﻿ 带壳圆柱体战斗部爆炸后破片特性数值仿真研究
 舰船科学技术  2018, Vol. 40 Issue (7): 6-10 PDF

Numerical simulation research on characteristic of fragments generated by cylinder warhead explosive
HU Nian-ming, HOU Hai-liang, ZHU Xi, CHEN Chang-hai
Department of Warship Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China
Abstract: In order to research the distribution of fragments' velocity generated by the explosion cylinder warhead that has end caps at both ends explosion, analyzing the explosion of spherical warhead with finite element method. the results of simulation analysis is compared with Gurney formula, the two results were in good agreement, validating that the feasibility of node-split method to calculate explosion of warhead. The explosion process of cylinder warhead that has shell at both ends with different L/Dis simulated, the influence of L/D on fragment size, velocity distribution of the side wall fragment, velocity variation of end cap and side wall is analyzed. the result show that when L/D is large, the scattering angle and fragment size of side walls is smaller; velocity distribution of the side wall fragment in the axial direction to meet the distribution of the parabola distribution, L/D reaches some certain value, the vertex of parabola stabilized; velocity variation of end cap satisfies the linear decrease with the increase of the L/D, velocity variation of side wall decrease with the L/D, and a limit is exist.
Key words: warhead     explosion     fragment     velocity distribution
0 引　言

Hu等[5]通过AUTODYN对不同方向不同长径比的裸药在封闭环境内爆炸产生的压力分布规律，并与实验结果对比，验证了通过有限元方法对炸药爆炸计算的正确性；MOXNES等[6]通过使用并比较拉格朗日法、欧拉法、SPH法等3种不同的数值计算方法对带壳爆炸的情况进行仿真计算，同时也对壳体使用分离节点法的情况进行比较，结果证明SPH分离节点法与使用了分离节点法的拉格朗日方法与实验结果吻合较好；Kong等[78]通过实验方法测试两端封闭圆柱体战斗部端点起爆情况下，侧壁破片速度与端盖破片速度，并用SPH方法对战斗部爆炸过程进行仿真，得到了破片的质量分布情况，并发现带端盖的战斗部无法简单的通过Gurney计算；印立魁等[9]使用AUTODYN多层球形预制破片战斗部破片初速场，计算结果与实验结果吻合良好，并在此基础上，得到了多层球形预制破片战斗部破片初速的理论计算方法；Tanapornraweekit等[10]通过有限元方法研究了壳体材料性能与战斗部爆炸之后产生的破片之间的关系，发现低强度材料壳体爆炸后产生最多的破片数及最大的平均动能。

1 有限元计算方法 1.1 计算模型

 图 1 球体战斗部有限元模型图（剖视图） Fig. 1 The finite element model of sphere warhead (sectional view)
1.2 材料模型

 $p = A(1 - \frac{{\omega \eta }}{{{R_1}}}){e^{{R_1}\eta }} + B(1 - \frac{{\omega \eta }}{{{R_2}}}){e^{{R_2}\eta }} + \omega \eta {\rho _0}e{\text{,}}$

 ${\sigma _d} = ({\sigma _0} + \frac{{E{E_h}{\varepsilon _f}}}{{E - {E_h}}})[1 + {(\frac{{\dot \varepsilon }}{D})^{\frac{1}{n}}}]{\text{。}}$

1.3 计算结果

 图 2 球体战斗壳体破坏过程 Fig. 2 The failure process of spherical warhead shell

 图 3 壳体破片单元速度曲线图 Fig. 3 The velocity curve of shell fragment element

 ${v_0} = \sqrt {2E} \sqrt {\frac{\beta }{{1 + 0.6\beta }}}{\text{。}}$

2 带端盖柱体战斗部有限元计算

 图 4 不同长径比的柱体战斗壳体破坏过程 Fig. 4 The failure process of cylindrical warhead shell with L/D variation
2.1 变形模式分析

2.2 侧壁速度分布分析

 图 5 战斗部破片轴向的速度分布曲线 Fig. 5 The distribution of fragment velocity along the axis of cylinder
2.3 端盖及侧壁速度分析

 图 6 端盖及侧壁破片平均速度随L/D变化图 Fig. 6 The average velocity of end caps and side wall with L/D variation

3 结　语

1）当L/D较大时，侧壁破片飞散的角度较小，中部基本都沿着径向飞散；L/D较小时，壳体破碎形式更趋近于球体。“细长”型战斗部端盖的变形分布弧度大；“短粗”型战斗部端盖的变形分布弧度小。从破片的大小来看，“细长”型战斗部爆炸后形成的破片数量要多于“短粗”型战斗部，且战斗部的长径比越小，越容易形成较大的破片。

2）可以看出侧壁速度分布基本满足抛物线的分布规律，对于中心起爆，当长径比达到一定大小后，位于中间部分长度的圆柱壳可以近似认为是无限长圆柱壳起爆的情况，抛物线的峰值趋于稳定。

3）端盖速度的变化基本满足随着长径比的增大呈线性下降的趋势，而侧壁的平均速度则是随着长径比的增大而增长，但是存在一定的极限。