孙 韬，张国伟，齐 蕾

(1.中北大学 机电工程学院， 太原 030051； 2.山东特种工业集团有限公司， 山东 淄博 255201)

【弹药工程】

预制破片飞散规律的数值模拟研究

孙 韬1，张国伟1，齐 蕾2

(1.中北大学 机电工程学院， 太原 030051； 2.山东特种工业集团有限公司， 山东 淄博 255201)

为了获得动态条件下预制破片的飞散规律，建立了战斗部模型，利用ANSYS/LS-DYNA对战斗部静态起爆和动态起爆进行了数值模拟；通过对比分析得知：动态起爆条件下，破片获得的初速较高，飞散角较小，破片飞散较密集，但打击范围较小；研究结果可为预制破片战斗部的威力评估提供参考。

预制破片；动态起爆；数值模拟

预制破片战斗部是将已预先加工成型的破片，用某种特定的胶粘接在装药外的内衬上或战斗部壳体的内腔上以维持一定的形状，在炸药爆炸后飞散撞击毁伤目标[1-3]。破片初速、飞散角是衡量战斗部性能的重要参数。随着计算机的飞速发展，对预制破片展开了比较广泛的数值模拟研究，并取得了一定成果，如杨云川等[4]对不同起爆点起爆时预制破片的飞散情况进行了数值模拟研究；卢世杰[5]对不同形状、材料的预制破片的飞散特性进行了数值模拟研究。但战斗部速度对破片飞散情况的影响还没做具体的分析，因此，本文采用数值模拟方法，对战斗部动、静态起爆时其预制破片的飞散情况进行数值模拟分析，为今后预制破片战斗部的威力评估提供参考。

1 数值模拟

1.1 仿真方案的确定

本文以122 mm榴弹[6]为研究对象，榴弹初速为690 m/s，考虑到弹丸在飞行过程中存在速度衰减，因此，战斗部速度选取为450 m/s，方向竖直向下。如图1所示，本文对战斗部结构进行了简化，弹体结构为圆柱形，有端盖，战斗部仿真模型由炸药、内衬、预制破片、壳体和空气组成。炸药长度为158 mm，底面半径为46 mm；内衬壁厚5 mm，壳体壁厚5 mm；预制破片为直径4.7 mm的钨球，共39层，每层71个。起爆方式为底部中心起爆。

图1 战斗部仿真结构模型

1.2 材料模型与参数[7]

其中，炸药使用8701炸药，其密度ρ=1.7 g/cm3，爆速De=8 100 m/s，爆压PCJ=30 GPa，采用HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型及EOS_JWL状态方程描述，其基本形式为：

(1)

其中：p为压力；E为爆轰产物的内能；V为爆轰产物的相对体积；A、B、R1、R2和ω为待定常数，如表1所示。

内衬采用钢质材料、壳体采用铝合金材料，模型为PLASTIC_K-INEMATIC；预制破片采用钨合金，模型为ELASTIC；空气采用MAT_NULL模型。各材料主要参数如表2所示。

表1 8701炸药的主要参数

表2 各材料主要参数

2 数值模拟结果及分析

2.1 破片整体飞散情况

图2(a)、(b)所示分别为战斗部静态起爆和动态起爆情况下其预制破片的飞散情况，由模拟结果可知，预制破片整体飞散较均匀，战斗部中部破片速度较高，两端破片速度较低。

图2 破片飞散情况

2.2 破片初速分布规律

如图3所示，由于每层中的破片受力大小一致，故从下至上依次选取每层破片中的一个并进行编号研究，确定破片的飞散方向。

图4(a)、(b)所示分别为战斗部静态起爆和动态起爆条件下所选取破片的速度分布曲线，由图可知，静态起爆时，破片初速在80 μs时趋于稳定，最大速度为1 078 m/s，最低速度为487 m/s；动态起爆时，破片初速在70 μs时趋于稳定，最大速度为1 188 m/s，最低速度为510 m/s。

