您好、欢迎来到现金彩票网!
当前位置:现金扎金花 > 飞散角 >

多层球形预制破片战斗部破片初速场的计算模型 - 含能材料PDF

发布时间:2019-06-26 03:00 来源:未知 编辑:admin

  1.本站不保证该用户上传的文档完整性,不预览、不比对内容而直接下载产生的反悔问题本站不予受理。

  300 印立魁,蒋建伟 文章编号:10069941(2014)03030006 多层球形预制破片战斗部破片初速场的计算模型 印立魁,蒋建伟 (北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室,北京 100081) 摘要:为描述多层球形预制破片战斗部破片的初速分布,针对典型的柱形装药的多层球形破片结构,用 AUTODYN软件对其爆 炸驱动过程进行数值模拟,发现每层破片的初速周向规律性波动;每层破片的平均初速外层大于内层,其差异随破片层数的增多 和周向破片数的减少而增大;基于 Gurney假设和冲量定理进行理论推导,结合数值模拟结果,建立了破片初速场的计算模型。该 模型通过给出各层破片的平均初速及初速场的速度极值来表征初速场,其计算值与实验结果吻合较好。 关键词:爆炸力学;战斗部;多层球形预制破片;初速计算;数值模拟 中图分类号:TJ760.2;O389 文献标志码:A DOI:10.3969/j.issn.10069941.2014.03.006 片的初速,本研究针对典型的柱形装药的多层破片结 1引言 构,基于 Gurney假设和冲量定理推导了各层破片平 均速度的计算公式,结合数值模拟得到的破片层数和 杀伤战斗部常采用多层预制破片提高打击密度。 周向破片数对破片初速的影响规律,建立了破片初速 而球形预制破片因在战斗部中组装简单且速度衰减系 场的计算模型,其对文献[1]中的多层球形破片战斗 数小,在多层预制破片战斗部中应用较广。破片初速 部的破片初速分布计算结果与实验结果吻合较好。 是衡量杀伤战斗部威力的重要指标之一,也是影响引 战配合效率的主要因素,准确计算破片初速是进行战 2各层破片速度的计算公式推导 斗部设计和威力评估的基础。美国有学者[1]对多层 球形破片战斗部的破片初速分布进行过系统研究,结 圆柱形装药是最主要的战斗部装药形式;球形破 果显示外层破片的初速一般大于内层破片的初速,整 片一般装在药柱外的衬套间并用环氧树脂等粘结剂固 体破片的初速形成梯度较大的初速场,但其理论研究 化成型[4]。为建立各层破片初速的计算公式,针对 较少。国内对此尚缺乏研究:在文献方面仅见张志春 图1所示的柱形装药的多层球形破片结构建立如图 2 等[2] [3] 所示的多层破片模型,并作如下假设: 和时党勇等 对特定的多层预制破片战斗部结 构基于数值模拟做过一些工作,其结论不具普适性; (1)相同的球形破片按图2的方式(径向分层排 在工程计算方面通常假设所有破片的初速相同,把多 列,轴向交错排列)紧密排布在柱形装药上,有破片粘 层破片按质量等效为整体壳体,按 Gurney公式或斯 结剂,无破片层内外衬套; 坦诺维奇模型乘以修正系数计算,这种方法得到的仅 (2)装药瞬时爆轰,释放的能量全部用于破片和 是最外层破片的较大初速,以此作为整体破片的速度 爆轰产物的飞散; 必然高估战斗部威力。为量化多层球形破片战斗部破 (3)爆轰产物均匀膨胀,密度均一,其速度由中心 到壳体线性分布,且与破片接触的爆轰产物的速度与 破片速度相同; 收稿日期:20130724;修回日期:20130921 (4)爆轰产物不通过预制破片的间隙向外飞散; 基金项目:国家自然科学基金资助(11032002);国家重点基础研究发 展计划(2010CB832706);北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实 (5)爆轰驱动过程中,预制破片不变形,每层破片 验室基金(ZDKT1102) 以相同的径向速度飞散,并认为各层破片与最内层破 作者简介:印立魁(1984-),男,博士生,主要从事战斗部建模和数值模 片的速度比为不小于 1的定值;以 m,v(i=1,2 i i 拟研究。email:303644814@bit.edu.cn ……,n-1,n)分别表示从里到外计数的第 i层破片的 通信联系人:蒋建伟(1962-),男,教授,博导,主要从事弹药和战斗部 质量和径向速度,则 v/v=k=Const,k k 1; ≥ ≥ 系统和数值模拟研究。email:bitjjw@bit.edu.cn i 1 i i+1 i ChineseJournalofEnergeticMaterials,Vol.22,No.3,2014(300-305) 含能材料 www.energeticmaterials.org.cn 多层球形预制破片战斗部破片初速场的计算模型 301 (6)粘结剂有相同的径向飞散速度,且其速度为 依据惯例取最内层破片的初速为: 最内层破片速度的 k(k>1)倍。(未特别说明,文中各 D 0.8kη 0=v = C max (r r) (4) v  1 1r n 0 量的单位皆为 kg、m、s构成的国际单位。) → 22 槡 0.5+( km+km)/C ∑ i i f 槡 i=1 多层破片结构使爆轰产物作用于破片层的有效面积 S 较单层破片结构变大,其 0.8kη 的值较单层破片 槡 C max n 结构也相应变大,但难以量化;而( km+km)/C的 ∑ i i f i=1 值因 k和 k未知也不能确定。