ANSYS在導(dǎo)彈設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2013-06-09  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來(lái)源:仿真在線

第五章 ANSYS在導(dǎo)彈設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

隨著航空工業(yè)的發(fā)展,導(dǎo)彈的結(jié)構(gòu)無(wú)論在形式、受力情況及邊界條件等方面均變得十分復(fù)雜。同時(shí)可靠性和設(shè)計(jì)周期的需求,要求所采取的設(shè)計(jì)方法不但精度要高而且速度要快。

在導(dǎo)彈設(shè)計(jì)中主要分析有:

氣動(dòng)分析

結(jié)構(gòu)的靜、熱強(qiáng)度(剛度)計(jì)算

結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)計(jì)算

彈體氣動(dòng)彈性及發(fā)散計(jì)算

廣泛應(yīng)用于航空工業(yè)的ANSYS軟件,已經(jīng)成功地解決了導(dǎo)彈設(shè)計(jì)中空氣動(dòng)力分析、靜強(qiáng)度剛度分析、振動(dòng)模態(tài)和動(dòng)力響應(yīng)分析、穩(wěn)定性分析、熱分析,電磁分析等。它可以最大限度地模擬導(dǎo)彈在飛行過(guò)程中的真實(shí)環(huán)境,改變了過(guò)去事事處處依靠實(shí)驗(yàn)的做法,從而大幅度地節(jié)約了經(jīng)費(fèi),縮短了設(shè)計(jì)周期。

1.總體設(shè)計(jì)分析

在導(dǎo)彈總體設(shè)計(jì)分析中要考慮的問(wèn)題有:

空氣動(dòng)力分析

頻率和振型

線性和非線性靜態(tài)和瞬態(tài)的應(yīng)力

失穩(wěn)分析

導(dǎo)彈抗外界沖擊分析

導(dǎo)彈的雷達(dá)反射特性以及紅外輻射特性

ANSYS的動(dòng)力響應(yīng)分析功能可以快速地進(jìn)行模態(tài)和振型計(jì)算,特別是非線性材料,如導(dǎo)彈上大量使用的復(fù)合材料等。ANSYS可考慮許多因素對(duì)模態(tài)和振型的影響,可以準(zhǔn)確地計(jì)算出導(dǎo)彈在各種條件下的模態(tài)和振型。在進(jìn)行分析時(shí),同一個(gè)分析模型可以存在多種材料,ANSYS方便的前處理可以幫助設(shè)計(jì)人員最大限度地模擬導(dǎo)彈的真實(shí)結(jié)構(gòu),改變了過(guò)去只能考慮一種材料和大量地對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)分析方式。

航空器自身及其試驗(yàn)臺(tái)上常常有榫頭連接結(jié)構(gòu),圖5-5-1~5-1-4 為榫頭連接強(qiáng)度的分析,計(jì)算凸頭與凹頭間、螺栓與本體間的接觸應(yīng)力。

ANSYS的流體分析功能可以對(duì)導(dǎo)彈的總體進(jìn)行空氣動(dòng)力分析,移動(dòng)壁面的功能可方便地模擬導(dǎo)彈在高速飛行時(shí)的湍流情況,計(jì)算升力、阻力。(請(qǐng)參考第6章航空航天氣動(dòng)解決方案)

ANSYS具有強(qiáng)大的電磁場(chǎng)分析功能和熱輻射分析功能,可以很方便地計(jì)算導(dǎo)彈的雷達(dá)和紅外隱身特性。(請(qǐng)參考第8章天線及RCS設(shè)計(jì))

2.零部件設(shè)計(jì)分析

2.1彈翼

無(wú)論是骨架較強(qiáng)而蒙皮較弱的彈翼、骨架和蒙皮強(qiáng)度接近的彈翼或是骨架很弱而蒙皮很強(qiáng)的彈翼,ANSYS強(qiáng)大的單元庫(kù)可以提供梁?jiǎn)卧?、殼單元?lái)對(duì)這些類(lèi)型的彈翼進(jìn)行分析,也可以用三維實(shí)體單元真實(shí)地模擬局部的實(shí)際情況。對(duì)于整體彈翼的分析,以往一般要對(duì)模型進(jìn)行大量的簡(jiǎn)化,影響了分析精度,運(yùn)用ANSYS良好前處理功能可以幫助設(shè)計(jì)人員最大限度地模擬彈翼的真實(shí)結(jié)構(gòu),提高分析準(zhǔn)確性。在分析里可以考慮多種材料多種單元并存。ANSYS強(qiáng)大的復(fù)合材料計(jì)算功能完全可以解決蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的彈翼分析。

