传爆管偏置对子弹预制破片战斗部威力的影响*

刘志林,王雨时,闻　泉,张志彪,高　辉

(1　南京理工大学机械工程学院,南京　210094;2　辽宁锦华机电有限公司,辽宁兴城　125125)



传爆管偏置对子弹预制破片战斗部威力的影响*

刘志林1,王雨时1,闻泉1,张志彪1,高辉2

(1南京理工大学机械工程学院,南京210094;2辽宁锦华机电有限公司,辽宁兴城125125)

摘要:为了给弹药总体和引信传爆序列设计提供参考,以某中型盘状子弹为对象,通过破片初速理论计算和ANSYS/LS-DYNA仿真,并结合试验,得到了传爆管不同偏置距离下子弹战斗部预制破片初速各向分布。结果表明:与中心传爆系统相比,偏心传爆系统离传爆管远的破片初速较高。随传爆管偏置距离增加,同一周向破片间初速差异变大。传爆管偏置9 mm时破片初速增益为-7.28%～8.28%,对子弹战斗部破片杀伤场轴对称性影响不大,因引信安全性设计所需的传爆管偏置结构可行。

关键词:弹药工程;理论分析;数值模拟;预制破片战斗部;引信设计

0引言

为满足隔爆安全性要求,引信常采用错位式爆炸序列结构。错位式爆炸序列中最常见也是最简单的结构,是在隔爆状态下将敏感爆炸元件与钝感爆炸元件错开,而在解除保险状态下两者对正。为了保证隔爆安全性,需要有足够大的隔爆距离。而在轴向尺寸受限的情况下,为了保证钝感爆炸元件(传爆管)药量足够,就不得不采用错位传爆结构,即敏感爆炸元件对钝感爆炸元件虽然在传爆功能上“对正”了,但两者轴线却未对正,而是存在一定的偏置距离。文中的研究背景是某中型盘状子弹(直径108mm,高51mm)。在解除保险状态下,该子弹引信雷管偏置于传爆管(无导爆管),而传爆管偏置于战斗部主装药。因此有必要深入研究该偏心传爆设计(传爆管偏置)对子弹战斗部威力的影响。在此不考虑战斗部破片速度衰减。由弹丸终点效应学[1]知,在采用破片预制结构情况下,只需研究其对战斗部破片初速的影响。

目前,对偏心起爆战斗部破片杀伤效应的研究几乎都是面向定向战斗部。文献[2]推导了偏心起爆破片初速公式,并对预制破片偏心起爆定向战斗部破片初速计算方法进行了试验验证;文献[3-6]运用LS-DYNA软件模拟了不同起爆方式下定向战斗部破片飞散过程,发现偏心起爆方式可使战斗部破片速度和密度在预定方向上有明显增益。上述研究关注了偏心起爆定向战斗部破片能量增益问题,未考虑爆炸序列偏置的影响。文中讨论的中型盘状子弹与前人研究的常规偏心起爆式定向战斗部结构差异较大。常规偏心式定向战斗部的设计目标是尽可能获得定向方位的破片能量增益,从而实现战斗部威力“定向”输出。文中在偏心式定向战斗部威力分析理论基础上,结合ANSYS/LS-DYNA软件仿真,研究偏心传爆战斗部破片能量分布特性,即传爆管偏置对子弹预制破片战斗部威力的影响,供子母弹及其子弹总体设计和引信传爆序列设计参考。

1破片初速理论分析

图1为预制破片战斗部。假设战斗部偏心点起爆,起爆点为O1,装药爆轰能量分配中心在装药几何中心O和O1连线上,设为O2。取以O2为圆心的扇形微元体为研究对象,微元体厚度为单个破片的高度。基于Gurney破片初速经典计算理论模型[7],假设炸药瞬时爆轰且不考虑端面效应。

参考Gurney破片初速经典计算公式的推导过程及能量守恒定律,装药的爆轰能量完全转换为爆轰产物动能和破片动能[5]。以扇形微元体为对象,则有:

(1)

式中:E为炸药的比能;dm为微元体内主装药质量;m0为破片质量;dM为微元体内壳体质量。

设装药总质量为m,壳体质量为M,所研究战斗部共有n层破片,每层有N个,则有:

(2)

其中i为图1中阴影部分中装药面积占总装药端面的比值,即i=S阴/πR2。微元体中壳体部分随破片位置变化不大,可认为近似相同。

整理得破片Ni初速表达式:

(3)