此处对 0.8kη 取 i 槡 C max 为有破片粘结剂的单层球形破片结构的值 n 0.2594 [6] 0.85(1-exp(-0.4895n )) ,对( km+km)/C ∑ i i f i=1 -1 取为 k=k=1时的值M/C= (M为破片和粘结剂的 i β 图1粘结剂固化的多层球形破片[5] 质量和),把这两个比实际值小的定值代入式(4)可得 [5] Fig.1Multilayeredsphericalfragmentscuredbybinder 最内层破片初速的近似值: 0 0.2594 v′=0.85(1-exp(-0.4895n ))× 1 f D -1 -1/2 (0.5+ ) (5) β 22 槡 D -1 -1/2 式中,n为最内层破片的数量;v= (0.5+ ) f 0 β 22 槡 [7] 即是计算自然破片初速的斯坦诺维奇模型 。 图2多层球形破片模型 0 将式(5)写为 v′=k(n)v,再由假设(5),则各 1 f 0 Fig.2Modelofmultilayeredsphericalfragments 层破片的初速计算公式为: 0 0 0 v=kv=k(n,n)v′=k(n,n)k(n)v (6) i i 1 i f 1 i f f 0 由冲量定理得到预制破片与爆轰产物的运动公式: 式中,k(n,n)与战斗部径向的破片层数 n、最内层破 i f n 1 片数 n和所求速度的层数 i有关。 (∑km+ C+km)dv=pS·dt (1) f i i f 1 i=1 2 0 0 破片场中破片的最大初速 v 和最小初速 v 的 式中,C/2为装药质量,为由假设3得到的装药等效质 max min 计算公式为: 量;mf为粘结剂质量;p为爆轰产物作用于破片的压 0 0 0 [v ,v ]=[k (n,n),k (n,n)]v′ 强;S为爆轰产物作用于预制破片的有效面积。再令 max min max f min f 1 (7) =[k (n,n),k (n,n)]k(n)v r为柱形装药半径, 为装药密度;r为爆轰产物膨 max f min f f 0 ρ 0 0 文中 k(n)、k(n,n)、k (n,n)和k (n,n)通称为 胀的半径;S为柱形装药侧面表面积。 f i f max f min f 0 将爆轰初始阶段膨胀规律 p= 2 6 -6 [4] 速度分布因子。因爆轰产物对破片层的驱动和内外层 ρDrr/8 和 S 0 0 = S代入式(1),整理可得: 破片的碰撞两个过程同时进行,对此过程理论建模比 η0 n 1 1 2 5 -6 较困难,速度分布因子的形式通过分析下节的数值模 km+ C+km vdv= Cr dr (2) ∑ i i f 1 1 D 0ηr ( i=1 2 ) 4 拟结果确定。 式中, 是破片周向排列数量及爆轰产物膨胀半径 r η 的因变量,D为装药爆速。 3爆轰驱动球形破片的数值模拟 当破片的尺寸和破片层的结构确定时必有常值 3.1数值模拟模型 + + k -6 -6 ∈(0,1)使 ηrdr=kη rdr,则对式(2) 采用 AUTODYN仿真软件对多层球形预制破片 C ∫ C max∫ 0 0 积分,整理可得: 的爆炸驱动过程开展数值模拟。考虑药柱无限长的情 5 况,如图3所示,把对多层球形破片战斗部的仿线kη r C max 0 v= 1- (r r) (3) 1 n ( ( ) ) 0 为不考虑内外衬的交错排列的破片层特征段的仿线+( km+km)/C r 槡 ∑ i i f (以4层,内层破片数为12的破片结构为例);经全模 槡 i=1 CHINESEJOURNALOFENERGETICMATERIALS 含能材料 2014年第22卷第3期(300-305) 302 印立魁,蒋建伟 型仿真结果验证,根据破片周向排列轴对称的特征,确 3.2数值模拟结果分析与数据处理 立四分之一仿线。 数值模拟显示,爆轰产物最先作用于内层破片,然 后经破片间隙溢出依次作用于外层破片;内层破片被 加速后通过碰撞将动能传递给外层破片;对相同层数 不同 n的破片层爆轰驱动的数值模拟结果相似,以 f n=40为例图 5给出其数值模拟结果。如图 5所示, f 对比单层破片呈规则的圆周分布(径向速度相同),多 层破片中各层破片大致呈六边形分布,内外层破片的 位置径向分离,说明同层破片的速度周向周期性地波 动,不同层破片的速度存在梯度;其原因主要有两点: (1)内外层破片数目相差不多,周向内外层球相对位 置的规律变化使其碰撞条件周期性变化;(2)碰撞条 图3数值模拟中采用的球形破片层的特征段 件的差异导致内外层球碰撞时弹塑性波加载的方向不 Fig.3Sphericalfragmentssegmentinsimulations 同而影响内外层球速度的分配,如图6所示,内外层破 片的速度梯度在对心正碰时最大,在最大角度的斜碰 撞时最小,其余的碰撞结果介于这两者之间。 a.n=1b.n=2c.n=3d.n=4 图5破片飞散的数值模拟结果(n=40) a.Illustrationofsimulationmodelb.Mesh(partial) f Fig.5Fragments′distributioninsimulations(n=40) 图4仿线Simulationmodel 仿真模型中装药半径固定为 50mm,在药柱轴线 的中心起爆。破片层结构由最内层周向破片数 n f (12、20、40、60、80、120)和径向层数 n(1层、2层、 3层、4层)组合成24种工况,破片周向紧密均匀地排 列,破片间隙填充环氧树脂(epoxyresin)。装药为 -1 Comp.B炸药(爆速 7980m·s ),破片材料为钨合 a.initialb.aftercollision 金。