刘耀鹏， 王克印， 黄 勇， 陈雪礼， 尚 超

(1.军械工程学院 基础部，河北 石家庄 050003;2.中国人民解放军71352部队 保障部，河南 安阳 455000;3.中国人民解放军78666部队，云南 昆明 652102)

0 引言

在灭火弹爆炸的过程中，药柱爆轰波传播方向制约爆轰产物质量和能量的分布，因此在装药量和比药量相同的情况下，选择不同的装药结构就能改变分散药柱爆轰波传播方向，促使爆炸能量及产物的有利分布或扩散，从而实现对灭火剂抛撒方向的有效控制。由于灭火剂的爆炸抛撒过程非常复杂，在抛撒的每个阶段均遵循不同的力学、热力学规律，因此很难对全过程进行计算。本文将借助有限元动力分析软件对灭火弹战斗部爆炸及灭火剂的抛撒过程进行数值模拟，研究战斗部不同装药结构对灭火剂抛撒作用的影响，为研究灭火剂的近区抛撒和设计灭火弹提供依据。

1 灭火弹战斗部物理模型的建立

1.1 基础条件及假设

灭火剂爆炸抛撒的过程复杂，影响因素较多，为了便于分析计算，需要对模型进行合理的简化。

(1)爆炸抛撒的初期，由于时间短、灭火剂尚未分散，内部压力远远大于外部大气压，故空气对灭火剂抛撒影响较小，为简化计算，忽略空气的作用。

(2)模型为轴对称结构，为了节省计算机资源，提高运算效率，只选择1/4模型进行模拟[1]。壳体材料选用铝合金。

(3)灭火剂采用水，水具有准确的冲击载荷作用下的状态方程，模拟效果比较真实。

1.2 灭火弹模型参数的设置

本文采用3.5 kg级的灭火水弹战斗部作为有限元分析模型的基础，其结构尺寸为Φ150 mm×200 mm，为了比较装药结构对灭火剂抛撒作用的影响，建立两种不同的装药结构，柱状装药和阶梯状装药，模型结构简图如图1所示，模型外壳为长圆柱形，上、下两个底面厚度为5 mm，侧面厚度t通过壳单元的实参数设置，取1.8 mm。模型的中心为抛撒药柱，d1和h1分别表示柱状装药的直径和高度及阶梯状装药中第一级阶梯的直径和高度，d2和h2分别表示阶梯状装药中第二级阶梯的直径和高度，通过改变药柱的直径d1，d2和高h1，h2来设置不同的装药结构，药柱质量用m药表示。药柱和弹壳壁之间填充水，其质量用m水表示。根据资料[2]显示，合理的比药量应该在2.0%左右，因此本文取比药量为2.0%进行数值模拟。模型的参数见表1。

图1 灭火弹结构简图

表1 灭火弹有限元模型装药结构参数

1.3 设置材料特性参数

由于软件本身并没有单位制，用户在建模的过程中必须向程序输入单位制统一的数据，否则将得不到正确的分析结果，因此本文采用统一后的单位g，μs，cm，Pa。

(1)中心抛撒药采用 TNT炸药，装药密度为1.59 g/cm3，其爆速 D=0.694 cm/μs，爆压 PC-J=0.202 ×1011Pa。JWL 系数为:A=3.712，B=0.032 3，R1=5.15，R2=0.95，ω =0.3，E0=0.07，V0=1.0[3]。

(2)铝合金壳体，密度 ρ=2.77 g/cm3，弹性模量 E=0.73 ×1011Pa，泊松比 μ =0.33，屈服应力σy=0.01 ×1011Pa，切线硬化模量 ET=0.1 ×1011Pa，硬化参数 β =0。

(3)水的密度 ρ0=1 g/cm3，Gruneisen 状态方程系数 C=0.148，S1=2.56，S2= －1.986 和 S3=0.226 8，γ0=0.5，a=0[4]。

2 仿真计算及结果分析

2.1 建立有限元分析模型

为了便于分析比较，建立有限元分析模型时，采用相同的壳体模型，炸药和水统一划分网格，通过改变部分单元材料模型的方法，改变装药结构。因此，两个有限元分析模型中，除中心抛撒炸药的装药结构不同以外，其它的有限元模型参数均相同。

(1)几何模型。因为战斗部为轴对称结构，为节约机时，采用1/4模型进行数值模拟，如图2所示。其中炸药、水和外壳的上底面、下底面为三维实体模型;外壳侧面为等厚薄壳结构，采用三维曲面模型，壳的厚度在定义SHELL 163单元时设置。

图2 划分网格后的战斗部三维模型

(2)划分网格。为保证分析计算的稳定性，外壳上底面、下底面、炸药、水在径向采用相同的划分方法。外壳侧面的周向网格数与上底面、下底面相同，以便于施加点焊约束。

(3)施加约束。由于采用1/4模型进行模拟，在模型的剖分面上施加固定边界约束以限制材料在剖分面以外的运动。另外，由于模型外壳的上底面、下底面和侧面分别采用不同的单元类型，网格划分后它们属于不同的部件(PART)，因此划分网格后，在壳体侧面与上底面、下底面结合处施加点焊接约束，将三者连接起来。

2.2 关键字文件的修改处理

建立有限元分析模型后，设置求解时间、输出选项等参数后即可生成关键字文件(jobname.k)。由于ANSYS前处理器无法定义炸药模型，需要修改关键字文件中相应的关键字，添加*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，*EOS_JWL，*INITIAL_DETONATION，*ALE_MULTI-MATERIAL_GROUP，*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID五个关键字，其中*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN定义抛撒炸药，*EOS_JWL定义爆生气体的JWL状态方程，*INITIAL_DETONATION设置炸药的起爆时间和起爆点的几何位置[5]，*ALE_MULTI-MATERIAL_GROUP定义火药气体和水的多物质运动，*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID将火药气体、水组成的多物质与灭火弹壳体通过罚耦合实现流固耦合。

