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预制破片战斗部破片初速计算公式

发布时间:2019-06-24 13:32 来源:未知 编辑:admin

  :Charran基于 次实验的结果,提出用0.8 片初速不高于0.9 倍的斯坦诺维奇模型预测值 ;文献[1,5]认为在等 条件下预制破片初速 预制破片战斗部破片初速计算公式 (北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室,北京100081) 1015 20 25 30 摘要:为准确计算预制破片战斗部破片的初速,针对周向紧密排列的扇形、立方体、柱形、 球形等破片类型的结构,采用 AUTODYN 软件对其爆炸驱动过程进行数值模拟,得到了破 片周向排列数量和间隙填充物等因素对破片初速的影响规律;基于 Gurney 假设和冲量原理, 结合数值模拟结果,建立了考虑预制破片类型的破片初速计算公式。该公式的计算结果经实 验验证较现有计算方法的结果准确,对预制破片战斗部设计和威力评估具有实用价值。 关键词:战斗部;预制破片;初速;数值模拟 中图分类号:TJ760.2 PredictiveFormula InitialVelocity ExplosivelyDriving Pre-formed Fragments Yin Likui, Jiang Jianwei (State Key Laboratory ExplosionScience Technology,Beijing Institute Technology,Beijing 100081) Abstract: predictaccurately initialvelocity preformedfragment warheads,five typical kinds preformed fragments, sphere,pole cube,sector, account;AUTODYN hydrocode fragmentsaround charge intersticeamong fragments; establishedbased Gurney’sassumptions impulsemomentum principle combining datafrom simulation. resultspredicted go well experimentresults powerevaluation warhead.Keywords: warhead; preformed fragment; initial velocity; simulation 引言预制破片是提高杀伤战斗部威力的有效方法,通常采用的破片类型有扇形、立方体、柱 形和球形,破片多装在内外衬间,破片间隙用粘结剂 (如环氧树脂)填充;战斗部起爆后, 爆轰产物经破片间隙较早泄露,导致预制破片初速比相同装填条件的整体壳体破片初速低 破片作为杀伤战斗部的主要毁伤元,其初速是衡量杀伤威力的重要指标,也是影响引战配合效率的主要因素,如何准确计算破片初速是战斗部设计和威力评估的重要问题。对预制 破片战斗部破片初速计算国内外学者作了不少工作,通常采用基于经典计算破片初速的 35 Gurney 公式或斯坦诺维奇模型的修正式 为装药质量与壳体质量比)按Gurney 公式计算预制破片初速 较整体或半预制破片初速低10%~20%。以上预制破片初速计算方法均未考虑破片形状对初 速影响,主要把预制破片初速限定在一个范围内,结果的准确度不高。本文采用理论推导和 40 数值模拟相结合的方法,建立了考虑预制破片形状和破片间隙填充物等因素的预制破片初速 计算公式,计算结果的准确度较高。 作者简介:印立魁,(1984-),男,博士生,主要研究方向:战斗部系统建模与仿真。 通信联系人:蒋建伟,(1962-),男,教授,博士生导师,主要研究方向:弹药战斗部系统与仿真。-1- dvpS dt S0代入式(1),可得 0.50.5 预制破片初速计算公式的推导以典型柱形装药预制破片结构为研究对象,假设如下[4]: 的方式单层紧密排布在柱形装45 药上,无内外衬套和破片间隙填充物; 装药瞬时爆轰,释放的能量全部用于破片和爆轰产物的飞散; (3)爆轰产物均匀膨胀,密度均一,其速度由中 扇形 立方形 柱形 球形 心到壳体线性分布,且与破片接触的爆轰产物的速 预制破片壳体示意图50 度与破片速度相同; Fig. shellconsists preformedfragment 爆轰产物不通过预制破片的间隙向外飞散。由冲量原理得到预制破片与爆轰产物的运动公式: 为壳体质量;C为装药质量,C 得到的装药等效质量;v为预制 破片的速度;p 为爆轰产物作用于壳体的压强;S 为爆轰产物作用于预制破片的有效面积。 为装药爆速,r0为柱形装药半径,0 为装药密度;r 为爆轰产物膨胀的半径;S0 形装药侧面表面积。