材料模型参数见表 1,均取自AUTODYN的材料 图6碰撞条件对破片速度的影响 库[8]。破片用Lagrange网格,其余均用Euler网格,对 Fig.6Effectofcollisionconditiononvelocityoffragments 两种网格运用耦合算法模拟爆轰产物对破片的作用。 整理数值模拟结果,获取各层破片质量 m、最大 i 表1数值模拟中的材料模型[8] 0 0 动能 E、破片的最大初速v 和最小初速 v ,依次计 ki max min [8] Table1Materialmodelsinsimulation 0 算装填比 ,最内层破片近似初速 v′、每层破片的平 β i material ρ/g·cm-3 EOS strength 0 0 0 均初速 v= 2E/m ,最终得到 k(n,n)=v/v′、 i 槡 ki i i f i 1 air 0.001225 IdealGas None 0 0 0 0 k (n,n)=v /v′和 k (n,n)=v /v′并列于 Comp.B 1.717 JWL None min f min 1 max f max 1 Johnson tugstenalloy 17 Shock 表2。从 k(n,n)的变化趋势发现外层破片的初速比 Cook i f epoxyresin 1.186 Shock None 内层破片初速大,内外层破片平均初速的差异随周向 Note:EOSisequationofstate. ChineseJournalofEnergeticMaterials,Vol.22,No.3,2014(300-305) 含能材料 www.energeticmaterials.org.cn 多层球形预制破片战斗部破片初速场的计算模型 303 破片数 n的减少和破片层数 n的增多而变大;由式 为相同装填比()的自然破片初速的0.7~0.9倍,它 f β (7)和k(n)·k (n,n)的值发现破片的最高初速 随破片层数的增多而变大。 f max f 表2各数值模拟工况下速度分布因子 k(n),k(n,n)、k (n,n)和k (n,n) f i f min f max f Table2Valuesofk(n),k(n,n),k (n,n)andk (n,n)basedonsimulations f i f min f max f k(n) k(n,n) k (n,n) k (n,n) f i f min f max f n - 2 3 4 2 3 4 2 3 4 i - 1 2 1 2 3 1 2 3 4 - - - - - - n f 12 0.52 0.99 1.2 0.98 1.12 1.32 0.93 1.11 1.24 1. 35 0.88 0.82 0.83 1.32 1.55 1.58 20 0.56 0.97 1.19 0.97 1.11 1.28 0.96 1.10 1.18 1.32 0.93 0.85 0.82 1.28 1.41 1.52 40 0.61 1.00 1.15 1.01 1.09 1.22 1.07 1.15 1.19 1.31 0.96 0.92 0.92 1.21 1.26 1.35 60 0.64 1.03 1.15 1.04 1.10 1.21 1.03 1.09 1.14 1.25 1.00 0.97 0.94 1.18 1.30 1.35 80 0.67 1.03 1.13 1.05 1.10 1.17 1.03 1.09 1.14 1.23 1.00 0.96 0.90 1.16 1.23 1.31 120 0.69 1.03 1.07 1.07 1.10 1.12 1.08 1.10 1.15 1.16 1.01 1.03 1.04 1.11 1.18 1.26 表3式(8)中各参数的取值 4速度分布因子具体形式的确定 Table3ParametersinEqu.8 velocitydistribution 选用式(8)表征速度分布因子,借助MATLAB的 factor n a b c d e 遗传算法优化工具箱拟合表2的数据,确定如表3所 2 -2.077 0.214 8.064 0.204 5.202 k(n,n) 3 -0.015 0.146 0.929 0.134 0.275 示的对应各工况的各层破片平均初速、最小破片初速 i f 4 0.448 0.058 0.635 0.053 0.273 和最大破片初速的速度分布因子的各参数取值。 k (n,n) - 1.459 0.713 0.960 0.691 2.142 min f a+bn+ci k (n,n) - -3.152 0.380 8.297 0.358 4.143 f max f k(n,n),k (n,n),k (n,n)= (8) i f min,i=n f maxn,i=n f 1+dn+ei f -1 式中,n= /arcsin(1+R/r) ,r为球破片的半径,R为 f π 结合式(5)~式(8)得到多层球形破片战斗部各层破 装药半径,计算时将 n舍弃小数部分代入式(8)。 f 片平均初速、最小破片初速和最大破片初速的计算公式: 0.2594 a+bn+ci0.3(1-exp(-0.4895n ))D 0 0 f f v=k(n,n)v′= × (i=1,2,…n-1,n) (9) i i f 1 1+dn+ei -1 f 0.5+ 槡 β a+bn+cn 0.2594))D 0.3(1-exp(-0.4895n 0 f f [v ,v ]=[k (n,n),k (n,n)]v′= × (10) min max min f max f 1 1+dn+en -1 f 0.5+ 槡 β 求取初速时按表 3选取相应的 a,b,c,d,e值代 珠),钢珠间隙用聚酯树脂填充,外围有纸壳,两端有 入两式计算。