杀爆型战斗部作用机理及设计诸元分析研究

方 策，李 宁，王海洋，王君凤

（陕西 西安710043）

随着现代军事的发展，各种陆基及舰载雷达设备在战场上越来越受到重视，根据雷达不同功能系统受攻击的难易程度（或雷达的机动性），可将雷达分为固定式雷达和机动性雷达。各种电子设备及配套设备均被安装在固定的掩体内，天线馈电系统及天线座被安装在固定天线塔台上，一般暴露在室外，或各种电子设备和配套设备被安装在若干机动的车厢或方舱内，天线馈电系统被安装在车厢或方舱的顶部。天线馈电系统和车厢或方舱均是主要的被攻击目标。

因此，使用预制破片杀爆战斗部是解决此类问题的一个比较好的途径。

1 杀爆战斗部的设计依据

预制破片杀爆型战斗部需考虑如下要求：预制破片的分布密度，预制破片飞散角，破片侵彻钢板的厚度，毁伤效果等因素。

杀爆战斗部的主要设计思路是围绕着如何提高破片分布密度来展开的。影响破片分布密度的因素很多，合理的战斗部长径比以及曲率半径，可以有效提高破片的分布密度和控制破片的飞散角。战斗部内壳体的选择对战斗部的性能起到很大的影响，其决定战斗部的曲率半径、预制破片的排列方法、装药的长径比。

总结以上杀爆战斗部的设计思路，可以将此问题归结为弹塑性流体动力学问题，对于此类问题可以使用ANSYS-AUTODYN数值模拟软件的Euler方法来进行仿真分析。

2 杀爆战斗部模型及其材料状态方程的建立

数值模拟基于质量、动量、能量守恒方程及对材料动态行为的适当描述，共同构成动力学方程组，采用有限元方法或有限差分方法来完成。应用有限元软件ANSYS-AUTODYN对杀爆战斗部的数值进行模拟，对以下三组方案进行仿真分析，确定出最优方案，模型具体参数如表1所示。

表1 模型参数

建立模型时，考虑到材料在高温、高压、高应变率下的动态行为，战斗部壳体选用Johnson/Cook弹-塑性模型及Mie-Gruneisen状态方程。具体参数为G=0.64 MPa，A=900 kPa，B=2920kPa，N=0.31，C=0.025，M=1.09，Tm=1356 K。

JWL状态方程精确地描述了在爆炸驱动过程中爆轰气体产物的压力p、体积V和能量特性，JWL状态方程表达式为，式中A、B、R1、R2、ω为输入参数，E0为初始内能。文中炸药材料具体参数为A=340，B=3.4，R1=4.15，R2=0.9，ω=0.35。

靶板采用603钢板，具体参数为ρ=7.83 g/cm3，P=8.73 GPa，E=207 GPa，μ=0.3，σy=0.45 GPa，破片采用高密度金属，具体参数为，ρ=17.6 g/cm3，E=355 GPa，μ=0.22，σy=1.27 GPa。

3 战斗部作用诸元模拟分析

3.1 爆炸模型建立

在模型的轴线方向上等距离取10个Gauge点，根据这些点上应力的传播情况，分析不同形状战斗部壳体在爆炸过程中的聚能情况，模型如图1所示。

图1 模型

起爆后，方案一壳体上0.015 ms应力云图如图2所示。

图2 t=0.015 ms的应力云图

当t=0.015 ms时，壳体基本全部被损坏，统计壳体上的10个Gauge点最大应力值如表2所示。

表2 方案一中10个Gauge点最大应力值（单位：×106 kPa）

同理，可以得到方案二与方案三中壳体上的最大应力值，分别如表3、表4所示。

表3 方案二中10个Gauge点最大应力值（单位：×106 kPa）

表4 方案三10个Gauge点最大应力值（单位：×106 kPa）

3.2 战斗部长径比及曲率半径分析

对比后发现，方案一中，爆轰波对战斗部两边有较大的影响，应力值均可超过1.5×103MPa，中心受力较小，应力值为1.1×103MPa，这样战斗部两边的破片可以获得较大能量的动能，而中间大部分地方的破片获取的动能较小。方案二中，爆轰波对战斗部整个壳体影响较为平均，壳体大部分的应力值均已超过1.7×103MPa。方案三中，爆轰波对战斗部整个壳体影响也较为平均，但是壳体大部分的应力值仅为1.2×103MPa。

可以看出长径比对爆轰波的分布影响比较大，长径比为1.4时可以使破片获得最大的动能；壳体的厚度对聚集爆轰波也有一定的影响，壳体厚度为5 mm时效果最佳，因此可以确定方案三为最优方案。三方案具体参数对比如图3所示。

图3 三方案具体参数对比

从图3可以看出，不同的载荷系数的战斗部长径比与曲率半径不同，可以利用以上仿真技术进行优化分析，得出合理的数据。

3.3 破片飞散角的分析

战斗部爆炸时，破片以一定速度vp向四周飞散。各个方向上的飞散角与破片分布密度有一定的分布规律，它由战斗部的结构决定。飞行中，速度逐渐衰减，仍然具有杀伤能力的破片随着飞行距离的增加而逐渐减少。飞散角计算公式如下：

式（1）中：θ为壳体表面法线矢量与破片初速夹角；vd为爆速；ψ2为壳体某点爆轰波传播方向矢量和对称轴夹角；ψ1为壳体表面法线矢量和对称轴夹角。

式（2）中：Ω为破片飞散角。

以第三方案模型为例，进行爆炸仿真，分析后发现，破片飞散的状态平稳，各个位置的破片在飞行中没有明显受到碰撞影响。提取一个破片，将此破片的数据参数代入可以得到飞散角。

3.4 杀伤面积的分析

战斗部杀伤面积决定杀伤带宽及破片分布密度，而破片密度对破片毁伤效果起决定性因素。当战斗部结构一定，爆炸条件一定，目标一定时，相应的杀伤面积也一定。为了求出杀伤面积，除了必须给出有关目标的信息外，还应知道预制破片的初速、破片的质量分布、飞散时的密度分布。杀伤面积的求解方法：在地面任一处（x，y）取微面dx、dy，设目标在此微面内被破片击中并杀伤的概率为p（x，y），则ds=p（x，y），dx、dy可视为微面dx、dy内的杀伤面积。

定义全战斗部的杀伤面积：

4 结论

杀爆型战斗部设计时，具有合理的长径比、曲率半径，才能得到合理的飞散角与杀伤带宽。只有飞散角确定了，预制破片的平均面密度才能确定。而破片侵彻钢板厚度决定了预制破片选取什么样的材料。利用数值仿真技术，为设计提供理论支持。减少试验次数后，缩短了项目研制的周期。同时，建立模型、对一些设计诸元进行分析、研究作用机理，对预制破片战斗部的研究有一定的指导意义。