to wire cutting. The design principle of this warhead and calculation formula of major parameter were given in this paper. Then validity and feasibility were proved by numerical simulation.

Keywords:linear discrete rod warhead; wire cutting; numerical simulation