式(10)中向量的除法表示向量的相应 厚 12.7mm的钢端盖;实验弹(原文中的2号弹)的 元素相除。此式适于对破片层数 n [2,4],最内层 参数为:装填比 =0.0215,最内层破片数n=12,C4 ∈ β f 破片数 n [12,120]的低强度薄壳体的多层球形破 -3 -1[9] f∈ 炸药装药密度1.62g·cm ,爆速8250m·s 。 片战斗部评估初速场的分布。 用式(9)和式(10)计算实验弹每层破片的平均初 速、最小初速和最大初速(为方便与文献数据对比,此 5实验验证 -1 处速度单位取为 ft·s ,1ft=0.3048m)列于表5,将 其与文献[1]给出的实验值和初速极坐标图(该图径 用文献[1]公布的实验数据对式(9)和式(10)进 向表示速度,周向表示破片飞散方向角)在表5和图8 行验证,图7为与本研究结构基本相同的实验弹结构: 中作对比,可见本文建立的计算模型对破片初速场各 实验弹尺寸 77mm×89mm,C4药柱 19mm× Φ Φ 项速度的预测值与实验结果基本吻合,所预测的初速 63.5mm,铝壳厚0.3mm,周围排列4层 6.3mm Φ 范围能涵盖绝大部分的破片初速场,说明该计算模型 的钢珠(一侧周向连续的90°区域装填有层标识的钢 能基本反映多层破片初速的分布特征;两者也存在一 CHINESEJOURNALOFENERGETICMATERIALS 含能材料 2014年第22卷第3期(300-305) 304 印立魁,蒋建伟 定差距,分析其原因可能为:(1)数值模拟中球形破片 (1)同层破片的速度因内外层破片的交错排列在 理想化的排列方式与实际难以相同;(2)钨和钢的材 周向周期性地波动。 料参数差别较大,数值模拟中钨球的动态响应与实际 (2)平均速度外层破片大于内层破片,其速度差 的钢球的动态响应有差异。 随破片层数的增多和周向破片数的减少而变大。 (3)破片的最大初速为相同装填比的整体破片初 速的0.7~0.9倍,其值随破片层数的增多而变大。 基于 Gurney假设和冲量定理,结合数值模拟结 果建立的多层球形破片战斗部破片初速场的计算模型 能给出各层破片的平均初速及破片初速极值,其计算 值与实验结果吻合较好,对预制破片战斗部的设计和 威力评估具有参考价值。 参考文献: 图7实验弹结构图[1] [1]PoterW R.Radiallyexpandingfragmentationwarheadstudy [1] [R].AD348620,1963. Fig.7Sketchdrawingsoftestround [2]张志春,强洪夫,孙新利.杀伤战斗部破片飞散特性的数值模拟[J]. 解放军理工大学学报(自然科学版),2008,9(6):671-675. ZHANGZhichun,QIANGHongfu,SUNXinli.Numericalsim ulationforfragmentsflightcharacteristicsofhighexplosivepro jectile[J].JournalofPLAUniversityofScienceandTechnology (NaturalScienceEdition),2008,9(6):671-675. [3]时党勇,张庆明,夏长富.多层预制破片战斗部数值模拟方法及 起爆方式影响[J].解放军理工大学学报(自然科学版),2009, 10(6):553-558. SHIDangyong,ZHANGQingming,XIAChangfu.Numericalsim ulationanddifferentinitiationmodesforprefabricatedmultilayer fragmentwarhead[J].JournalofPLAUniversityofScienceand Technology(NaturalScienceEdition),2009,10(6):553-558. [4]北京工业学院八系.爆炸及其作用(下册)[M].北京:国防工业 [1] 图8本研究计算值与实验所得的初速极坐标图的 对比 出版社,1979:19. Fig.8Comparisonbetweenthecalculatedinitialvelocityand EighthepartmentofBeijingndustrialnstitute.Explosiveandits [1] Effect [M].Beijing:AcademicPress,1979:19. exprimentalpolarplot Ⅱ [5]JeffreyFWidener.Reactivematerialcandidatesforlowcollateral damagepart1:arenatesting[OL].[2013723].http://www. 表5本研究初速计算值与实验结果的对比 dtic.mil/ndia/2012IMEM/13825widener7A.pdf Table5Calculatedandexperimentalinitialvelocity [6]印立魁,蒋建伟.预制破片战斗部破片初速计算公式[OL]. -1 [20130730].