将爆轰初始阶段膨胀规律 整理式(2)并积分,得到:取预制破片初速为 65式(4)后半部分即为计算自然破片初速的经典公式——斯坦诺维奇模型 v0 与自然破片初速v0 的关系 可知对扇形破片和破片特征尺度无限小的立方体、柱形破片有 0.8=0.89;对球形破片可按图 70 0.8=0.85。 因上述推导方法未考虑爆轰产物通过预制破片间隙 交错排列的球在圆柱上的投影Fig. sphere飞散,预测初速偏高;故假设以上所求 0.8 的值为各类破片的极限值,预制破片实际初速 -2- 按下式计算: 75 v0 v0由式(5)求取, 为初速修正因子,与预制破片形状、破片间隙及填充物等因素相关,其极大值 的具体形式通过分析下节对四类预制破片爆轰驱动的数值模拟结果确定。 不同类型预制破片爆轰驱动的数值模拟80 采用 AUTODYN 仿线]对各种破片工况的爆炸驱动过程开展数值模拟。如图 示,将扇形、立方形和柱形破片的爆轰驱动问题简化为二维平面应变问题,球形破片的爆轰驱动仿真简化为对破片特征段的仿真。因破片周向排列是轴对称的,能用四分之一模型,最 终确立仿线(以方形破片为例)。 交错排列的球形破片层特征段注:方扇形为径向高度与中央弧线长度相等的扇形 仿真中预制破片层的简化模型示意图85 Fig. preformedfragments arranged 仿线 Simulation model 数值模拟模型中破片层径向单层,周向紧密排列,周向破片数分 20、40、60、80、120 160六种情况,破片材料为钨合金(TUG.ALLOY);药柱半径 50mm,装药材料 COMP 9095 炸药(爆速 7980m/s);计算模型分破片间隙无填充物和填充环氧树脂(EPOXY RES)共 42 种工况。破片用 Lagrange 网格,装药、空气和破片间隙填充物环氧树脂用 Euler 网格,爆轰 产物与破片间的相互作用通过 Euler Lagrange流固耦合算法模拟。装药中心单点起爆。 给出数值模拟采用的材料模型,除为保持破片外形调大钨的屈服强度外,模型参数均为 AUTODYN 材料库中的默认值。 采用的材料模型Table Materialmodel simulation材料 密度(g.cm-3) 状态方程 强度模型 AIR 0.001225 Ideal Gas None COMP 1.717JWL None TUG.ALLOY 17 Shock Johnson Cook EPOXY RES 1.186 Shock None 对各工况数值模拟记录破片质量 、最大动能Ek 及装填比β,计算理论初速 v0 (5)),数值模拟初速v0 列于表2,并将周向破片排列数 100105 和初速修正值 kf 的数据点绘于图 从数值模拟结果可以发现,每种破片的初速修正值都随周向紧密排列破片数的增多而变大;在相同数量的周向破片排布时,扇形、立方形、柱形和球形破片的初速修正值依次降低; 对柱形和球形破片,间隙填充物能明显提高破片初速,且随周向破片数的增加而降低。 各工况下的装填比和初速修正值Table correctionfactor allsimulations 破片 无填充物填充环氧树脂 破片 无填充物填充环氧树脂 类型 方扇形 柱形 破片数 20 40 60 80 120 160 20 40 60 80 120 160 0.1150.273 0.433 0.596 0.937 1.267 0.150 0.358 0.576 0.788 1.218 1.650 kf 0.763 0.803 0.811 0.827 0.835 0.842 0.639 0.705 0.724 0.743 0.779 0.800 0.1470.351 0.562 0.768 1.189 1.605 kf 0.6990.745 0.753 0.768 0.792 0.818 类型 立方形 球形 破片数 20 40 60 80 120 160 20 40 60 80 120 160 0.1610.326 0.490 0.653 0.981 1.309 0.208 0.488 0.784 1.080 1.663 2.256 kf 0.721 0.774 0.791 0.803 0.827 0.834 0.459 0.532 0.557 0.616 0.656 0.679 0.1590.323 0.487 0.646 0.971 1.293 0.196 0.462 0.741 0.958 1.573 2.132 kf 0.721 0.775 0.792 0.815 0.831 0.844 0.566 0.606 0.620 0.683 0.696 0.713 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0.40.3 0.2 0.1 0.0 (有填充物)柱(有填充物) 球(有填充物) 2040 60 80 100 120 140 160 180 2040 60 80 100 120 140 160 180 周向破片紧密排列数量 破片间隙无填充物时的破片初速修正值Fig.5 correctionfactor nothingfilled 周向破片紧密排列数量 破片间隙填充环氧树脂时的破片初速修正值Fig.6 correctionfactor epoxy-resfilled 预制破片初速修正因子表达式的构建110 分析图 中的相关数据得到对应四类破片的式中各参数取值见表 3。