借助于多層殼及實(shí)體單元(ANSYS共有250層的復(fù)合材料殼單元和實(shí)體單元)能建立復(fù)合材料模型,這些單元允許疊加各向同性或各向異性材料層,各層的層厚和材料方向允許各不相同。ANSYS提供的失效準(zhǔn)則有最大應(yīng)變失效準(zhǔn)則、最大應(yīng)力失效準(zhǔn)則和Tsai—Wu失效準(zhǔn)則,用戶也可以通過(guò)用戶子程序來(lái)定義自己的失效準(zhǔn)則。ANSYS的復(fù)合材料功能特別適合于有大量復(fù)合材料的導(dǎo)彈系統(tǒng)。關(guān)于復(fù)合材料的更多信息,請(qǐng)參考第四章。

以色列Rafael第三結(jié)構(gòu)分析小組對(duì)某夾層結(jié)構(gòu)的彈翼進(jìn)行了分析,采用了SHELL99單元,取得了滿意的結(jié)果。圖5-2-1為最外層的應(yīng)力云圖。

ANSYS強(qiáng)大的熱分析功能,可以考慮材料性質(zhì)隨溫度的變化,同時(shí)可以考慮材料的各向異性特性,同時(shí)進(jìn)行熱載荷和靜載荷的藕合計(jì)算,完全可以滿足彈翼的熱力分析。

ANSYS的熱傳導(dǎo)單元,能進(jìn)行第一類(lèi)和第二類(lèi)邊界條件的計(jì)算,并能同時(shí)考慮材料的各向異性,如復(fù)合材料等。

彈翼既要滿足靜強(qiáng)度,還要滿足穩(wěn)定性的要求,ANSYS還可以對(duì)彈翼進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

翼面的振動(dòng)特性計(jì)算是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題,特別是現(xiàn)代導(dǎo)彈翼面結(jié)構(gòu),多是整體薄板型或?qū)嵭陌逍偷男≌瓜冶纫砻?這種翼面的特征值和特征矢量的計(jì)算要比飛機(jī)翼面的計(jì)算要復(fù)雜的多。它除了受到翼面的結(jié)構(gòu)和幾何外型的影響外,還要受到支持條件的影響。運(yùn)用ANSYS最大限度地接近真實(shí)結(jié)構(gòu)和幾何外型,可以大大減少因簡(jiǎn)化它們而帶來(lái)的不良影響。ANSYS先進(jìn)的動(dòng)力響應(yīng)分析軟件ANSYS LS—DYNA可以同時(shí)采用集中質(zhì)量矩陣和一致質(zhì)量矩陣、用先進(jìn)的顯式求解方法,能同時(shí)求出各種模式,完全能解決在分析時(shí)遇到的各種問(wèn)題。通過(guò)分析計(jì)算,可以精確地得出根部支持剛度、支持條件對(duì)動(dòng)力特性和固有頻率的影響,達(dá)到對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

以往對(duì)彈翼進(jìn)行分析時(shí),由于條件的限制,通常將根部視為固支邊界,這顯然是不合理的,現(xiàn)在ANSYS提供了強(qiáng)大接觸單元,則可以進(jìn)行彈身—彈翼聯(lián)合計(jì)算,徹底解決這一問(wèn)題。ANSYS高級(jí)接觸單元、接觸導(dǎo)向、智能化接觸參數(shù)設(shè)置能幫助設(shè)計(jì)工程師方便快捷的進(jìn)行接觸非線性分析。接觸收斂問(wèn)題是困擾計(jì)算分析人員的一大難題,ANSYS在計(jì)算過(guò)程中可根據(jù)當(dāng)前的非線性狀態(tài)(如塑性應(yīng)變率、蠕變應(yīng)變率、接觸間隙等)及時(shí)調(diào)整某些非線性參數(shù)的定義,以保證求解收斂,同時(shí)程序也會(huì)根據(jù)當(dāng)前的非線性參數(shù)狀態(tài),調(diào)整線性預(yù)測(cè)、發(fā)散二分等數(shù)學(xué)工具,加快收斂速度。

彈身

整體鑄造倉(cāng)段

整體鑄造彈身倉(cāng)段結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,且承受的載荷也相當(dāng)復(fù)雜,不僅有其它倉(cāng)段傳來(lái)的切向載荷,還有內(nèi)部荷重通過(guò)接頭傳來(lái)的集中力、力矩以及作用于倉(cāng)段自身的氣動(dòng)力和慣性力,ANSYS方便的載荷施加方式可實(shí)現(xiàn)上述載荷邊界條件。ANSYS可根據(jù)自定義坐標(biāo)系,方便地在節(jié)點(diǎn)或單元面上施加任意方向的集中力、面力和力矩,也可直接讀取流體計(jì)算和熱傳導(dǎo)計(jì)算結(jié)果中的氣動(dòng)力和溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)

以往在進(jìn)行整體鑄造彈身倉(cāng)段分析時(shí),對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的簡(jiǎn)化?，F(xiàn)在運(yùn)用ANSYS則可以將倉(cāng)段殼體離散成殼單元,加強(qiáng)筋離散成梁?jiǎn)卧?形成混合單元以達(dá)到最佳的分析效果。

