格栅结构对复合毁伤战斗部影响研究*

戚康乾,李文彬,李伟兵,王晓鸣

(南京理工大学智能弹药技术国防重点学科实验室,南京 210094)



格栅结构对复合毁伤战斗部影响研究*

戚康乾,李文彬,李伟兵,王晓鸣

(南京理工大学智能弹药技术国防重点学科实验室,南京 210094)

为了研究格栅结构对复合毁伤战斗部影响,文中通过数值模拟技术分析了复合毁伤战斗部成型过程,研究了格栅对钨球预制破片的影响,以及不同单元格形状、不同安置位置、不同单元格大小对MEFP成型的影响。研究结果表明,该结构战斗部可以形成有效的复合毁伤破片群。加装方格状格栅的战斗部MEFP成性较好。另外,药型罩与装药壳体底部之间的距离为5 mm,单元格边长为10 mm时MEFP成型较好。

复合毁伤;MEFP;格栅;数值模拟

0 引言

为了弥补常规战斗部毁伤元单一的缺陷,文中研究的复合毁伤战斗部是一种将预制破片与药型罩多自锻破片相结合的新型战斗部技术,可对目标造成区域性的毁伤。药型罩多自锻破片即MEFP战斗部技术,是通过改变药型罩或者战斗部结构使其形成多个自锻破片,在较大面积上对目标造成毁伤。形成MEFP毁伤元的方式主要有多药型罩并联、在药型罩上刻槽以及在药型罩前端安装格栅等。

目前针对MEFP战斗部结构,国内外学者已进行了一定研究,如张健[2]等人对刻槽式MEFP成型过程进行了数值模拟,并研究了刻槽形状与深度对MEFP成型的影响;付璐[4]等人对影响多罩并联式MEFP发散角的5种因素进行了主次分析;D Bender[5]等人设计并进行实验验证了一种切割式MEFP。

文中针对药型罩周边增设预制破片的破甲杀伤复合战斗部,仿真研究格栅结构对预制破片、MEFP飞散特性的影响。

1 仿真模型及结构方案

1.1 仿真模型建立

文中所研究的复合毁伤战斗部结构如图1所示。

图1 复合毁伤战斗部示意图

使用ANSYS/LS-DYNA程序建模并划分网格,考虑结构的对称性,只建立1/4模型结构。计算中采用流固耦合算法,网格单元是六面体SOLID164单元,对称边界施加对称约束。计算模型中主装药采用8701炸药,选用JWL状态方程计算参数见表1。药型罩材料为紫铜、壳体材料为45#钢、预制破片以及格栅材料

为钨,均采用Johnson-Cook材料模型和Gruneisen状态方程,计算参数见表2,空气为空物质流体模型。

表1 炸药材料参数

表2 材料参数

1.2 结构方案选取

由于格栅对药型罩的切割作用,不同的格栅结构、位置对切割后自锻破片的形成有很大影响。文中研究设计了3种格栅结构,分别为方格状、环状、蜂窝状,其结构如图2所示。

图2 格栅结构示意图

针对格栅与药型罩距离以及格栅单元格大小对自锻破片的影响,对以下几个方案进行了研究(见表3)。

表3 仿真方案

2 数值模拟结果及其分析

2.1 战斗部成型过程

采用方格型格栅研究战斗部的成型过程。起爆点在装药顶部中心点,起爆30 μs后炸药基本爆轰完毕,成型过程如图3所示。

图3 战斗部成型过程

药型罩在格栅的切割作用下,形成有一定散布面积的自锻破片群,前部大多数破片速度在2 000 m/s以上。仿真中钨球破片速度可达1 000 m/s左右。自锻破片与预制破片相结合,可以形成密度较高、毁伤能力较强的复合毁伤元。

2.2 不同格栅结构对药型罩的作用效果

因为自锻破片是由格栅切割药型罩而来,所以格栅单元格形状是影响毁伤元成型的一个重要因素。文中主要对比研究了方格状、环状与蜂窝状3种结构的格栅的作用效果,并与未加装格栅的战斗部进行比较。研究毁伤元成型过程发现经过格栅切割后的自锻破片分为前后两部分。表中为了便于统计与比较,将前部速度高、成型较好的自锻破片按速度梯度分为3层进行对比,仿真结果见表4。图4为各结构中每层钨球预制破片的平均速度。

