某小型强光爆震弹爆炸仿真研究

马永忠，赵法栋

(武警工程大学 装备管理与保障学院，西安 710086)

强光爆震弹是一种大威力非致命弹药，其爆炸时产生强烈声响和炫目闪光刺激，使人员暂时性致聋致盲，从而失去抵抗能力。因其作用威力大、驱散效果好，在强行驱散、武力突击等任务中得到了各国警宪部队的普遍使用[1]。“如何最大限度降低其破片杀伤力，保证使用安全性”一直是该类弹药研发设计的重点问题[2]。比如美国7290型爆震弹[3]和M84震撼弹[4]均采用钢制金属外壳，爆炸时不会产生任何破片，但也增加了全弹质量，给弹药投掷和携带带来不利影响；法国0446型声光弹则采用了预制破片的方法来控制破片大小和形状，达到降低杀伤力的目的。我国学者郭三学[5]专门对V形槽法提高爆震弹安全性的可行性进行过实验研究。

为开展强光爆震弹破片杀伤问题研究，我们设计了一种卵形弹体结构的小型强光爆震弹(如图1所示)。对其破片质量分布和破片速度等进行了仿真分析，评估了其杀伤半径。

采用有限元法进行爆炸仿真是现代武器弹药设计的常用方法。余志统等[6]对战斗部爆炸加载及破片飞散过程进行有限元仿真，分析了预制破片的爆炸飞散规律。樊壮卿等[7]仿真分析了舱室爆炸载荷传播特性，为舰艇毁伤和防护提供了参考。

张国强[8]基于非线性有限元软件LS-DYNA采用ALE算法对某强光爆震弹的冲击波超压进行仿真，分析了其致伤特性，证实了仿真的正确性。本文仍采用该方法，对所设计的小型强光爆震弹的爆炸过程进行数值仿真，探究其破片分布规律，以期为该弹药的研制和应用提供科学依据。

1 工作原理

小型强光爆震弹由发火机构、保险机构、联接座和爆炸体4部分构成(如图1所示)。其工作原理是：当拔出保险销投掷后，保险柄脱落，击针板翻转刺燃一级分离点火管，经过延期后，一级分离点火管发火，产生的高温高压气体使联接座与爆炸体分离抛出，同时引燃二级延期点火体中的点火药，再次延期后，二级延期点火体发火激励闪光剂爆炸，爆炸体壳体破碎，产生巨大声响和强闪光。

1.联接座; 2.二级延期点火体; 3.下盖; 4.发火与保险机构;5.拉环锁定扣; 6.一级分离点火管; 7.闪光剂

由工作原理可知，由于采用了双延期管串联点传火机构，使得联接座在爆炸体爆炸前就以较低速度分离，彻底消除了联接座整体激射带来的杀伤风险，壳体破片就成了该弹的主要杀伤来源。因此，本文主要对爆炸体的爆炸过程进行仿真分析。在各种有限元分析平台中，软件LS-DYNA在分析各种爆炸、结构撞击、冲击等动态非线性问题方面具有独特的优势[9]，本文就以该软件为仿真平台。

2 仿真模型的建立

在分析本弹结构及爆炸特性的基础上，同时考虑到计算资源的限制，本文作出如下假设：1) 闪光剂线性爆轰；2) 忽略应力波在壳体内传播和反射的细微过程，忽略较小的应力波在传播过程中的叠加；3) 经爆轰驱动的壳体破片不存在质量损耗和变形。

2.1 物理模型的建立

由于爆炸体为轴对称结构，本文建立1/4物理模型。

爆炸体为ABS材料，其二维截面结构及尺寸如图2所示。

空气和闪光剂截面如图3所示。其中，蓝色部分为闪光剂，装药高度为33.7 mm，重28 g；紫色部分为空气。

图2 爆炸体截面图(mm) 图3 空气和闪光剂截面图

通过旋转，生成的实体模型分别如图4、图5所示。

图4 爆炸体实体模型 图5 空气和闪光剂实体模型

由于弹体结构对称，本文采用四面体网格对爆炸体、炸药和空气部分进行网格划分，网格总数约40万。爆炸体网格划分如图6所示，空气和闪光剂网格划分如图7所示。

图6 爆炸体网格划分 图7 空气和闪光剂网格划分

2.2 材料模型

爆炸体爆炸过程中涉及闪光剂、空气和爆炸体3种材料，需分别进行建模。

闪光剂采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN的材料模型，状态方程采用*EOS_JWL。JWL状态方程能够精准地描述爆炸驱动过程中爆轰气体产物的能量特性、压力和体积，表达式为：

(1)

式(1)中：A、B、R1、R2和ω为常数；P为爆轰产物的压力；V为爆轰产物的相对比容；E是与爆热成正比的常数。

由于本文的闪光剂配方在JWL材料参数手册中无法查找，对此采用凝聚体炸药状态方程[10]来拟合得出。

由K方程，有：

(2)