2偏心传爆系统数值模拟与分析

2.1有限元模型建立

偏心传爆系统有限元模型如图2所示。传爆管装药直径19.6mm,高6.5mm;主装药直径86mm,高31.5mm;预制破片为钨合金球,直径3.5mm。预制破片群在弹体内腔绕主装药周向均布,9层,预制破片间由塑料固定。

采用ANSYS/LS-DYNA进行数值模拟分析。仿真模型采用3D实体单元solid164,算法为流固耦合法,可准确模拟装药间的传爆以及炸药与战斗部、破片间的相互作用,破片与壳体间采用面侵蚀接触方式。空气域设置足够大从而消除边界影响,因结构面对称,所以采用1/2模型(中心起爆为1/4模型)。因真实雷管以面起爆传爆管,故在建模中简化模型,用“三点起爆系统”代替真实雷管,即传爆管端面3点同时偏心起爆(雷管居中于子弹及其战斗部但偏置于传爆管)。传爆管与主装药的偏置距离分别为0mm、3mm、5mm、7mm和9mm。

传爆药为JH-14炸药,仿真中选用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型和JWL状态方程;主装药为JH-2炸药,采用MAT_ELASTIC_PLASTIC_HYDRO材料模型和EOS_IGNITION_AND_GROWTH_OF_

REACTION_IN_HE状态方程;空气层采用材料模型MAT_NULL和EOS_LINEAR_POLY-NOMIAL状态方程;引信体材料为45钢,采用Johnson-Cook本构模型和Gruneisen状态方程;传爆管壳采用08钢,垫片采用仿羊皮纸,弹体选用35CrMnSiA,预制破片为钨合金球,材料模型均采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC弹塑性随动模型。具体材料参数如表1～表5所列。

表1　聚黑-14炸药基本材料参数[8-9]

表2　聚黑-2炸药基本材料参数[8-10]

表3　空气基本材料参数[8,10]

表4　引信体45钢材料的基本材料参数[11-12]

表5　材料弹塑性随动模型参数[11-12]

2.2仿真结果分析

为有助于观察传爆管偏置对传爆序列传爆的影响(包括爆轰能量及其传递方位不同),图3～图6给出了不同时刻中心传爆系统和偏心传爆系统(以偏置距离为7 mm为例)的爆轰波传播和破片飞散过程。

与中心传爆系统不同,偏心传爆系统爆轰波从传爆管一端以斜球形波传播,传爆管仍未完全起爆,爆轰波面就已经到达主装药。待满足主装药爆轰条件,爆轰波即开始以斜球形波继续传播。如图5中2.8 μs时刻,爆轰波在主装药内传播并不对称,爆轰压力峰值偏向于传爆管偏置的一侧。由图6可见,传爆管远侧破片初速高于近侧。同样由于轴向稀疏波及能量耗散的影响,轴向破片层速度呈现中间大两端小的情况,但与中心传爆系统不同,偏心传爆系统不同周向方位的各轴向层间破片分布也不尽相同。

采集两种传爆系统各方位破片初速如表6所列。表中周向方位角α从传爆管偏置端起,逆时针计算;破片层数n从顶层往下计数。

为比较不同传爆系统各方位破片的初速差异,将表6中部分数据整理成图7～图8。图7为不同层破片同一周向两种传爆系统间的破片初速比较,图8为不同周向方位角同一轴向两种传爆系统间的破片初速比较。

如图7所示,中心传爆系统同一层周向破片速度几乎相同,而偏心传爆系统同一周向破片速度随着周向方位角(0°～180°)的增大而增大。且近传爆管端初速小于同一位置中心传爆系统破片初速;远侧则相反。比较偏心传爆系统不同层破片的周向速度分布

图3　中心传爆系统爆轰波的传播过程

图5　偏心传爆系统爆轰波的传播过程

可得,尽管不同层破片速度不同,但随周向方位角的变化规律几乎一致,即同一周向(0°～180°)破片初速随方位角增大而增大,变化速率从缓慢到加快再到缓慢。

如图8所示,两种传爆系统沿轴向不同层间破片初速分布均满足破片初速轴向分布理论,即两端低中间高。比较两种传爆系统的不同,中心传爆系统各周向方位破片轴向分布几乎相同,偏心传爆系统破片初速不仅轴向分布数值有差异,而且随周向方位角的增大,轴向分布曲线整体数值越来越大。

