横纵刻槽对半预制战斗部破片成型的影响

李国杰，孙凯，王俊林，张韩宇，王伟,，冯顺山

(1.北京航天长征飞行器研究所，北京 100076；2.北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081)

侵彻、半穿甲类战斗部为了实现穿甲、侵彻功能往往具有较厚的壳体壁厚，爆炸时破片成型不规律，杀伤效果较差. 为了提高杀伤性能，获得尽可能多的有效破片成为研究重点. 预控破碎技术是实现该目标的一种有效方法，通过特殊的技术措施，控制或引导壳体的破碎，从而控制破片形状和尺寸的形成，常用的有壳体刻槽、壳体区域脆化和装药刻槽等.

国内外学者对壳体刻槽式预控破片战斗部的壳体断裂问题进行了相关研究[1-2].吴成等[3-4]研究了内刻V形槽半预制破片战斗部壳体的断裂准则，得到了应力集中系数与内刻槽圆柱壳体几何结构参量关系的函数表达式，推导出内刻槽圆柱壳体的临界断裂应变判据；张玮等[5]对50S iMnVB钢圆筒在爆炸载荷作用下断裂行为进行了研究，得到圆筒自然破碎和高能束改性后破碎的不同规律；彭正午等[6-7]对壳体外刻槽的预控破片战斗部在不同槽深和槽宽时的破片形成过程进行研究，得出了槽深和槽宽对预控破片的有效破片生成率、破片平均速度和破片质量损耗的影响规律；刘桂峰等[8]研究了刻槽深度与刻槽间距对破片形成率与质量占有率的影响，得到随刻槽深度增加、刻槽间隔增大，主破片形成率和质量占有率增大的规律，并探索了50 SiMnVB这种高破片率脆性钢的预控破碎方法；张高峰等[9]研究了战斗部壳体爆炸过程质量损失率的计算模型并给出了损失规律；杜宁等[10]研究了D60钢在不同硬度时刻槽壳体爆炸驱动下形成破片的速度及质量分布特性，结果为破片初速差异不大，但高硬度壳体材料形成破片穿甲能力较强；吴建萍等[11-13]在壳体刻槽战斗部的仿真计算方法中也各有建树，得到了一定的规律.但是在横向和纵向两方向上刻槽形状、刻槽深度对破片成型的影响规律尚未有人研究.

本文在前人的基础上主要进行了爆炸载荷下横向刻槽与纵向刻槽分别与同时作用条件下对破片成型的影响研究工作，并得到了横、纵刻槽之间的形状匹配关系、深度匹配关系.

为方便叙述与理解，下文中横向刻槽与径向刻槽意义一致，纵向刻槽与轴向刻槽意义一致.

1 半预制破片破碎机理分析

对于弹体刻槽的半预制战斗部，常采用剪切破裂控制技术，既控制金属壳体剪切破裂的初始位置，又控制裂纹传播的方向，利用在壳体内表面刻制一系列网格沟槽，造成机械应力局部集中，便可产生剪切破裂.在战斗部爆炸过程中，壳体会不断膨胀，然而壳体的轴向与径向碎裂机理并不相同，这是因为在圆柱形战斗部壳体的变形和膨胀过程中，轴向或轴向应变比径向上出现最大应变的值小得多，在径向上产生最大应变，因此应基于径向应变而不是轴向应变设计凹槽的形状及深度，合理设计轴向与径向的刻槽深度更具时效性.

对于预控破碎技术涉及的因素包括刻槽截面形状、刻槽深度、刻槽间距、刻槽位置、刻槽网格形状、装药类型、壳体材料、壳体厚度等.对于沟槽的截面形状，通常有V形、方形和锯齿形，不同的沟槽形状，将会使壳体破裂时形成不同的断裂迹线走向，从而使壳体沿不同的路径破碎，如图1所示为内刻V型槽、内刻锯齿型槽以及内刻V型槽与外刻U型槽联合作用下的破碎路径，即通常所指的断裂迹线.

图1 不同刻槽形状的断裂迹线Fig.1 Fracture path of different groove shapes

内刻对称V型槽时，爆轰波阵面扫过刻槽表面时，会产生一个剪切平面从内表面向外表面传播，传爆方向为刻槽尖点45°方向[14]，由于刻槽的对称性，因此会在两个方向形成断裂迹线[15]. 对比对称的V型槽，非对称锯齿型槽，往往会在一个较薄弱的方向首先形成断裂迹线，即主断裂迹线，另一方向形成副断裂迹线，由装药条件、壳体材料等其他因素决定副断裂迹线的生成情况，可以形成，也可不形成.较为理想的刻槽控制手段为内外均刻槽，这样在壳体内外表面均形成薄弱点，形成唯一的断裂迹线，这样壳体能够严格按照预设断裂方向断裂，形成大小均匀的破片，但是此方案在经济性代价较高，加工工艺复杂度较高.

沟槽间隔决定着所形成的破片的大小和数量.沟槽的间隔不同会影响断裂迹线是否交叉，从而决定形成的破片大小和数量.如图2所示，当断裂接线刚好衔接时，形成的破片大小一致较好；当断裂迹线交叉重合时，形成的破片数量较多，但质量较小；当断裂迹线距离较远时，则形成数量较少的中等质量破片和大质量破片.通过控制刻槽间隔，可以得到预想的具有合适大小、合适数量的破片.

图2 不同间隔沟槽形成破片状态Fig.2 Fragments with different interval

2 半预制破片破碎仿真计算研究

2.1 壳体内刻槽结构模型

应用刻槽相关理论，对战斗部壳体内刻槽方案进行数值研究，首先对战斗部进行问题简化，将战斗部简化为圆柱状结构，上端部分等效为钢性盖，起封闭装药作用，下端部分及其他结构也等效为钢性结构，起爆点设置为下端中心单点起爆，等效结果如图3所示.