中国科技论文在线 http://www.paper.edu. typeof fragment initialvelocity/ft·s initial layer [1] calculatedby error/% cn/releasepaper/content/201307400. velocity No. testdata Equ.(9),(10) YINLikui,JIANGJianwei.Apredictiveformulaofinitialveloci 1 682 671 -1.6 tyonexplosivelydrivingpreformedfragments[OL].[2013-07 avg.velocity 2 736 796 8.2 -30]SciencepaperOnline,http://www.paper.edu.cn/re ofeachlayer 3 835 893 7.0 leasepaper/content/201307400. [7]尹峰,张亚栋,方秦.常规武器爆炸产生的破片及其破坏效应 4 1082 971 -10.3 [J].解放军理工大学学报(自然科学版),2005,6(1):50-53. min.velocity - 490 557 13.7 YINFeng,ZHANGYadong,FANGQin.Fragmentanditsde max.velocity - 1230 1136 -9.2 stroyeffectproducedbyconventionalweapon[J].Journalof PLAUniversityofScienceandTechnology,2005,6(1):50- 53. 6结论 [8]CenturyDynamicsInc..AUTODYNtheorymanual[M].Revi sion11.CenturyDynamicsInc,2007. [9]DobratzBM,CrawfordPC.LLNLexplosiveshandbookproper 采用AUTODYN软件对周向紧密排列的多层球形 tiesofchemicalexplosivesandexplosivesimulants[M].Revi 破片结构的爆炸驱动过程进行了数值模拟,结果表明: sion2.Lawrence:Livermorenationallaboratory,1985:8-2. ChineseJournalofEnergeticMaterials,Vol.22,No.3,2014(300-305) 含能材料 www.energeticmaterials.org.cn 多层球形预制破片战斗部破片初速场的计算模型 305 CalculationModelofInitialVelocityFieldonMultilayeredSphericalFragmentsWarhead YINLikui,JIANGJianwei (StateKeyLaboratoryofExplosionScienceandTechnology,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China) Abstract:Inordertopredicttheinitialvelocityofmultilayeredsphericalfragmentswarheadindetail,AUTODYNwasutilizedto simulatetheprocessofexplosivelydriveaimedatthetypicalwarheads,filledwithcylindricalchargeandmultilayeredspherical fragments.It′sfoundthatvelocitiesoffragmentsvariedregularlyincircumferenceoneachlayerandthemeanvelocityofinner fragmentsisbiggerthanthatofouterfragments,especiallyinthecaseofmorelayersandlesscircumferentialfragments.Then,a modelwasestablishedbytheoreticalderivationbasedonmomentumtheoremandGurney′shypothesisaswellasthedatafrom simulation.Themodelgivesthreetypesofvelocitytocharacterizetheinitialvelocityfield.Thethreetypesofvelocityisas follows:averageinitialvelocityoffragmentinanylayer,maximumandminimuminitialvelocityoffragments.Theresultspredic tedbythemodelgowellwithtestresults. Keywords:explosionmechanics;warhead;multilayeredpreformedfragment;initialvelocity;simulation CLCnumber:TJ760.2;O389 Documentcode:A DOI:10.3969/j.issn.10069941.2014.03.006 CHINESEJOURNALOFENERGETICMATERIALS 含能材料 2014年第22卷第3期(300-305)