图4　中心传爆系统破片的飞散过程

图6　偏心传爆系统破片的飞散过程

2.3仿真结果验证

2.3.1理论验证

表6　各方位破片初速仿真结果汇总

图7　同一周向中心传爆与偏心传爆系统破片初速比较

图8　同一轴向中心传爆与偏心传爆系统各层破片初速比较

3 mm,代入式(3)可得到破片初速结果如表7所列。此结果建立在装药一维平面爆轰模型基础上,同一周向方位不同层破片初速理论上一致。而实际装药驱动破片飞散沿轴向初速截然不同,因此本理论仅对周向破片的分布趋势有指导意义。由于轴向稀疏波的影响,所以选取初速最高的破片层(第5层)为对象进行误差分析。综合表6和表7,作图9,可得对应两种方法的中心传爆系统和偏心传爆系统各周向破片初速的分布差异。

由图9知,理论计算与仿真初速分布曲线接近且随周向角变化增益几乎相同,可说明仿真结果可信。

此外,仿真值略小于理论值。从理论计算模型上分析,初速理论基于能量守恒定律,在爆轰波传播中忽略了轴向稀疏波和能量泄漏影响,因而最终赋予破片的能量有所增加。

2.3.2试验验证

试验主要测试战斗部破片杀伤特性,并测定破片初速。试验用子弹样品2发,由8号工程电雷管代替引信中的火焰雷管通过传爆管起爆,与图2结构相同。

表7　各方位破片初速(m/s)计算结果汇总

图9　中心传爆系统和偏心传爆系统破片初速理论与仿真数值比较

按GJB 3197—1998炮弹试验方法的方法301.4中通靶测速法[13]测定破片初速。共设置2种距离4

块测速靶,测速靶与爆心距离已知。据不同靶板返回通路信号时间不同,通过多元回归法可测定破片平均初速。

本次试验测定破片平均初速为1 588 m/s,仿真得偏心传爆系统破片初速在1 301.5～1 621.7 m/s之间,仿真值与试验结果相当,也说明仿真结果可信。

3不同偏心传爆方案系统仿真结果

为了进一步讨论传爆管偏置对破片战斗部威力的影响,本节将研究传爆管不同偏心位置(3 mm、5 mm、7 mm和9 mm)下战斗部破片初速分布情况。

利用ANSYS/LS-DYNA软件对不同偏心传爆方案进行仿真分析,方法同上。将仿真结果处理得到各方案破片初速增益分布,如表8所列。

表8　各偏心传爆方案破片初速增益分布

4结论

a)不同于中心传爆系统,偏心传爆系统周向破片初速并不一致,随着周向角的增大,在0°～180°范围内,破片初速越来越大,初速变化速率由慢到快再变缓慢。并且,靠近传爆管一侧(0°～90°)破片初速小于中心传爆系统破片初速,远离一侧则相反。

b)随着传爆管偏置距离的增加,同一周向破片间初速大小差异变大,且近传爆管端破片初速更低,远端破片初速更高。

c)传爆管偏置9 mm时破片初速增益为-7.28%～8.28%,对子弹战斗部破片杀伤场轴对称性影响不大,因引信安全性设计所需的传爆管偏置结构可行。

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[13]GJB 3197—1998炮弹试验方法 [S]. 国防科学技术工业委员会, 1998.

*收稿日期:2015-02-09

作者简介:刘志林(1990-),男,安徽合肥人,硕士研究生,研究方向:弹药工程与引信技术。

中图分类号:TJ410.3

文献标志码:A

InfluenceofBoosterBiasonLethalityofPremadeFragmentationWarheadofBomblet

LIUZhilin1,WANGYushi1,WENQuan1,ZHANGZhibiao1,GAOHui2

(1SchoolofMechanicalEngineering,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210094,China;2LiaoningJinhuaElectromechanicalCo.Ltd,LiaoningXingcheng125125,China)

Abstract:In order to provide a reference for design of ammunition system and explosive train in fuze, based on a medium-sized bomblet, theoretical calculation of the initial velocity theory of fragment, simulation analysis by ANSYS/LS-DYNA and experiment were applied. Distribution of initial velocity of fragmentation warhead with different eccentric booster of bomblet was obtained. The results show that compared with center detonating propagation system, the fragment initial velocity of eccentric detonation propagation system increases as increase of the distance between fragment and booster. The initial velocity difference between fragment increases with increase of location of booster. While eccentric distance is 9 mm, the enhancement of initial velocity of fragment can reach -7.28%-8.28%, which has little effect on lethal symmetry of bomblet warhead fragments, therefore, the eccentric detonation structure required by fuze safety design is feasible.

Keywords:ammunition engineering; theoretical analysis; numerical simulation; fragmentation warhead; fuze design