椭圆截面战斗部爆炸驱动破片作用过程的数值模拟

为研究爆轰驱动下椭圆截面自然破片杀伤战斗部壳体的膨胀破裂过程以及壳体破片径向速度分布,建立了椭圆截面战斗部三维模型。通过AUTODYN-3D软件,采用Lagrange算法模拟爆轰驱动下椭圆截面自然破片战斗部壳体的膨胀断裂过程,研究了端面单点中心起爆方式下短长轴断裂时间差与短长轴比的关系,以及不同起爆点、不同短长轴比和不同装填比(即装药与壳体质量之比)对椭圆截面战斗部径向破片速度分布的影响。结果表明:与端面中心单点起爆、端面长轴双点偏心起爆和端面短长轴四点偏心起爆相比,端面短轴双点偏心起爆方式对椭圆截面战斗部壳体破片径向速度的增益效果最好。装填比一定时,短、长轴断裂时间以及短、长轴断裂时间差与短长轴比呈线性关系,战斗部壳体膨胀过程中截面形状的实时短长轴比与加载时间呈线性关系;随着短长轴比的增大,战斗部壳体破片径向速度增益逐渐减小。短长轴比一定,装填比小于1时,破片速度随方位角增大呈正弦趋势上升,且短、长轴方向破片速度差与装填比呈线性关系。     

破片式战斗部破片与冲击波相遇位置研究

为研究破片式战斗部爆炸后破片和冲击波两种毁伤元的相遇位置,先通过ANSYS/LS-DYNA对破片式战斗部的爆炸过程进行数值计算,再通过试验的方法测量破片和冲击波相遇位置,验证了数值计算方法的合理性。在此基础上,分析了装填系数、破片质量、爆速和爆热对相遇位置的影响。结果表明:随着装填系数、破片质量、爆速和爆热的增加,相遇位置减小;装填系数增加31%,相遇位置距爆炸中心的距离减小11.5%;单枚破片质量增加1倍,相遇位置距爆炸中心的距离减小2.4%。     

柱状装药预制破片缩比战斗部爆炸冲击波和破片的作用时序

针对柱状装药的周向预制破片战斗部,结合无量纲分析方法和爆炸驱动理论,确定了影响破片和冲击波相遇位置的关键参数,给出了由缩比战斗部推广预测原型战斗部爆炸产生的破片冲击波作用时序的方法。采用ANSYS/LS-DYNA有限元软件进行数值模拟,对比验证了理论分析和数值试验结果,分析了战斗部缩比比例对冲击波和破片作用时序的影响。结果表明:缩比模型与原型战斗部爆炸产生的破片和冲击波的相遇位置之比和相遇时间之比主要取决于两模型的质量比,在不考虑破片速度衰减时,两模型中载荷相遇位置之比和相遇时间之比等于其质量比的0.33次方。受破片速度衰减影响,该方法仅适用于质量缩比不小于0.2的模型。     

聚焦式战斗部破片轴向飞散控制技术

为研究聚焦式战斗部在炸药驱动下破片的轴向飞散特性,提高其轴向杀伤威力,以Shapiro公式为理论指导,对聚焦式战斗部壳体母线进行设计,并对战斗部装药结构进行优化改进。利用LS-DYNA有限元程序及ALE算法对战斗部的爆炸过程进行模拟,以破片轴向分布为指标,对装药结构、壳体母线曲率与破片飞散特性的关系进行了分析。结果表明,"工"字形圆台装药和壳体母线曲率能够有效控制战斗部破片的轴向飞散,并得到了圆台的合理高度。此结果对于深入开展战斗部的破片飞散方向控制及应用研究提供了重要参考。     

不同不耦合系数下花岗岩爆破损伤特性的离散元模拟

为研究径向装药不耦合系数对花岗岩爆破损伤程度的影响,在考虑爆炸冲击波和爆生气体共同作用的基础上,提出了一种"动"、"静"荷载混合施加的PFC爆破模拟方法,采用该方法分别进行了6种不耦合系数下花岗岩爆破过程的数值模拟。模拟结果显示,随着装药不耦合系数的增大,花岗岩爆破损伤程度先增强后减弱。耦合装药下,爆生裂纹数量为9367;不耦合系数为1.2时,裂纹数量增加至最多,为24975;不耦合系数为2.0时,裂纹数量减少为292。对比耦合装药和不耦合系数为1.4时的花岗岩损伤模式发现,爆生气体的准静态压力对爆生裂纹的扩展具有重要作用。根据不同不耦合系数下的爆生裂纹数量,建立了不耦合系数大于或等于1.2时的岩石爆破损伤程度预测模型,拟合度达0.9808。该预测模型对爆破施工设计等工作具有一定的参考意义。     