拟合曲线%。 arcsinrc (r0rc ,r0为装药半径,rc 为柱形或球形的破片半径,l 为立方形破片 宽度和方扇形破片高度,计算时将 值舍去小数部分代入式(7,8)。120 -4- 10中各参数的取值 Table eachparameter Equ.10破片类型 扇形 方形 柱形 球形 kf 0.89 0.89 0.89 0.85 -1.11520.1922 -0.8077 0.2447 -0.4866 0.3104 -0.2623 0.3572 3.179.45 21.5021.06 因而确立仅考虑预制破片形状和间隙填充物因素的初速修正因子表达式 125 将式(9)代入式(6)即得预制破片的初速计算公式 1/2(10) 若对上式再引入文献[3,7]中的修正方法考虑端部效应,即可计算预制破片初速沿战斗部 轴向的分布。 130 实验验证为验证建立的预制破片初速计算公式的准确性,设计了图 带聚乙烯内衬的柱形预制破片战斗部模拟装置。其中装药为 36100 JH-2炸药(密度 1.72 8425m.s-1);预制破片有四种,分别为 4.9 4.8 的钨珠(密度17.88 依次对应周向破片数30、25、29 25,径向破片单层,轴向破片6-8 层,装填在药柱距起 135 2/3处,破片间充填环氧树脂;药柱的其余部分由 7mm 厚的硬铝壳体包覆;聚乙烯 内衬厚 1mm。采用梳状通靶测试方法测试预制破片的初速,梳状通靶放置在距爆心 3m 实验现场Fig.7 Experimental rounds Fig.8 Experimental scene 对每种预制破片工况进行三发试验。表 列出由试验结果求取的破片初速(由试验得到140 的平均速度修正为初速[8])、式(10)的初速计算值的和文献[1,3-5]的初速预测值。对比发现 式(10)的计算值与试验结果符合很好,且其预测误差仅为现有预测方法误差的四分之一,表 明本文提出的公式的计算结果的准确性更高,对预制破片战斗部设计和威力评估具有实用价 fnff 150-5- (试验平均) 式(10) 文献[1,3-5] 各试验方案破片初速测试结果与计算值的对比Table Comparativeresults initialvelocity prediction试验方案 破片初速/(ms-1) 预测误差/% 破片类型 测试值预测值 预测值 式(10) 0.129 729 702 829-933 -3.7 文献[1,3-5] 大于 13.7 4.94.8 0.1510.183 0.211 815 761 825 794 704 767 893-1004 976-1098 1040-1171 -2.6 -7.5 -7.0 大于 9.6 大于 28.3 大于 26.1 155 160 165 170 175 180 结论采用 AUTODYN 软件对周向紧密排列的扇形、立方体、柱形、球形等破片结构的爆炸 驱动数值模拟结果表明: (1)预制破片形状影响爆轰产物经破片间隙的泄露,在相同数量的周向破片排布时,从 扇形、立方形、柱形到球形,预制破片初速较相同装填比的整体壳体破片初速降低的幅度变 选用小尺寸预制破片,增加预制破片周向排列数目能减少其因爆轰产物泄露而造成的初速降低; 对球形和柱形预制破片,间隙填充物能显著提高初速;基于 Gurney 假设和冲量原理,结合仿真结果建立的预制破片初速计算公式的计算结果 经实验验证较现有的计算方法准确,对预制破片战斗部设计和威力评估具有实用价值。 另外本文预制破片初速计算公式的建立过程未考虑内外衬的影响和径向有多层破片的 情况,对高强度厚壳体和多层预制破片战斗部破片初速的计算结果的误差可能会变大。 [参考文献] (References) 尹峰,张亚栋,方秦.常规武器爆炸产生的破片及其破坏效应[J].解放军理工大学学报(自然科学版),2005,6(1):50-53. velocitydistribution fragmentingwarheads using modifiedgurney method[D],Canadian:Air Force Institue 蒋浩征.杀伤战斗部破片飞散初速V0 的计算[J].兵工学报, 1980(1): 68-79. CenturyDynamics Inc. AUTODYN theory manual (Revision 11.0)[M]. Century Dynamics Inc. ,2005. 战斗部破片初速轴向分布规律的实验研究[J].兵工学报,1987,(4):60-63. 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.-6-

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