在前處理中,ANSYS可按實(shí)際形狀顯示殼、梁?jiǎn)卧?。后處理中?jì)算結(jié)果也可顯示在按實(shí)際形狀顯示的殼、梁結(jié)構(gòu)上,從而使彈倉(cāng)段的模型檢查、結(jié)果表達(dá)更加清晰方便。

考慮到整體鑄造彈身倉(cāng)段結(jié)構(gòu)規(guī)模比較大,在ANSYS軟件中可以進(jìn)行“先粗后細(xì)”的子模型結(jié)構(gòu)分析,可以先進(jìn)行整體“粗網(wǎng)格計(jì)算”,然后根據(jù)粗網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果選出關(guān)心的部位,進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)分。ANSYS的子模型分析功能可自動(dòng)從整體計(jì)算結(jié)果中取出細(xì)分區(qū)域邊界上的位移結(jié)果,通過(guò)按形函數(shù)插值施加在子區(qū)模型的邊界上。

整體鑄造彈身倉(cāng)段是由多種材料組成的,以往在處理這個(gè)問(wèn)題時(shí)要進(jìn)行不同模量材料之間的折算,ANSYS完全可以計(jì)算在同一模型中存在多種材料的情況,徹底解決這一問(wèn)題,得到準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。

在整體鑄造彈身倉(cāng)段對(duì)接處,用接觸單元進(jìn)行計(jì)算,可以達(dá)到真實(shí)的受力情況,無(wú)須進(jìn)行邊界條件的假設(shè)。

在進(jìn)行彈身振動(dòng)特性分析時(shí),運(yùn)用ANSYS可以最大限度地接近真實(shí)地模型,運(yùn)用大規(guī)模網(wǎng)格和強(qiáng)大的接觸分析,可以進(jìn)行各個(gè)部件的耦合動(dòng)力響應(yīng)分析,得到準(zhǔn)確的振動(dòng)特性,再運(yùn)用ANSYS優(yōu)化功能就可以對(duì)彈身進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

Sargent—Fletcher使用ANSYS結(jié)構(gòu)分析軟件對(duì)彈艙進(jìn)行了靜力和諧振分析,結(jié)果表明,在飛行時(shí)攝像機(jī)不會(huì)與視窗發(fā)生接觸,為設(shè)計(jì)者提供了可信的結(jié)果(圖5-2-2)。

充壓容器

導(dǎo)彈上的箱體和氣瓶可以歸入充壓容器這一大類(lèi),為了確保導(dǎo)彈使用中燃料輸送系統(tǒng)的安全正常的工作,它們必須確保氣密和有足夠的強(qiáng)度,在結(jié)構(gòu)上多用焊接結(jié)構(gòu)。ANSYS“單元死活技術(shù)”、“相變分析技術(shù)”為焊接過(guò)程的模型提供了良好的解決方案。單元死活技術(shù)可模擬材料的去除與添加過(guò)程,隨焊縫中焊料的不斷加入,可逐步擊活相應(yīng)部分的單元,使其參與傳熱、承載;相變分析可準(zhǔn)確地模擬焊料由液相到固相的過(guò)程,待計(jì)算到焊縫中的焊料全部冷卻凝固、冷卻后,即可得到焊接件的殘余應(yīng)力和變形;改變單元激活的步驟及時(shí)間,即可得到不同的焊接工藝的焊接結(jié)果,從而為焊接過(guò)程的優(yōu)化提供了依據(jù)。

圖5-2-3為采用ANSYS進(jìn)行的焊縫應(yīng)力分析,分析中采用了“死單元和活單元”。

運(yùn)用ANSYS可以對(duì)箱體和氣瓶分析,可以滿足各種載荷邊界條件,可以對(duì)它們進(jìn)行準(zhǔn)確的靜力分析及有可能出現(xiàn)的大變形(包括塑性變形)等非線性分析。

天線罩

對(duì)天線罩的分析集中在熱強(qiáng)度問(wèn)題上。為滿足雷達(dá)波穿過(guò)的需要,天線罩均由非金屬材料制成,導(dǎo)彈主要使用玻璃鋼,在結(jié)構(gòu)上由兩部分組成:一部分為內(nèi)外蒙皮加蜂窩夾芯的罩體,另一部分是較厚的實(shí)心玻璃鋼。在導(dǎo)彈飛行中天線罩不但要承受頭部氣動(dòng)力,而且還要承受氣動(dòng)加熱。由于導(dǎo)彈的加速快,飛行時(shí)間短,因此,這兩種載荷是瞬態(tài)的。

ANSYS成熟的瞬態(tài)分析及熱—結(jié)構(gòu)耦合分析功能,不僅能夠?qū)崿F(xiàn)上述材料非線性,而且可以完成上述復(fù)雜的載荷邊界條件。運(yùn)用ANSYS來(lái)進(jìn)行天線罩的熱強(qiáng)度分析,能夠大大減少實(shí)驗(yàn),從而節(jié)省經(jīng)費(fèi),縮短設(shè)計(jì)周期。