预制破片与轻质壳体阻抗匹配对破片初速及完整性的影响

依据杀伤战斗部装药对破片爆轰加载过程的特征,设计了与其较为相似的滑移爆轰单元结构实验模型,采用闪光X射线照相方法获得了预制破片和轻质壳体在两种典型排布顺序下的破片初速及破损情况,并结合应力波传播理论对实验结果进行了分析。结果表明:破片外置时,初始应力波由低阻抗金属材料向高阻抗金属材料传播,破片受到壳体传入的冲击波及空气传入的拉伸波作用,初速较高,轻微破损;破片内置时,初始应力波由高阻抗金属材料向低阻抗金属材料传播,虽然破片受到爆轰产物传入的冲击波及壳体反射的拉伸波作用,但初速相对偏低,易发生破损,甚至有明显层裂现象。     

起爆方式对复合战斗部毁伤输出的影响

为了进一步提高复合战斗部的毁伤输出效率,基于一种可形成聚能侵彻体、预制破片和自然破片3种毁伤元的破甲杀伤复合战斗部结构,应用LS-DYNA数值仿真软件,研究了起爆点位置、起爆直径和起爆点数量对复合战斗部各毁伤元成型和能量输出的影响,讨论了实现战斗部毁伤威力可调的技术路径。结果表明:起爆点距药型罩越远、数量越多、起爆直径越大,由药型罩形成的聚能侵彻体的头部速度越高,头尾速度差和长径比越大,速度增益最高可达50%,可以实现爆炸成型弹丸(EFP)到聚能杆式侵彻体(JPC)转换;在装药内部轴线阵列多点起爆时,聚能侵彻体的成型基本仅与离药型罩最近的起爆点有关。对于预制破片,装药高度60 mm(P2)处起爆速度最快,增加起爆点数量和增大起爆直径可以有效提高预制破片的最高速度,但整体上最低速度仍在600 m/s上下波动,变化并不显著。对于壳体形成的自然破片,以平均速度来表征时,整体变化并不明显,速度增益不足10%,但合理的起爆方式可使壳体断裂形成的自然破片更均匀,有利于调整破片质量分布。通过控制起爆方式可在一定程度上实现复合战斗部毁伤威力可调,但对于破片速度的调控仍需进一步研究。     

运动装药空中爆炸冲击波特性研究

利用AUTODYN对不同速度装药的空中爆炸冲击波场进行数值计算,定量研究运动装药空中爆炸冲击波场特性。仿真结果表明:装药速度对冲击波场的时空分布有较大影响,爆炸初期冲击波场的移动速度和位移与装药速度正相关;动爆冲击波场为空间非均匀分布,超压值随着与装药运动方向夹角的增大近似呈余弦变化,由大于静爆超压值逐渐降低为小于静爆超压值,且变化幅度均随装药速度的增加而增大。最后,分析了动爆与静爆冲击波场的关联特性,建立了动爆冲击波超压的工程计算模型,模型计算结果与动爆试验结果及仿真计算结果吻合较好。     

极小装药爆炸驱动两级重载荷研究

根据瞬时爆轰理论,在极小装填比(C/M)条件下进行了小质量装药驱动大质量载荷运动研究,理论分析了弱约束和强约束装药条件下载荷驱动速度。弱约束装药条件下在格尼方程基础上通过考虑装药壳体径向飞散获得二维炸药驱动载荷运动的计算模型,强约束条件下按照爆轰产物等熵膨胀理论获得大质量载荷驱动速度的计算模型。开展了两种约束条件下爆炸驱动大质量载荷的运动试验研究,弱约束条件下,载荷驱动速度随着装药长径比减小而增大;强约束条件下,载荷驱动速度随着装药量增加而增大,随装药腔体与运动腔体直径比增大而增大。     