修改关键字文件后，即可将该文件提交到LS-DYNA求解器进行求解计算。计算结束后可以利用LS-DYNA专用后处理器LS-PREPOST观察计算结果。

2.3 仿真结果分析

两种不同的装药结构控制爆轰波沿不同方向传播，从而制约爆轰产物质量和能量在不同的区域进行分布，灭火水剂被爆轰产物及爆轰能量加速，并随之抛撒出去。灭火弹灭火效果的好坏跟灭火剂被抛撒的方向和范围有很大关系。这里分别在两种灭火弹外侧自上而下均匀的取十个水剂节点，并对其抛撒过程跟踪分析，图3为两种灭火弹爆炸后470 μs时的效果图。

图3 爆炸470 μs时效果图

2.3.1 抛撒形状分析

图3是由1/4弹体模型通过对称面镜像后得到的完整弹体爆炸模型，右侧显示节点为选定的跟踪分析点。从图中可以看出，柱状装药模型爆炸后水剂随爆轰波呈球状往外辐射抛撒，水剂被均匀地抛向各个方向，有相当一部分水剂有向上抛撒的趋势，容易造成水剂云雾高度的增加。阶梯状装药模型中水剂的抛撒形状呈倒金字塔状，上部水剂节点主要沿径向抛撒，且速度较快，大部分水剂节点呈径向并稍向下的抛撒趋势，向上抛撒的趋势并不明显，这很有利于形成扁平状云雾。

2.3.2 节点径向抛撒分析

灭火弹的灭火面积与水剂的径向抛撒有很大关系，图4为水剂节点的径向抛撒速度曲线。图4(a)显示的柱状装药模型中，弹体最上端节点A和最下端节点J的径向速度一直在300 m/s以下，而其它的节点B，C，D，E，F，G，H，I径向速度均在300～400 m/s之间，说明除弹体两端外的大部分水剂节点都在以较高的速度沿径向向外抛撒，梯度性不强，势必会造成中心区域水剂浓度下降。图4(b)显示的阶梯状装药模型中，在1 500 μs以前，水剂节点抛撒速度大体分布在三个区域，弹体最下端水剂节点J的径向抛撒速度在300 m/s以下，节点A，E，F，G，H，I径向抛撒速度在300～400 m/s之间，而B，C，D节点的速度则分布在400～500 m/s之间，形成了明显的速度梯度，这很有利于在各半径范围内形成均匀浓度的水剂云雾。

图4 节点径向抛撒速度

2.3.3 节点轴向抛撒分析

灭火弹爆炸后，爆轰气体迅速膨胀，弹壳随之破裂，灭火水剂就随着爆轰产物迅速向外抛撒，灭火水剂沿灭火弹径向的抛撒规律及对灭火效果的影响，已经有过很多分析[6]，这里特别对灭火水剂沿灭火弹轴向的抛撒规律进行研究。图5和图6分别为两种不同装药结构的灭火弹爆炸后，灭火剂节点沿灭火弹轴向运动的速度历程曲线图和位移曲线图。

图5 节点轴向抛撒速度

图6 节点轴向抛撒位移

由图5(a)可知，柱状装药模型中，十个水剂节点的轴向抛撒速度以灭火弹中间轴截面为分界面分别向上下两个方向移动，速度大小近似成对称分布，越靠近两端的节点往上下两侧运动的速度越大，整个过程中始终有一半水剂节点轴向速度向上，因此就有一半的水剂节点向上抛撒出去。从图5(b)可以看出，阶梯装药的模型中A，B，C三个水剂节点轴向抛撒速度方向向上，其余七个水剂节点轴向抛撒速度均向下，其中A和J节点速度值较大在100～175 m/s之间，其余各节点速度值均在75 m/s以下，因此就有30%的水剂节点向上抛撒出去，有70%的水剂节点向下抛撒。

从图6中可以明显看出，柱状装药模型中，轴向抛撒位移分别向上、下两个方向的水剂节点各占50%，而阶梯状装药模型中，只有A，B，C三个节点轴向位移向上，其它水剂节点轴向位移均向下。将灭火剂打入火焰根部才更容易将火焰扑灭[7]，因此将尽可能多的灭火水剂抛撒到火焰根部就可以有效地提高灭火剂的利用率，从而提高灭火弹的灭火效能。柱状装药模型中只有一半的灭火水剂向下朝火焰根部抛撒，另外一半向上抛撒远离火焰根部，灭火效能被削弱造成浪费。阶梯状装药模型中有70%的灭火水剂向下朝火焰根部抛撒，用于提高灭火效能，只有30%的灭火水剂向上抛撒。因此，阶梯状装药结构更有利于将灭火水剂向下沿地面铺开，打入火焰根部，提高灭火弹的灭火性能。

3 总结

上述数值模拟结果表明，不同的装药结构对灭火水剂的抛撒作用有明显影响:首先，阶梯状装药结构能使灭火水剂在径向上形成速度梯度，有利于浓度均匀的云雾的形成;第二，阶梯状装药结构能使灭火水剂向下的抛撒量显著增加，这样就有利于将灭火水剂打入火焰根部，发挥更好的灭火作用。因此，在灭火弹的研究中应对阶梯装药的结构进行合理的优化设计，以利于灭火水剂以有利的形式抛撒，达到更好的灭火效果。

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