2.2 壳体内刻槽仿真计算模型

采用SolidWorks软件构建刻槽弹体模型，利用ANSYS/LS-DYNA-3D有限元分析软件构建有限元模型，计算时采用1/4的3维模型，并在对称面施加对称约束.计算模型如图4所示.

计算方法为ALE算法，刻槽弹体采用Lagrange网格，炸药与空气采用采用Euler网格，通过关键字*CONSTRAINED_LANRANGE_IN_SOLID将其进行侵蚀耦合.炸药与空气采用共节点设置.弹体自身施加自动单面接触，防止爆炸后自身的穿透问题.

图3 战斗部壳体简化模型Fig.3 Simplified model warhead shell

图4 计算模型Fig.4 Calculation model

计算中壳体材料为45#钢，由Johnson-Cook模型进行强度和失效参数描述，Johnson-Cook强度模型能够较为准确地描述高应变率下金属材料的动态行为和利用应变阈值描述失效.流动应力描述方程如式(1)，失效应变描述方程如式(2)

(2)

表1 壳体材料参数[16]

装药采用8701炸药，用JWL状态方程对其进行描述.JWL状态方程形式为

(3)

式中：V=v/v0；E为比热力学能；A,B,R1,R2,w为常数.具体参数见表2.

表2 8701炸药参数[17]

2.3 轴向刻槽与径向刻槽对破片成型影响仿真计算

综合考虑共设计了8种不同算例，主要考察轴向刻槽对破片成型的影响，径向刻槽对破片成型的影响，以及轴、径刻槽的形状、深度对破片成型的影响，以及之间的匹配度，从而获得轴、经刻槽关系，具体见表3所示.

表3 横纵刻槽方案

计算模型采用ALE算法，为保证模拟效果，采用3维实体网格，建立1/4模型，壳体与炸药的材料参数及状态方程与单层实体算法保持一致，结果如图5～图12所示.

图5 径向刻槽数值计算结果,3=0.217Fig.5 Radial groove numerical with3=0.217

图6 轴向刻槽数值计算结果,3=0.217Fig.6 Axial groove numerical with3=0.217

图7 径向V2=0.167，轴向V2=0.167Fig.7 Radial V groove2=0.167,axial V groove2=0.167

图8 径向V3=0.217，轴向V2=0.167Fig.8 Radial V groove3=0.217,axial V groove2=0.167

图9 径向V3=0.217，轴向V1=0.133Fig.9 Radial V groove3=0.217,axial V groove1=0.133

图10 径向锯齿I3=0.217,轴向V2=0.167Fig.10 Radial zigzag I groove3=0.217,axial V groove2=0.167

图11 径向锯齿II3=0.217,轴向V2=0.167Fig.11 Radial zigzag II groove 3=0.217,axial V groove2=0.167

图12 径向U3=0.217,轴向V2=0.167Fig.12 Radial U groove3=0.217,axial V groove2=0.167

从以上结果可以看出仅有轴向刻槽、仅有径向刻槽以及轴向径向联合刻槽对破片的形成具有很大的影响，可使破片破碎特性完全不同.

2.4 仿真计算结果分析

对比分析图5、图6和图7可以看出，如果仅有径向刻槽时，会形成很多碎小破片，如图5(b)所示，破片成型效果较差，众多碎小破片毁伤效果较差，几乎不具备破片控制能力；而从图6(b)看出，仅有轴向刻槽会形成条形破片，破片质量较大，但数量较少；当横纵均刻槽时，壳体断裂才较规律，能够形成大小基本一致、具有杀伤效果的破片；此外，根据计算结果，仅有径向刻槽时，大约在29 μs时壳体基本断裂完毕，而仅有轴向刻槽时，在18 μs时壳体已断裂，21 μs时已完全断裂，这符合轴向最大应变小于径向最大应变的理论，为更加有效地使壳体沿预设槽断裂，应考虑减小轴向刻槽的深度，从而控制壳体沿横纵刻槽同时断裂.

3 试验验证

为进一步验证计算模型的正确性，并结合项目需求，对编号4的计算工况进行了试验验证.试验中壳体材料为45号钢，内侧刻轴向刻槽14条，径向刻槽7条(破片带6条)，理论破片168枚，用于形成破片的壳体总质量288 g.试验采用沙箱法对破片进行回收.回收结果见图12，统计结果见表4.

图13 破片回收结果Fig.13 Recovered fragments

表4 破片统计结果

由统计结果可以看出，回收的破片数量与设计破片数量比为78.6%，回收的破片质量与设计的破片质量比为81.3%，与文献[9]的计算及试验结果相似；有效破片(0.6～4.0 g)数量占回收破片数量的95.5%，有效破片(0.6～4.0 g)质量占回收破片质量的81.3%，占比较高，预控措施有效；与仿真计算结果较为接近，验证了仿真模型的正确性，仿真结论可作为相关设计的参考.

4 结 论

① 通过试验证明，同时预制横向刻槽与纵向刻槽时，纵向刻槽深度应比横向刻槽深度小于20%，可得到大小均匀、质量可控的破片，此时破片沿横向和纵向破碎时机相同，可得到较好的破片控制效果，并证明了仿真结果的正确性；

② 刻槽形状采用“V+V”型或“锯齿(斜口朝起爆点)+V”型时，同时满足横纵刻槽深度关系时，破片破碎控制效果较好，横纵两个方向破片均能按刻槽方向破碎，不产生连片现象；

③ 仅有横向刻槽时，将形成较多碎小破片，破片数量多、质量小；仅有纵向刻槽时，将形成杆条式破片，破片质量大、数量少.