史志鑫，尹建平，王志军

(中北大学 机电工程学院， 太原 030051)

【弹药工程】

预制破片的形状对破片飞散性能影响的数值模拟研究

史志鑫，尹建平，王志军

(中北大学 机电工程学院， 太原 030051)

为了提高战斗部的作战毁伤性能，本文设计了一种将预制破片与EFP结合的战斗部。运用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件模拟了预制破片的飞散过程和战斗部中EFP的成型效果，比较了四种形状的预制破片对破片的飞散速度、战斗部中装填预制破片数量和破片飞散效果的影响。研究结果表明：当战斗部的装药结构尺寸一定，单个预制破片的质量一定，而形状不同时效果不同。形状为球形，战斗部中能够装填预制破片的数量最少，预制破片的平均速度最高；形状为三棱柱，战斗部的中能够装填预制破片的数量最多，预制破片的平均飞散速度最低。正方体预制破片飞散的整体效果较为整齐，三棱柱预制破片的飞散较为密集。将预制破片战斗部与EFP战斗部结合的战斗部结构，药型罩对预制破片飞散速度有一定的影响，而药型罩的存在也会影响爆轰波在药柱中的传播。

EFP；预制破片；数值模拟

随着预制破片战斗部以及EFP战斗部发展的日益成熟，将预制破片与EFP用于同一战斗部的方法也发展起来。预制破片战斗部克服了自然破片战斗部壳体爆炸后不能全部形成有效破片的缺点。EFP战斗部利用成型装药聚能效应能有效的对装甲以及钢筋混凝土等防御工事进行有效毁伤，所以将预制破片战斗部与EFP战斗部结合会很大程度上提高战斗部的毁伤效应。

预制破片战斗部能够根据作战要求对预制破片的大小、材料和形状等影响毁伤效能的因素进行选择，做到最大限度的发挥战斗部的作战性能。吴宏斌等人[1]利用ANSYS/LS-DYNA仿真软件对定向预制破片战斗部的研究做了一定研究，得出关于破片飞散等一系列的结论。魏峰[2]对预制破片的分散动态和预制破片在空气中的衰减进行了研究。韩夫亮[3]对预制破片战斗部爆炸威力场进行了研究，分析了预制破片在爆轰波的驱动下的相互碰撞过程。EFP战斗部是利用成型装药技术并采用大锥角的药型罩，战斗部起爆后利用炸药起爆后产生的能量把药型罩压垮或反转成飞行速度较高的EFP，飞行速度较高的EFP利用自身的动能侵彻靶板[4]。侯云辉[5]利用数值仿真的方法对影响EFP成型的因素进行了分析，提出了复合壳体的设想。耿梓圃[6]分析了EFP以及破片的成型机理，通过设置不同的起爆点实现了战斗部模式的转换。本文结合预制破片战斗部和EFP战斗部的特点，提出了将EFP战斗部与预制破片战斗部结合的战斗部结构。在原有预制破片的基础上，在战斗部的轴向加装药型罩，这样在提高有效破片率的同时能够提高战斗部对装甲以及混凝土等防御工事的毁伤效能。本文主要分析了预制破片的形状对破片性能的影响。

本文利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件对预制破片战斗部毁伤元成型进行了数值模拟，模拟了不同形状预制破片的飞散过程。分析了破片形状对破片飞散性能的影响。

1 计算模型

1.1 战斗部的结构及几何模型

战斗部的结构如图1和图2所示。本文分析的战斗部的直径为122 mm，壳体壁厚为3 mm，内衬的厚度选取为2 mm。装药为B炸药，装药高度选为126 mm，装药的直径为98 mm。本文选取的药型罩为球缺形药型罩，球缺形药型罩的曲率半径为90 mm，厚度为7 mm。

图1 预制破片战斗部结构四分之一模型示意图

图2 预制破片战斗部结构图

本文分析球形预制破片、立方体预制破片、圆柱预制破片以及三棱柱预制破片的飞散特性。为了便于分析不同形状预制破片的飞散时的动能，本文将四种不同形状的预制破片体积统一选取为179.6 mm3。四种预制破片的尺寸如图3～图6所示。

图3 球形预制破片有限元模型及其尺寸示意图

图4 正方体预制破片有限元模型及其尺寸示意图

图5 圆柱预制破片有限元模型及其尺寸示意图

图6 三棱柱预制破片有限元模型及其尺寸示意图

1.2 有限元模型的建立及网格的划分

本文应用了数值建模软件TureGrid进行模型建立，建立预制破片战斗部的有限元模型如图7所示。网格单元选取八节点六面体单元。在建立药型罩和装药药柱时，按照1 mm3一个单元建立。战斗部的壳体为厚度3 mm 外径122mm的薄壁圆桶，有限元模型有45 360个单元，61 200个节点。战斗部的内衬为厚度2 mm外径102 mm的薄壁圆桶，有限元模型有30 240个单元，45 900个节点。装药药柱有限元模型有475 266个单元，632 541个节点。药型罩有限元模型有25 892个单元，37 896个节点。本文所分析的四种形状的预制破片单个有限元模型的单元个数和节点个数为：在建立有限元模型的时，一个球形预制破片有256个单元，321个节点；一个立方体预制破片有216个单元，343个节点；一个圆柱预制破片有288个单元，399个节点；一个三棱柱预制破片有336个单元，488个节点。四种预制破片的有限元模型如图3～图6所示。