2.3 破片飞散方向及飞散角

同样的方法确定所选取的破片在轴线方向上的分速度，通过破片的速度与轴向分速度的关系可知破片的飞散方向，图5中的β为破片飞散方向角。

图3 预制破片的选取

图4 破片初速分布曲线

图5 破片飞散方向角

图6所示为战斗部不同起爆条件下破片飞散方向角的分布曲线，从图中可以看出，战斗部静态起爆时，破片飞散方向角主要集中在85°左右到95°左右之间；战斗部动态起爆时，破片飞散方向角主要集中在55°左右到70°左右之间。不论是静态起爆还是动态起爆，战斗部两端的破片由于受到端部效应的影响，分布相对比较离散，所以破片在飞散边缘处的分布密度较低。

由于战斗部的结构具有对称性，所选取的轴向39个预制破片，取其中90%的破片进行飞散角的计算，能够得出相对准确的预制破片飞散角。计算得出战斗部静态起爆时，预制破片飞散角为20.2°，动态起爆时预制破片飞散角为16°。在破片飞散过程中，由于破片之间相互碰撞，导致个别破片飞散角偏离较大。与静爆状态下相比较，动爆下破片的飞散角偏小，破片密集度较高，破片更集中的打击目标，但打击范围较静爆条件小。

图6 破片飞散方向角分布曲线

3 结论

1) 不论是静态起爆还是动态起爆，破片整体飞散较均匀；

2) 战斗部动态起爆时，破片初速较高，飞散角较小，能更集中地打击目标，但打击范围较小；

3) 可为预制破片战斗部的威力评估提供参考。

[1] 王儒策,赵国志.弹丸终点效应[M].北京：北京理工大学出版社，1993：78-128.

[2] 张国伟.终点效应及其应用技术[M].北京：国防工业出版社，2005：148-150.

[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,2008：1-7.

[4] 杨云川,厉相宝,万仁毅.预制破片初速和飞散角的数值模拟[J].弹箭与制导学报,2009,29(4):96-98.

[5] 卢世杰.预制破片战斗部破片飞散的数值研究[D].太原：中北大学，2015:18-51.

[6] 王靖君.从苏制两代122 mm榴弹炮的发展探讨我国火炮研制中的几个问题[J].太原机械学院学报,1987(4):95-101.

[7] 高元浩.榴弹战斗部动爆条件下毁伤评估方法研究[D].太原:中北大学,2016：31-46.

[8] CHARRON Y J.Estimation of velocity distribution of fragmenting warheads using a modified gurney method [R].Ohio，Air Force Institute of Technology，1979：40-42.

[9] 魏继锋,焦清介,吴成.预制破片战斗部试验与数值模拟研究[J].弹箭与制导学报,2004,24(3):39-45.

[10] 李翔宇,卢芳云.三中类型战斗部破片飞散的数值模拟[J].火炸药学报,2007,30(1):44-48.

NumericalSimulationStudyontheRuleofPrefabricatedFragmentsFlying

SUN Tao1， ZHANG Guowei1， GUO Shuai2

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

In order to obtain the dynamic characteristics of the prefabricated fragments in dynamic conditions,the model of the warhead was established,the static initiation and dynamic initiation of warhead were simulated by using ANSYS/LS-DYNA;Through the comparative analysis:under dynamic initiation condition,the initial velocity of fragments are higher,the scattering angle is smaller,the fragments are more dense,but the hit range is smaller;The results can provide reference for the power evaluation of the prefabricated fragments warhead.

prefabricated fragments; dynamic detonation; numerical simulation

2017-09-22；

2017-10-10

孙韬(1992—)，男，硕士，主要从事弹药毁伤与效能评估研究。

张国伟(1968—)，男，教授，博士，主要从事弹药工程研究。

10.11809/scbgxb2017.12.011

本文引用格式：孙韬，张国伟，齐蕾.预制破片飞散规律的数值模拟研究[J].兵器装备工程学报，2017(12):45-47.

formatSUN Tao，ZHANG Guowei， GUO Shuai.Numerical Simulation Study on the Rule of Prefabricated Fragments Flying[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(12):45-47.

TJ410.33

A

2096-2304(2017)12-0045-03

(责任编辑周江川)