利用爆轰波阵面参数：

(3)

进而可以拟合出闪光剂状态方程，参数如表1所示。

表1 闪光剂状态方程参数

空气采用*MAT_NULL，状态方程采用*EOS_LINEAR_ POLYNOMIAL，参数如表2所示。

表2 空气模型参数

爆炸体采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC，随动强化的塑性材料模型，参数如表3所示。

表3 ABS材料模型参数

极限塑性应变取0.06。

在LS-DYNA中设置求解时间为0.5 ms，求解步数设置为100步，施加YZ、XY对称边界条件，并将起爆点设置在闪光剂的中心位置，生成K文件后即可运算。

3 结果分析

图8所示为爆炸时刻为0.05～0.45 ms时爆炸体破碎仿真。由图8可见，爆炸体爆炸后，产生了大量的破片，由于结构较复杂，爆炸体各区域(区域划分见图9所示)破片大小分布不均，飞散方向也不同，具体而言：

1) 端盖部破片总体来说较大，沿爆炸体轴向方向飞散；

2) 上部以小破片居多，与爆炸体轴向成45°向上飞散；

3) 中部破片较大，由于该位置为联接处，筒体较厚，运动方向垂直于爆炸体轴向，向周向飞散；

4) 底部破片大小相对较小，其中弧底部分破片与爆炸体轴向约成45°向下飞散，平底部分破片沿爆炸体轴向方向飞散。

图8 爆炸体在0.05～0.5 ms时的破碎仿真

图9 爆炸体示意图

3.1 破片速度分析

运用PREPOST对破片速度进行处理分析，爆炸体总动能随时间变化曲线如图10所示。

图10 爆炸体总动能-时间曲线

由图10可以看出，爆炸体在0.035 ms时，开始受到炸药爆炸的冲击波，在0.005 ms的时间内，动能急剧增大到最大值，之后0.1 ms内，炸药仍在爆炸产生持续的冲击波，爆炸体自身部分微小破片也在迅速消失造成动能损失，两者最终达到平衡，动能又一次达到最大值，此时，闪光剂主体爆炸完毕，爆炸体由于微小碎片的消失，动能又开始逐渐减小。

随机选取不同部位破片进行速度分析，结果见图11～图14。可见，爆炸体不同部位爆炸时破片速度变化各不相同。最大速度产生在爆炸体上部，最大速度为132 m/s，上部破片速度分布比较广，最小为10 m/s。中部由于破片比较大，速度也相对较小，平均为45 m/s，端盖部和底部速度主要是沿爆炸体轴向，具体来看，速度大约在0.05 ms时开始急剧增加，到0.1 ms时达到顶峰，而后或缓慢上升、或缓慢下降、或保持稳定。

图11 端盖部部分破片时间-速度曲线

图12 中部部分破片速度-时间曲线

图13 上部部分破片速度-时间曲线

图14 底部部分破片速度-时间曲线

3.2 破片杀伤半径评估

破片的质量、形状及速度是影响破片杀伤的三大因素，但是相比大质量破片而言，小质量破片存速能力弱、飞行距离近，动能较小，因此，爆炸体的杀伤来源主要来自于低速大质量破片，本文选取仿真结果中质量最大的破片(质量为Mt=2.15 g，最大初始速度V0=97.6 m/s)，对其进行杀伤半径评估。

破片比动能为：

et=Et/St

(4)

式(4)中：Et为破片动能；St为破片与皮肤的接触面积。

由于破片运动不规则，故一般将St按均匀取向理论处理，采用破片平均接触面积计算，即1/4面积计算。破片表面积可由下式推出：

(5)

式(5)中：MT为爆炸体质量；ST为爆炸体表面积。则破片初速与比动能关系为：

(6)

式(6)中：emin为擦伤皮肤的最小比动能，为9.8 J/cm2；vmin为擦伤皮肤的破片最小初速。

假定弹药在海平面附近爆炸，则H(y)=1。由于破片飞行中仍保持柱形，则其衰减系数α为：

(7)

式(7)中：Cx为柱形破片空气阻力系数，取1.17；ρ0为空气密度。

破片运动方程为：

V=V0exp(-αx)

(8)

将图2中爆炸体结构参数代入，即可得出该弹的杀伤半径约为2.33 m。

4 结论

通过对小型强光爆震弹爆炸仿真分析可以看出：爆炸体各部分破片大小分布不均，端部和中部破片较大；爆炸后总动能逐渐衰减，上部破片速度最大但破片较小；中部破片速度相对较小，是主要的杀伤源；通过评估计算，整弹的杀伤半径为2.33 m。本文的仿真评估方法能为同类强光爆震弹设计提供借鉴。