可变形战斗部弹体变形型面研究

基于炸药瞬时爆轰理论,将战斗部变形阶段的结构简化为辅助装药,对等效圆柱壳体实施爆轰加载,并在等效壳体上的加载段引入若干个塑性铰,相应地将辅助装药划分成与塑性铰相对应的若干个独立微元。针对均匀加载下等效壳体的原始位移分布,采用具有能量分布梯度的辅助装药加载进行匹配,设计出能实现D型型面的辅助装药形状,最后通过数值模拟进行验证。结果表明,采用该形状的辅助装药能实现较理想的D型弹体变形型面。     

杀爆战斗部冲击波超压与破片初速度计算分析

当用Gumey方程计算爆破战斗部破片初速度时，通常仅考虑单纯的球形战斗部或单纯圆柱形战斗部，而这里假设爆轰是瞬时的、均匀膨胀的爆轰产物在壳体内均匀分布，等壁厚壳体在爆轰产物作用下形成的所有破片具有相同初速度等条件下，放松对圆柱壳体在爆炸膨胀过程中轴向不伸长的限制，如图1所示，利用能量守恒等原理推导了“半球壳 圆柱壳 平底板”     

高压气体载荷下预制破片与空气冲击波的运动关系

冲击波与破片的运动关系直接决定两者对目标的联合毁伤效果,采用有限体积方法和网格自适应技术,对高温高压气体载荷作用下圆形刚体破片的运动规律、冲击波的衰减规律以及两者的运动关系进行了数值模拟研究。结果表明,高温高压气团形成的冲击波与破片作用发生反射和透射,在破片前后形成的压力差是导致其加速的主要原因。在破片数量一定的情况下,破片距离高温高压气团中心越远,初速越小。当破片与高温高压气团中心的间距相同时,破片数量越多,初速越大。同时研究发现,冲击波与刚体球存在复杂的追逐关系:当初速较大时,破片和冲击波相遇两次;初速减小时,二者相遇一次;初速进一步减小时,二者不能相遇。冲击波与刚体球破片的前后关系将会影响它们对目标的毁伤是否存在耦合关系。     

一体式多爆炸成型弹丸的成型及侵彻性能

为了提高一体式多爆炸成型弹丸(MEFP)的成型效果及侵彻能力,通过数值模拟分析了药型罩形状及壁厚、壳体厚度、起爆方式、破片支架对其成型及速度的影响,在此基础上给出了一种一体式MEFP战斗部,通过实验验证了该一体式MEFP战斗部结构的成型、散布特征及侵彻性能。结果表明:该战斗部可形成17枚聚能杆式弹丸(JPC),且单个JPC形状、飞行方向稳定,飞散角为14.5°,与实验结果14.8°吻合良好;该MEFP战斗部可对12mm厚的603装甲钢靶板造成有效毁伤。     

串联战斗部不同介质组合的隔爆能力

为了有效提升串联切割战斗部隔爆结构衰减爆炸冲击波的性能,解决前级聚能装药结构与后级随进弹的匹配及隔爆问题,在前级切割器和后级随进弹之间加装隔爆结构,使用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA建立模型,进行不同组合结构隔爆性能的数值模拟,比较隔爆能力。模拟结果表明:前级装药起爆后,爆炸冲击波首先向后级随进弹头靠里区域汇聚,而不是向弹头尖端区域汇聚,因此可以适当减薄外层金属隔爆介质头部尖端区域;将外层金属由硬质钢改成铝时,后端壳体应力峰值的变化很小,故确定外层金属介质为铝;铝-聚脲的隔爆能力优于铝-泡沫铝结构,最终确定"软"隔爆介质为聚脲。通过调整铝和聚脲层的厚度,确定了最佳隔爆参数,能够满足实际应用。     

冲击波作用下引信传爆序列殉爆的数值模拟

为研究不敏感弹药或不敏感引信在战备和后勤贮存过程中的殉爆现象,利用装填JH-14C传爆药的某引信传爆序列,开展了冲击波作用下的殉爆数值模拟研究,获得了引信传爆序列爆轰波成长历程、传播规律以及临界殉爆距离,建立了冲击波能量判据,并给出了殉爆条件。结果表明:冲击波由传爆药左上向右下传播,在最右下端面处起爆,引信传爆序列的临界殉爆距离为9.7 mm;当作用冲击波能量大于临界起爆能量时,引信传爆序列发生殉爆。     