  ·基于雪崩管Marx电路的高稳定度脉冲技术 - 硬件和射频工程师.PDF

  ·基于雪崩管犕犪狉狓电路的高稳定度脉冲技术 - 强激光与粒子束.PDF

  ·基于Triple GEM新型高效快中子探测器的研制报告人 - Indico.PPT

  ·基于纤维梁模型的火灾下多层混凝土框架非线性分析 - Lu Xinzheng.PDF

  ·多层套细网格台风预报模式 - 中国气象局广州热带海洋气象研究所.PDF

  ·风洞中自由飞模型气动特性参数的辨识 - 中国科学院力学研究所.PDF

  ·多个40G环DWDM 32×10G !!! 3G业务传输需求不十分明朗 - Read.PPT

  ·夏有三伏,在小暑与立秋之间,是年中气温最高且又潮湿、闷热的日子 .PDF

  “原创力文档”前称为“文档投稿赚钱网”,本网站为“文档C2C交易模式”,即用户上传的文档直接卖给(下载)用户,本站只是中间服务平台,本站所有文档下载所得的收益归上传人(含作者)所有【成交的100%(原创)】

http://holisticqa.com/feisanjiao/83.html
锟斤拷锟斤拷锟斤拷QQ微锟斤拷锟斤拷锟斤拷锟斤拷锟斤拷锟斤拷微锟斤拷
关于我们|联系我们|版权声明|网站地图|
Copyright © 2002-2019 现金彩票 版权所有