由仿真结果可以看出,在药型罩前部放置不同格栅对药型罩成型有较大影响。加装格栅后的自锻破片头部速度有所提高,散布面积增大。对比3种格栅切割作用下形成的自锻破片毁伤元,方案3与方案4头部速度较高,但其速度差也较大,且第二层自锻破片成型较差。另外,由于格栅结构影响,方案4形成自锻破片个数少于其他两种方案。因此方案2优于其他两种方案。

分析预制破片速度得到,在药型罩前安置格栅以及格栅单元格的形状对药型罩外侧预制破片速度影响不大。

表4 不同组合结构方案的成型结果

2.3 不同位置格栅对药型罩的作用效果

格栅位置是影响药型罩成型的一个重要因素,根据爆炸成型弹丸的原理,药型罩被压垮时罩上各微元将获得一个向中心汇聚的径向速度,不同的格栅位置将会不同程度的减小这一速度,另外,药型罩被过早的切割,也会造成爆轰压力的泄漏,从而影响自锻破片的速度。因此选择合适的格栅位置有利于提高MEFP的速度与散布面积。

根据对格栅结构的研究,选择格栅形状为方格状的格栅。不同位置方案仿真结果如表5所示,表中散布半径为第三层自锻破片飞散半径。各个方案速度以及散布半径随格栅位置变化规律如图5所示。

表5 不同距离方案的成型结果

图4 预制破片速度

图5 速度以及散布半径随格栅位置变化规律

由仿真结果可以看出,自锻破片头部速度随着距离的增加而增加,但一、三层速度差也随之增加。当距离由0 mm增加的5 mm时,破片散布半径都有一定程度的增加,但当距离再增大到7 mm时,散布半径不再随距离的增加而增加。另外,考虑到战斗部结构尺寸限制,格栅与药型罩之间的距离不宜过大。因此,综合考虑以上因素,格栅与装药壳体底部距离为5 mm为最佳尺寸。

2.4 不同单元格大小对药型罩的作用效果

除了不同样式的格栅对药型罩会有不同的切割作用外,不同的单元格大小对药型罩也会有不同的作用效果。当单元格过小时,格栅将对药型罩有较大的阻碍作用,自锻破片质量与速度都会有一定的损失,且获得的高速破片体积过小,其侵彻能力也会降低。而当单元格过大时,格栅对药型罩的切割作用将会减小,获得的自锻破片个数也会随之减小,对自锻破片的散布面积也有一定的影响。因此格栅单元格大小也是影响自锻破片成型的一个重要因素。

根据以上的研究,选择格栅形状为方格状的格栅,格栅与装药壳体端部的距离为5 mm。不同单元格大小方案仿真结果如表6所示。各个方案速度以及自锻破片个数随格栅单元格大小变化规律如图6所示。

图6 速度以及自锻破片个数随格栅单元格大小变化规律

由图可见,自锻破片头部速度随着格栅边长的增加先增大后减小,而自锻破片个数随着边长的增加逐渐减小。表明格栅单元格大小对自锻破片的速度以及个数都有影响,综合考虑自锻破片速度与个数,当单元格大小为10 mm时,自锻破片成型较好。

3 结论

1)在药型罩周围放置预制钨球破片并在药型罩前安置格栅可以形成有效的复合杀伤毁伤元,较单一毁伤元的战斗部有更高的毁伤效率,可以有效对多种目标进行打击。

2)格栅单元格形状对药型罩成型有较大影响,但不会对预制破片飞散特性有所影响。对比不同格栅的作用效果,方格状格栅较好。

3)格栅与药型罩之间的距离是影响切割效果的一个因素,增加格栅与药型罩之间的距离,可以明显增大自锻破片的发散角,当格栅与装药壳体底部距离为5 mm时成型效果较好。

4)格栅单元格大小对自锻破片的速度以及个数都有影响,当单元格大小为10 mm时,成型效果较好。

表6 不同单元格大小方案的成型结果

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Study on the Effect of Grille Structure on Composite Damage Warhead

QI Kangqian,LI Wenbin,LI Weibing,WANG Xiaoming

(Ministerial Key Laboratory of ZNDY, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

In order to study effect of grid structure on composite damage warhead, according to numerical simulation, forming process of composite warhead was analyzed, the effect of grid on prefabricated tungsten ball fragment and the impact of different grid shape, different position and different grid size on liner were studied. The results show that the warhead can be an effective damage element, warhead with square grid is better in MEFP molding effect. Besides, when distance between shaped charge warhead and grid is 5 mm and square’s side length is 10 mm, MEFP js better in shape.

composite warhead; MEFP; grid; numerical simulation

2015-06-30

戚康乾(1990-),男,河南项城人,硕士研究生,研究方向:高效毁伤技术。

TJ410.33

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