3.導(dǎo)彈發(fā)射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析

導(dǎo)彈發(fā)射系統(tǒng)是導(dǎo)彈武器系統(tǒng)不可缺少的重要組成部分。它具有高集成化、多連裝、抗打擊等優(yōu)良性能和快速補(bǔ)給能力。該系統(tǒng)主要用于長(zhǎng)途越野運(yùn)輸、儲(chǔ)存、發(fā)射、裝入和卸出導(dǎo)彈。ANSYS能分析發(fā)射系統(tǒng)中所涉及的沖擊振動(dòng)問(wèn)題、高溫高壓燃?xì)鈱?duì)結(jié)構(gòu)的沖刷作用、系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)題以及在隨機(jī)載荷作用下的疲勞問(wèn)題。

導(dǎo)彈發(fā)射過(guò)程中,發(fā)射架、發(fā)射車(chē)等系統(tǒng)承受很強(qiáng)的瞬態(tài)動(dòng)力沖擊,ANSYS LS-DYNA顯示求解模塊是公認(rèn)的動(dòng)力沖擊問(wèn)題的工業(yè)分析標(biāo)準(zhǔn),可很好地解決發(fā)射系統(tǒng)高度非線性的瞬態(tài)動(dòng)力響應(yīng)。導(dǎo)彈發(fā)射時(shí),首先要沖破發(fā)射筒的筒蓋,若筒蓋設(shè)計(jì)不合理,嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響彈道,ANSYS LS-DYNA侵徹仿真功能可用于模擬導(dǎo)彈穿過(guò)筒蓋的過(guò)程,從而為筒蓋的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。圖5-3-1為導(dǎo)彈穿過(guò)筒蓋過(guò)程示意。

4.視景系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

在巡航導(dǎo)彈中包含很重要的一部分即下視景系統(tǒng)及其匹配系統(tǒng)的研制,具體包括有成象系統(tǒng)研制,包括鏡頭、成象器、窗口等;照明系統(tǒng)研制,包括閃光燈,反光器、窗口、電源及激勵(lì)電路等;穩(wěn)定系統(tǒng)研制,包括穩(wěn)定框架、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路等。對(duì)該系統(tǒng)在受熱、承載等復(fù)雜條件下,系統(tǒng)仍能保證可靠地工作,ANSYS可以對(duì)這些光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、冷卻分析、熱分析,提供了對(duì)復(fù)雜情況下的模擬,對(duì)保證系統(tǒng)可靠地工作提供依據(jù)。

5.戰(zhàn)斗部專(zhuān)題

戰(zhàn)斗部是導(dǎo)彈(或火箭彈)直接用于催毀﹑殺傷目標(biāo),完成戰(zhàn)斗使命的部件。各種戰(zhàn)斗部的基本設(shè)計(jì)思想就是在一定的戰(zhàn)術(shù)條件下,具有最高的殺傷效率,有時(shí)要在一定效率指標(biāo)要求下,達(dá)到最小體積﹑最輕重量或最低的成本等。傳統(tǒng)的導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì),只能靠實(shí)物試驗(yàn)和簡(jiǎn)單的理論指導(dǎo),代價(jià)大﹑周期長(zhǎng),因此傳統(tǒng)的戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)武器裝備的需要。因而,通過(guò)數(shù)值模擬,優(yōu)化戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)勢(shì)在必行。

戰(zhàn)斗部數(shù)值模擬是爆炸力學(xué)計(jì)算領(lǐng)域的難點(diǎn)問(wèn)題,同時(shí)也是多方面關(guān)心的重大課題。戰(zhàn)斗部彈藥爆炸驅(qū)動(dòng)過(guò)程及邊界條件復(fù)雜,材料動(dòng)態(tài)特性描述困難、三維計(jì)算模型巨大,這是戰(zhàn)斗部數(shù)值模擬的難點(diǎn)所在。當(dāng)然具體到各種結(jié)構(gòu)類(lèi)型的戰(zhàn)斗部數(shù)值模擬問(wèn)題時(shí),還會(huì)有不同的實(shí)際困難。但無(wú)論如何困難,總的看來(lái)ANSYS/LS-DYNA是戰(zhàn)斗部數(shù)值模擬優(yōu)化的最合適的平臺(tái)。下面僅對(duì)部分種類(lèi)的戰(zhàn)斗部的原理和ANSYS/LS-DYNA在設(shè)計(jì)這些戰(zhàn)斗部時(shí)的應(yīng)用作一些簡(jiǎn)單介紹。

5.1 常規(guī)戰(zhàn)斗部分類(lèi)

導(dǎo)彈接近目標(biāo)后,通過(guò)引爆戰(zhàn)斗部的方式達(dá)到殺傷目標(biāo)的目的。常規(guī)裝藥戰(zhàn)斗部主要有:

(1)破片戰(zhàn)斗部,包括:

(a) 非控破片戰(zhàn)斗部主要指光滑殼體戰(zhàn)斗部

(b) 受控破片戰(zhàn)斗部主要包括外刻槽戰(zhàn)斗部、內(nèi)刻槽戰(zhàn)斗部和帶有塑料花紋的薄內(nèi)襯戰(zhàn)斗部

(c) 預(yù)制破片戰(zhàn)斗部

(2)聚能裝藥戰(zhàn)斗部,包括:

(a)聚能裝藥射流﹑半球裝藥侵徹體

(b) 爆炸成性彈丸(EFP)

(c)桿式射流(JPC)

(3)半穿甲戰(zhàn)斗部

(4)爆破戰(zhàn)斗部(a)內(nèi)爆戰(zhàn)斗部(b)外爆戰(zhàn)斗部

(5)連續(xù)桿戰(zhàn)斗部

(6)離散桿戰(zhàn)斗部

(7)子母彈拋撒戰(zhàn)斗部

     (8)燃料空氣戰(zhàn)斗部

5.2 各類(lèi)戰(zhàn)斗部原理簡(jiǎn)介及數(shù)值模擬

5.2.1破片戰(zhàn)斗部

破片戰(zhàn)斗部是最常見(jiàn)、最主要的戰(zhàn)斗部,破片式殺傷戰(zhàn)斗部是對(duì)付空中、地面目標(biāo)的多用途戰(zhàn)斗部。其特點(diǎn)是利用戰(zhàn)斗部爆炸后產(chǎn)生的殺傷破片對(duì)目標(biāo)進(jìn)行毀傷。破片的特性參數(shù)包括破片數(shù)量﹑破片初速﹑破片質(zhì)量分布和空間分布。破片戰(zhàn)斗部的破片一般有三種類(lèi)型:非控破片、受控破片和預(yù)制破片三種。

非控破片是在戰(zhàn)斗部爆炸作用下整體式殼體破裂后形成大小不一、形狀不規(guī)則的破片。這類(lèi)破片的特性參數(shù)是相當(dāng)復(fù)雜的,它涉及到戰(zhàn)斗部材料和結(jié)構(gòu)的諸多因素。

受控破片有兩種:一種是在金屬殼體上刻槽;另一種是在炸藥裝藥的藥柱外表面預(yù)刻一個(gè)個(gè)的聚能穴,戰(zhàn)斗部爆炸后形成預(yù)定大小的殺傷破片,可以最大限度地避免金屬殼體形成過(guò)大或過(guò)小的破片。同時(shí)依據(jù)打擊目標(biāo)的需要,通過(guò)選定最有效的破片尺寸和形狀,可獲得最佳飛散形式和初速。

    預(yù)制破片是將預(yù)先制成的破片按一定的排列方式裝入戰(zhàn)斗部殼體內(nèi)。

為了提高戰(zhàn)斗部的殺傷能力和炸藥能量利用效率,經(jīng)常把這三種類(lèi)型的破片結(jié)合使用,這樣就為戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)帶來(lái)了更大的難度,因此必須結(jié)合各種分析設(shè)計(jì)手段的使用來(lái)指導(dǎo)戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)。

為使破片性戰(zhàn)斗部對(duì)目標(biāo)具有最佳的毀傷效應(yīng),需要預(yù)先得知破片的特性參數(shù),

對(duì)于受控破片和預(yù)制破片可以通過(guò)簡(jiǎn)單的估算得到破片數(shù)及其質(zhì)量分布。對(duì)于非控破片戰(zhàn)斗部,通過(guò)選擇裝藥與金屬殼體質(zhì)量比﹑殼體材料及其壁厚,可以在一定程度上估算破片數(shù)及其質(zhì)量分布。

    ANSYS/LS-DYNA強(qiáng)大的前處理功能可以非常方便﹑快捷地建立各種形狀復(fù)雜的破片式殺傷戰(zhàn)斗部有限元計(jì)算模型,因此可以充分考慮實(shí)際中戰(zhàn)斗部各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)因素對(duì)爆炸驅(qū)動(dòng)過(guò)程的影響。大量的國(guó)內(nèi)外有關(guān)文獻(xiàn)證實(shí):在破片式殺傷戰(zhàn)斗部的數(shù)值模擬中對(duì)于炸藥及殼體和殺傷元素采用lagrange算法可以準(zhǔn)確模擬從戰(zhàn)斗部起爆到殼體破裂的整個(gè)爆炸驅(qū)動(dòng)過(guò)程,當(dāng)然前提是要能在計(jì)算過(guò)程中時(shí)刻保持炸藥和殼體以及殺傷戰(zhàn)斗部其它結(jié)構(gòu)之間的的合理接觸,從而可以準(zhǔn)確反映炸藥對(duì)戰(zhàn)斗部整個(gè)結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)作用。

此外,采用ANSYS/LS-DYNA中ALE算法和流固耦合功能,可以更好地模擬炸藥與殼體、破片的相互作用,精確地模擬碎片速度,并且可以同時(shí)模擬破片對(duì)目標(biāo)的作用。在此類(lèi)算法中,往往將炸藥和空氣處理為歐拉網(wǎng)格,殼體、破片等處理為拉格郎日網(wǎng)格。此算法的缺點(diǎn)在于歐拉場(chǎng)必須足夠大,從而參與計(jì)算的網(wǎng)格數(shù)量大,計(jì)算周期長(zhǎng)。

