半预制破片战斗部仿真分析

半预制破片战斗部仿真分析
【摘要】利用三维有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA对刻槽式破片战斗部分别进行外刻V形槽、外刻方形槽和外刻锯齿形槽的三种刻槽方式节进行分析，同时对聚能衬套式战斗部进行数值模拟。

通过分析可知刻槽战斗部获得的破片速度最大，杀伤效果最好。

数值模拟结果表明在正常选择材料等相关参数和模型简化合理的情况下，在类似产品改进和新产品研制过程中，可用数值模拟代替部分试验，节省大量的财力、物力和人力等。

【关键词】刻槽; LS-DYNA;数值模拟
1.引言
破片杀伤战斗部是战斗部的主要类型之一，主要是在高能炸药爆炸作用下，形成大量高速破片，利用破片的高速撞击、引燃和引爆作用毁伤目标。

可以用于杀伤有生力量（人、畜）、无装甲或轻型装甲车辆、飞机、雷达以及导弹等武器设备。

半预制破片又称为预控破片，常用的预控技术有壳体刻槽、装药表面刻槽等。

壳体刻槽式杀伤战斗部应用应力集中的原理，在战斗部壳体壁上刻有许多交错的沟槽，将壳体壁分成许多事先设定的小块，当炸药爆炸时，由于刻槽处存在应力集中，因而壳体沿刻槽处破裂，形成有规则的破片，破片的大小、形状和数量由沟槽的多少和位置来控制。

刻槽的形状有V形、方形和锯齿形等，如图1所示。

沟槽的形状不同，壳体破裂时断裂迹线的走向不同。

图1 刻槽截面
2.破片形成理论
大多数通过爆炸和破片产生破坏作用的弹药或战斗部，均由一定厚度的金属壳体和高能炸药组成。

高能炸药爆炸后，壳体在爆轰波和爆轰产物的高压作用下发生膨胀、变形、破裂，乃至破碎。

壳体破碎后形成分散的破片，爆轰产物逸出，并包围破片。

破片在爆轰产物作用下一直被加速，直到爆轰产物膨胀速度低于破片速度，由于爆轰产物和冲击波速度衰减迅速，而破片速度衰减较慢，最后破片将冲到爆轰产物和冲击波的前面。

所以，破片的杀伤作用距离要比爆轰产物和冲击波作用距离大得多。

3.理论计算
下面通过理论上的经验公式来验证数值模拟预控破片的平均速度，以上三种刻槽方案中预控破片平均速度分别为：1200m/s、1400m/s和1500m/s。

对于圆柱形壳体，破片的平均初速可以根据格尼（Gurney）公式进行计算。

（1）
式中：，De为炸药爆速;
，为炸药和壳体的质量比;
将爆速De=8000m/s，代入式中，计算得到，这个结果比外刻V形槽低10.4%，比外刻方形槽低23.2%，比外刻锯齿形槽低28.3%。

4.模型的建立
对几种不同的刻槽式战斗部和聚能衬套式破片战斗部进行建模，并进行网格划分，如图2所示。

在进行有限元数值模拟时对该战斗部进行了简化，壳体厚度选取12mm，刻槽深度为壳体厚度的1/2。

图2 四种不同战斗部网格模型
聚能衬套式破片战斗部，衬套由塑料或硅橡胶制成，其上带有特定尺寸的楔形槽，装药爆炸时，楔形槽产生聚能效应，将壳体切割成所设计的破片。

由于炸药爆炸是迅速的、计算时间很短，而且在这么短的时间内，爆轰产物对破片的作用力远大于空气对破片的作用力，所以忽略空气的影响。

建模时单位采用cm-g-μs，采用拉格朗日算法。

5.仿真计算及结果分析
5.1 四种不同战斗部破片分散情况仿真
图3 四种不同战斗部不同时刻的破片分布
从仿真结果可以清晰地看出四种不同战斗部在各个时刻的所形成的破片飞散情况，破片产生的爆轰波均是以球面方式迅速的从起爆点向外扩散。

圆柱部破片小、密集而且速度大，弹头部和弹尾部破片较大而且速度相对较小，弹壳主要是沿纵向撕裂，破片形成的数值仿真过程与实际情况基本一致。

5.2 四种不同战斗部破片分散速度变化规律
从图4-a中可以看出预制破片在50μs左右时速度就已经稳定下来，选取的这三个节点的稳定后破片的最大速度为1400m/s左右，最小速度为1100m/s左右。

通过所有节点的速度分析可知破片的平均速度为1200 m/s左右。

从图4-b中可以看出，当t=10μs时，战斗部壳体开始破裂，当t=50μs时，破片速度趋于稳定，其最大值为v=1560m/s左右，最小值为v=1200m/s左右，破片的平均速度v=1400m/s。

从图4-c中可以看出，当t=10μs时，战斗部壳体开始破裂，当t=60μs时，破片速度趋于稳定，其最大值为v=1600m/s左右，最小值为v=1400m/s左右，破片的平均速度v=1500m/s。

从图4-d中可以看出，聚能衬套式形成的破片效果与外刻V形槽相近，比外刻锯齿形槽和外刻方形槽要稍差一些。

图4 四种不同战斗部选取节点的速度-时间曲线
5.3 结果分析
通过对外刻V形槽，外刻方形槽，外刻锯齿形槽战斗部和聚能衬套式战斗部共四种模型的数值模型与分析以及破片的飞散情况可以看出：
（1）对于刻槽战斗部
外刻锯齿形槽战斗部形成的破片不是很理想，容易形成长条状破片，但破片初速相对于其他两种刻槽方式要大一些。

而外刻方形槽战斗部所形成的破片最理想，破片平均初速1400m/s，所形成的破片最均匀。

所以，总的来说，外刻方形槽战斗部较为理想。

（2）对于聚能衬套式战斗部
通过仿真结果可以看出破片初速比壳体刻槽相对低些，这是由于衬套会使得装药量与刻槽式相比会小一些，而且，炸药的爆轰能量会有一部分用于炸裂壳体形成破片，这一部分比刻槽式损失的能量要大些。

6.结束语
通过模拟计算及结果分析表明，在合理简化模型材料参数正确的情况下，数值仿真结果和试验结果具有较好的一致性，而且还会获得一些用试验的方法难以得到的数据结果，为确定破片在目标区域的散布范围和散布密度奠定了基础，为弹丸结构设计及优化提供了依据，让战斗部发挥更大的毁伤威力。

参考文献
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