1.3 材料模型及参数

战斗部壳体材料选取的为4340钢，4340钢用MAT_PLASTIC_KINEMATIC的材料模型，主要参数为：密度为7.83 g/cm3、弹性模量为220 GPa、泊松比为0.22。内衬材料选取铝合金，铝合金用MAT_JOHNSON_COOK的材料模型，用EOS_GRUNEISEN状态方程进行描述，主要参数为：密度为2.77 g/cm3、弹性模量为72 GPa、剪切模量为27.07 GPa。炸药材料选取B炸药，B炸药用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN的材料模型，用EOS_JWL状态方程进行描述，主要参数为：密度为1.82、爆速为8480 m/s、C-J压力为34.2 GPa。药型罩的材料选取铜，铜用MAT_JOHNSON_COOK的材料模型，用EOS_GRUNEISEN状态方程进行描述，主要参数为：密度为7.87 g/cm3、弹性模量为200 GPa、剪切模量为81.8 GPa。战斗部装填的预制破片的材料选取为45钢，45钢用MAT_ELASTIC的材料模型，主要参数为：密度为7.83 g/cm3、弹性模量为220 GPa、泊松比0.22。

图7 预制破片战斗部结构的有限元模型

2 数值模拟及模拟结果分析

2.1 破片的理论初速

破片的初速对于预制破片战斗部的毁伤性能有着重要的影响。本文中所分析的四种形状的预制破片在战斗部中均为单层排列。本文应用Gurney公式计算破片的理论初速值。对于战斗部的结构，Gurney公式为：

2.2 数值模拟

对于预制破片战斗部，预制破片的形状对战斗部的毁伤性能有着重要的影响。当战斗部起爆后，爆轰波从起爆点向四周传播，爆轰波首先驱动距离起爆点近的一层预制破片，随着爆轰波的传播，预制破片被逐层驱动。当爆轰波传到战斗部底部时，爆轰波开始压垮药型罩形成EFP，与此同时，爆轰波被反射回传来的方向，再一次对预制破片进行驱动。传来的爆轰波与被反射的爆轰波在战斗部的中部叠加导致战斗部中部的预制破片的速度相对较大。表1中的数据均为预制破片在战斗部内单层排列，从中可以看出三棱柱的排列数量最多为1 530个，三棱柱的预制破片能充分利用战斗部壳体与内衬之间的空间，所以在战斗部尺寸和单个预制破片质量一定的情况下，能够排列较多的预制破片。对于球形预制破片排列的数量，因为在球形破片与球形破片之间留有较大的闲置空间没能充分利用战斗部壳体与内衬之间的空间，所以在战斗部尺寸和预制破片质量一定的情况下，球形预制破片排列的数量较少。从不同形状的预制破片飞散速度上看，球形预制破片飞散时的平均速度最高为2 029.4 m/s，三棱柱预制破片飞散的平均速度最低为1 508.1 m/s。从图8、图9、图10、图11中可以看出四种形状的预制破片在80时破片的飞散速度不在加速，基本稳定。对于这四种形状的预制破片，速度较高的预制破片都位于战斗部中间的位置，战斗部两端的预制破片速度较低，速度最低的预制破片位于药型罩一侧。数值模拟出的预制破片的飞散速度比理论计算的速度高。

图8 圆柱预制破片速度随时间变化的曲线

图9 球形预制破片速度随时间变化的曲线

图10 立方体预制破片速度随时间变化的曲线

图11 三棱柱预制破片速度随时间变化的曲线

破片形状破片个数/个最低速度/(m·s-1)最高速度/(m·s-1)平均速度/(m·s-1)圆柱20×56=1120 829．182094．01810．0球18×48=8641273．202371．32029．4正方体22×56=1232 981．802035．31736．3三棱柱17×90=1530 754．2117911508．1

从4种不同形状预制破片的飞散效果出发，观察图12、图13、图14、图15我们可以看出。圆柱形预制破片的飞散情况与球形预制破片的较为相似，爆轰波从顶部沿轴向向下传播驱动破片向径向传播，在飞散的过程中预制破片列与列之间仍有较大的空隙。正方体形预制破片飞散的整体效果较为整齐，炸药起爆后爆轰波对正方体的一个平面进行驱动而且正方体形预制破片的质量分布均匀，而对于圆柱形预制破片和球形预制破片，爆轰波对其曲面进行驱动，所以正方体形预制破片飞散效果较圆柱形预制破片和球形预制破片的飞散效果整齐。对于三棱柱形预制破片，破片的飞散密集度较另外三种形状的预制破片好，这样有利于提高破片命中目标的命中率，因为爆轰波驱动三棱柱的初期，三棱柱与三棱柱之间也有径向的驱动力，飞散时的应力分布较其他三种形状预制破片复杂。