5.2.2聚能破甲戰(zhàn)斗部

聚能裝藥射流

聚能裝藥戰(zhàn)斗部主要用來(lái)侵徹和破壞某些特殊的目標(biāo),如車(chē)輛或某些典型結(jié)構(gòu)。對(duì)目標(biāo)造成的破壞是借助高速金屬射流或長(zhǎng)桿侵徹體在目標(biāo)相當(dāng)小的面積上沉積大量的動(dòng)能實(shí)現(xiàn)。在這種高速碰撞過(guò)程中,靶和侵徹體之間產(chǎn)生很高的壓力,致使壓力超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度。對(duì)金屬靶,由于金屬的塑性流動(dòng)將在碰撞表面纏生很深空穴。同時(shí),侵徹體也被塑性流動(dòng)所侵蝕。侵徹過(guò)程中靶板上的空穴深度不斷增加,直到侵徹體消耗殆盡或靶板被完全擊穿為止。

聚能裝藥戰(zhàn)斗部的侵徹機(jī)理與所形成的侵徹體的特性有關(guān),侵徹體可分為聚能裝藥射流﹑半球裝藥侵徹體和爆炸成性彈丸。

    聚能裝藥戰(zhàn)斗部爆炸后,由錐形﹑喇叭形等藥形罩形成金屬射流。當(dāng)藥柱在一端起爆時(shí),在空穴端將造成爆炸產(chǎn)物的能量聚集,形成聚能氣流?？昭▋?nèi)的藥性罩在高壓爆轟產(chǎn)物作用下將產(chǎn)生加速運(yùn)動(dòng),并向裝藥軸線上壓和,發(fā)生碰撞﹑擠壓,在這個(gè)過(guò)程中,罩材料在極短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生非常劇烈的變形,其最大應(yīng)變可達(dá)10以上,應(yīng)變率可達(dá)/s。由于變形時(shí)罩材料的迅速疊加,據(jù)計(jì)算其峰值壓力約達(dá)上百Gpa ,衰減后的平均值也達(dá)20 Gpa。錐形藥型罩材料被壓合到軸線上形成的射流以很高的速度向前運(yùn)動(dòng),其頭部速度可超過(guò)10km/s。藥型罩材料壓合在裝藥軸線上形成的射流約占藥形罩質(zhì)量的15%,其余部分形成運(yùn)動(dòng)較慢的杵。典型射流從頭至尾速度變化約在10~2 km/s之間。由于速度梯度的存在,射流在運(yùn)行過(guò)程中將被拉伸,甚至斷裂成許多顆粒。斷裂的射流顆粒將偏離軸線運(yùn)行,從而造成侵徹深度的下降。

對(duì)爆炸形成金屬射流的完整過(guò)程進(jìn)行Larange 算法的三維數(shù)值模擬是不可能的,原因是在金屬射流形成的過(guò)程中,隨著炸藥材料和藥型罩材料會(huì)發(fā)生愈來(lái)愈劇烈的變形,計(jì)算網(wǎng)格的崎變將會(huì)非常嚴(yán)重,最終導(dǎo)致計(jì)算無(wú)法進(jìn)行下去。采用Dyna程序的多物質(zhì)歐拉算法可實(shí)現(xiàn)射流形成全過(guò)程的三維數(shù)值模擬,在前處理中定義炸藥﹑藥型罩材料和空氣是歐拉網(wǎng)格,同時(shí)允許空間中多種物質(zhì)材料共存于一個(gè)網(wǎng)格。在射流形成過(guò)程中,炸藥爆炸及金屬射流拉伸形成過(guò)程的計(jì)算模型空間較大,金屬射流完全拉伸形成所需時(shí)間較長(zhǎng);再者,精確描述金屬射流的輪廓及其形成過(guò)程需要對(duì)三維空間劃分為極其細(xì)小的計(jì)算網(wǎng)格,這些因素都引起計(jì)算網(wǎng)格數(shù)目非常龐大,計(jì)算時(shí)步減小,計(jì)算時(shí)間加長(zhǎng),需要計(jì)算機(jī)具有很高的CPU 運(yùn)行速度和較大內(nèi)存。在計(jì)算中選取的各材料的材料模型類(lèi)型和狀態(tài)方程如表5-5-1所示:

表5-5-1

    下面給出一個(gè)射流形成過(guò)程三維數(shù)值模擬的算例,在這個(gè)算例中建立四分之一的90度對(duì)稱(chēng)模型,在模型對(duì)稱(chēng)面界定上施加對(duì)稱(chēng)邊界條件。但是結(jié)果可以看總整體模型結(jié)果。三維射流的計(jì)算要點(diǎn)在于在射流的分布路徑上,網(wǎng)格劃分的極其細(xì)小,這樣才能減少計(jì)算中的能量耗散,而且便于分辯射流輪廓。在其它部位網(wǎng)格應(yīng)當(dāng)適當(dāng)加粗,以減少計(jì)算周期。