起爆方式对非圆截面装药结构释能特性的影响

为了研究不同起爆方式下非圆截面装药结构的释能规律,采用AUTODYN软件开展了非圆截面装药结构在不同起爆方式下的释能特性数值模拟,分析了起爆方式对爆轰波形演变、破片质量、破片初速的影响。结果表明：由于装药结构的特殊性,采用端部单点起爆时装药能量分布不均匀,部分区域产生大量的无效小质量破片,且不同位置处的破片初速波动较大;采用端部两点和端部三点起爆时,能够对爆轰能量起到匀化效果,减少无效破片数量,提升破片初速的一致性。由此证明通过调整起爆方式可以对非圆截面装药结构的能量输出结构进行有效调控,对其周向能量场起到匀化效果。     

可变形定向破片战斗部在不同展开模式下的性能数值模拟

为使战斗部具有多种定向毁伤模式并实现一定程度上的可控毁伤,提出了一种扇形装药的可变形定向破片战斗部,该战斗部可实现轴向展开和侧向展开2种模式。采用AUTODYN软件进行破片场的数值模拟。首先,基于战斗部单元体分析获得了距离轴心25 mm处的最佳起爆点位置;其次,对整个战斗部进行分析,在轴向展开模式下分析了轴向展开角度对破片飞散速度、破片数目和破片空间分布的影响,发现轴向展开角在60°～75°范围内毁伤效果较佳;最后,在侧向展开模式下分析了整个战斗部的破片速度和破片空间分布情况,结果表明破片具有明显的定向飞散特性。     

爆炸作用驱动液体抛撒初始阶段数值仿真

 针对灭火战斗部引战配合设计,研究爆炸作用驱动液体（水基灭火剂）抛撒初始阶段的特性。依据典型灭火战斗部的结构建立数值仿真模型,采用LS-DYNA软件进行仿真计算,分别获得了加载系数（驱动装药与液体的质量比）对壳体破裂时间和壳体破裂初期液体/空气界面运动速度的影响规律,以及液体/空气界面后续的运动特性。进行了同条件下爆炸驱动水基灭火剂抛撒实验,得到了不同加载系数条件下壳体破裂初期液体/空气界面的运动速度。实验结果与数值仿真结果吻合良好,表明所采用的数值仿真方法具有正确性和有效性,对相关问题的研究具有重要参考价值。     

不同水底介质对有限域中装药沉底爆炸特性的影响

通过开展装药沉底爆炸原理性实验研究,得到了不同水底条件对装药沉底爆炸气泡运动和冲击波压力的影响规律:沉底装药水下爆炸气泡通常呈半球形,依附在水底并同时急剧膨胀达到最大半径,随后气泡做收缩运动并连带水底介质颗粒迅速上浮,同时形状发生显著变化,如在石底和泥底时气泡在水底射流的作用下呈蘑菇状上浮,砂底时气泡则呈现出柱状上浮、未出现明显脉动运动即已坍塌破裂;沉底爆炸与水底介质发生强烈耦合作用而形成不同程度的反射波,通常水下石底的反射冲击波较泥底和砂底更强烈,且一般迭加后的冲击波峰值压力高于入射波阵面压力;不同水底介质条件下,装药与水底发生的强烈耦合作用均对水底造成强冲击破坏。     

发射载荷下温压战斗部装药内的瞬时间隙

 发射载荷下战斗部的安全性理论是武器研究领域中的重要课题。通过发射过载数值模拟、力学分析,对温压药剂在发射过载条件下的响应规律进行了探索,为温压药剂应用于过载发射武器平台奠定理论基础。研究结果表明,发射载荷在战斗部底部和中部装药内产生的应力以压缩为主,由于战斗部壳体与温压装药的物理力学特性参数相差很大,壳体内的波速远大于温压装药的波速,因此在装药与壳体顶部的分界面处可能出现瞬时间隙,成为发射过程中出现早炸的“危险源”。