图12 球形预制破片起爆后t=100时的飞散情况

图13 圆柱预制破片起爆后t=100时的飞散情况

图14 正方体预制破片起爆后t=100时的飞散情况

图15 三棱柱预制破片起爆后t=100时的飞散情况

3 结论

对于球形预制破片、圆柱形预制破片、正方体预制破片、三棱柱预制破片，当战斗部的装药结构尺寸一定，单个预制破片的质量一定的时候，预制破片的形状为球形，战斗部中能够装填预制破片的数量最少，预制破片的装填数量为864个，但预制破片的平均速度是最高的，速度为2 029.4 m/s；预制破片的形状为三棱柱，战斗部的中能够装填预制破片的数量最多，预制破片的装填数量为1 530个，但是预制破片的平均飞散速度是最低的，为1 508.1 m/s。比较四种形状的预制破片的飞散效果，正方体预制破片飞散的整体效果较为整齐，三棱柱预制破片的飞散较为密集。

对于本文论述的将预制破片战斗部与EFP战斗部结合的战斗部结构，药型罩对预制破片飞散速度有一定的影响，战斗部中靠近药型罩的一侧预制破片的速度最低，而且药型罩的存在也影响爆轰波在药柱中的传播。

[1] 吴宏斌,陈智刚,裴思行,等.聚焦式定向预制破片战斗部数值模拟研究[J].弹箭与制导学报,2005,25(3):497-500.

[2] 魏峰.某战斗部预制破片设计及破片威力数值模拟[D].沈阳:东北大学,2010.

[3] 韩夫亮.预制破片战斗部爆炸威力场数值模拟分析[D].长春:吉林大学,2006.

[4] 王树山.终点效应学[M].北京：国防工业出版社，2000.

[5] 侯云辉.某EFP战斗部的数值模拟与试验研究[D].南京:南京理工大学,2012.

[6] 耿梓圃.模式转换战斗部EFP/破片毁伤元成形特性[D].北京:北京理工学,2015.

[7] 尹建平, 王志军. 弹药学[M]. 北京理工大学出版社, 2015.

[8] 孙加肖,尹建平, 王志军，等.起爆方式对变壁厚药型罩形成毁伤元影响的数值仿真[J].爆破器材，2017,46(2)：16-20.

[9] 尹建平, 付璐，王志军，等.药型罩参数对EFP成型性能影响的灰关联分析[J].解放军理工大学学报(自然科学版)，2012,13(1)：101-105.

[10] 周栋，王志军，吴国栋,等.曲率半径和壁厚对EFP成形性能的影响[J].华北工学院学报，2004,25(1)：39-42.

NumericalSimulationoftheInfluenceofPrefabricatedFragmentsShapeonFragmentScatteringPerformance

SHI Zhixin， YIN Jianping， WANG Zhijun

(School of Mechatronic Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

In order to improve the combat damage performance of warhead,this paper designs a warhead that combines prefabricated fragments with EFP,ANSYS/LS-DYNA finite element analysis software was used tosimulate the scattering process of prefabricated fragments and the forming effect of EFP in warhead,the influence of the four kinds of prefabricated fragments on the velocity of the fragment, the number of the prefabricate fragments and the scattering effect of the fragment were compared.The results showthat: for spherical prefabricated fragments, cylindrical prefabricated fragments, cubes prefabricated fragments, triangular prism prefabricated fragments,when the warhead charge structure size is certain, the quality of single precast fragment is certain,when the shape of the prefabricated fragments is spherical,the number of prefabricated fragments is the least in warhead, but the average speed of the prefabricated fragment is the highest;the shape of the prefabricated fragments is triangular prism,the number of prefabricated fragments in the warhead is the highest, but the average flying speed of the prefabricated fragments is the lowest.Compare the scattering effect of four preformed fragments,the overall effect of cube precast fragmentation is relatively orderly,triangular prism prefabricated fragments of the scattering is more intensive.The warhead of combines the precast fragment warhead with the EFP warhead,the liner has a certain influence on the velocity of precast fragmentation,the existence of the liner also influences the propagation of detonation wave in the drug column.

EFP; prefabricated fragments; numerical simulation

2017-08-09；

2017-08-30

国家自然科学基金资助项目(11572291)；山西省研究生联合培养基地人才培养资助项目(20160033)

史志鑫(1993—)，男，硕士研究生，主要从事弹药工程与毁伤技术研究。

10.11809/scbgxb2017.12.008

本文引用格式：史志鑫，尹建平，王志军.预制破片的形状对破片飞散性能影响的数值模拟研究[J].兵器装备工程学报，2017(12):31-35.

formatSHI Zhixin，YIN Jianping，WANG Zhijun.Numerical Simulation of the Influence of Prefabricated Fragments Shape on Fragment Scattering Performance[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(12):31-35.

TJ413

A

2096-2304(2017)12-0031-05

(责任编辑周江川)