一般錐形藥形罩具有軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),爆炸載荷作用同樣具有軸對(duì)稱(chēng)性,因此可以采用二維軸對(duì)稱(chēng)單元算法計(jì)算射流形成,在DYNA 程序中提供了這種二維軸對(duì)稱(chēng)Lagrange單元算法。二維計(jì)算金屬射流的基本方法是:炸藥和藥型罩材料采用Lagrange單元,他們之間定義僅滑移或自動(dòng)接觸類(lèi)型的接觸,在計(jì)算過(guò)程中,由于藥型罩材料的計(jì)算網(wǎng)格會(huì)發(fā)生劇烈的崎變,導(dǎo)致計(jì)算時(shí)步減小和程序判斷接觸界面困難,因此,程序在保持藥型罩材料輪廓和單元材料狀態(tài)的前提下對(duì)藥型罩材料網(wǎng)格進(jìn)行自適應(yīng)重劃分,使得計(jì)算能構(gòu)順利進(jìn)行下去。具體在計(jì)算中需要關(guān)注有以下幾個(gè)方面的輸入數(shù)據(jù):

(1)計(jì)算中以整體坐標(biāo)系下的y軸為對(duì)稱(chēng)軸,同時(shí)需要定義通過(guò)坐標(biāo)(0,0,0)位置,垂直于x軸方向的剛性墻,防止計(jì)算網(wǎng)格穿透對(duì)稱(chēng)軸。

(2)定義炸藥和藥型罩材料之間為二維的自動(dòng)接觸。

(3)定義藥型罩材料網(wǎng)格自適應(yīng)重劃分的起始時(shí)間;每次進(jìn)行網(wǎng)格重劃分的時(shí)間間隔;重劃分后單元的特征尺寸大小,這個(gè)值一般給的大小約為mm量級(jí),保證沿藥型罩壁厚方向劃分最少8個(gè)以上的網(wǎng)格,從而能夠清晰反映射流輪廓特征以及能夠分辨沿射流伸長(zhǎng)方向上的速度等物理量變化。

圖5-5-7 石油射孔彈多彈設(shè)孔時(shí)爆轟波三維干擾的優(yōu)化。

爆炸成形彈丸

爆炸成形彈丸(Explosively Formed Projectile,以下簡(jiǎn)稱(chēng)EFP)是利用聚能原理,在炸藥引爆后,形成一個(gè)高速?gòu)椡琛FP一般可分為壓攏型和翻轉(zhuǎn)型。EFP的密實(shí)性較好,動(dòng)能較高,易于以高動(dòng)能侵徹多層裝甲、厚重裝甲或鋼筋混凝土等目標(biāo)。合理設(shè)計(jì)EFP,保證形成盡可能高速的、密實(shí)的、長(zhǎng)徑比大的彈丸,同時(shí)保證其具有良好的氣動(dòng)外形和外彈道性能,以避免在飛行過(guò)程中發(fā)生斷裂、翻滾、阻力過(guò)大、嚴(yán)重失速和偏離彈道,以適合于攻擊較遠(yuǎn)距離的目標(biāo)。EFP的研究日益受到廣泛的重視。

研究和實(shí)踐證明,在EFP的形成過(guò)程中,影響的因素是多方面的,如炸藥的物理性質(zhì)和感度、裝藥的尺寸、外形、直徑和長(zhǎng)度,炸藥的起爆方式,藥性罩材料的塑性、密度和聲速,藥型罩本身的厚度、曲率半徑,EFP側(cè)面、后面約束殼體的厚度,以及加工中的誤差等,都對(duì)EFP的長(zhǎng)細(xì)比、頭尾速度具有重要影響,而這些都于EFP的侵徹和飛行性能直接相關(guān)。一般情況下,EFP的長(zhǎng)度還與侵徹深度幾乎成正比關(guān)系。當(dāng)然EFP的速度也直接影響侵徹深度。因此,通過(guò)數(shù)值計(jì)算設(shè)法優(yōu)化上述參數(shù),獲得大長(zhǎng)細(xì)比、高速度的、飛行特性穩(wěn)定的EFP是提高穿甲威力的有效途徑。

ANSYS/LS-DYNA計(jì)算EFP形成過(guò)程,主要采用拉格郎日法,關(guān)鍵在于計(jì)算到一定時(shí)間,需要將炸藥網(wǎng)格刪除。

圖5-5-8 爆炸成形彈丸形成過(guò)程數(shù)值模擬

JPC裝藥形成桿式侵徹體

JPC(Jetting Projectile Charge)裝藥是介于射流的HL(Hollow Charge)、HEMI(Hemispherical Charge)和自鍛破片EFP (Explosively Formed Projectile)裝藥之間的一種裝藥,其100%的藥型罩質(zhì)量形成侵徹體,侵徹體速度2000—3000m/s,且速度梯度很小,在50倍裝藥口徑炸高時(shí),可侵徹2倍以上裝藥口徑深的均質(zhì)鋼靶。

根據(jù)文獻(xiàn)^[1,2]研究,設(shè)計(jì)如圖1的JPC原理實(shí)驗(yàn)彈,包括主裝藥、波形調(diào)整器和起爆系列三部分。其中,主裝藥由藥型罩、B炸藥、殼體組成;波形調(diào)整器由惰性體、B炸藥、殼體組成;起爆系列由雷管和傳爆藥柱組成。波形調(diào)整器(VESF Device)和主裝藥的間隙可根據(jù)需要變化。

JPC裝藥和EFP裝藥基本類(lèi)似,但兩者藥型罩形狀有區(qū)別,EFP一般采用球缺型罩,而JPC一般采用鵝卵型罩,這樣利于桿式侵徹體的伸長(zhǎng),提高侵徹深度。JPC裝藥的最重要的關(guān)鍵技術(shù)之一是波形調(diào)整器技術(shù),國(guó)外稱(chēng)為VESF Device,由軸對(duì)稱(chēng)炸藥裝藥和變厚度的金屬或其他惰性材料體組成,起爆后,炸藥驅(qū)動(dòng)它向前運(yùn)動(dòng),起爆主裝藥,產(chǎn)生軸對(duì)稱(chēng)“凹”錐形(或喇叭形)的爆轟波,使爆轟能量向中心軸會(huì)聚,可提高侵徹體能量。波形調(diào)整器(VESF Device)和主裝藥有一定的間隙,調(diào)整間隙大小,可實(shí)現(xiàn)JPC向EFP轉(zhuǎn)化,這是實(shí)現(xiàn)多模聚能戰(zhàn)斗部的關(guān)鍵技術(shù)。

5.2.3半穿甲戰(zhàn)斗部

半穿甲戰(zhàn)斗部打擊目標(biāo)可以分成兩個(gè)階段,即彈體對(duì)目標(biāo)的穿深階段和隨后的爆炸毀傷作用階段。半穿甲戰(zhàn)斗部在起爆前的穿深階段,彈體與目標(biāo)的相互作用過(guò)程是一個(gè)高度非線性的碰撞接觸過(guò)程,應(yīng)用ANSYS/LS-DYNA的多種接觸碰撞算法,可對(duì)導(dǎo)彈高速碰撞過(guò)程進(jìn)行模擬仿真,

圖5-5-11半穿甲戰(zhàn)斗部侵徹混凝土過(guò)程

分析導(dǎo)彈在高速碰撞時(shí)彈體結(jié)構(gòu)各部分組件的動(dòng)力響應(yīng),從而檢驗(yàn)﹑校核彈體結(jié)構(gòu)的材料強(qiáng)度;在高速侵徹碰撞階段的數(shù)值模擬中,把炸藥材料作為一般的彈塑性體,分析它的動(dòng)態(tài)受力情況,并與它的最大許用應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比,可以檢驗(yàn)彈體裝藥安定性;并且可以分析彈體侵徹深度及速度隨時(shí)間的變化,從而確定彈體能否滿足對(duì)目標(biāo)的穿深要求;半穿甲戰(zhàn)斗部穿深以后,爆炸作用產(chǎn)生的高速?gòu)椡杌虮Z波自身作用完成對(duì)目標(biāo)的爆炸毀傷作用,這個(gè)過(guò)程一般單獨(dú)進(jìn)行數(shù)值模擬分析。但是,也可以將上述兩個(gè)過(guò)程結(jié)合起來(lái),進(jìn)行侵爆過(guò)程模擬,此時(shí)需要定義炸藥的延遲起爆時(shí)間。

    5.2.4 爆破戰(zhàn)斗部

爆破戰(zhàn)斗部是常用的戰(zhàn)斗部類(lèi)型之一,它在各種介質(zhì)(如:空氣﹑水﹑土壤﹑巖石)中爆炸時(shí),介質(zhì)將受到爆炸氣體產(chǎn)物的強(qiáng)烈沖擊。爆炸氣體產(chǎn)物具有高溫﹑高壓和高密度的特性,必然對(duì)周?chē)橘|(zhì)產(chǎn)生巨大的破壞作用。當(dāng)爆破戰(zhàn)斗部在土壤中爆炸時(shí),在形成爆炸波的同時(shí),還會(huì)產(chǎn)生爆破作用和地震作用,爆炸作用能使地面形成爆炸坑,而爆炸波和地震作用能夠引起地面建筑物和防御工事的振塌和振裂。當(dāng)爆破戰(zhàn)斗部在空氣中爆炸時(shí),大約有60~70%的炸藥爆炸能傳遞給空氣沖擊波,沖擊波作用于目標(biāo)物,給目標(biāo)施加巨大壓力和沖量。爆破戰(zhàn)斗部 它主要依靠爆炸產(chǎn)生的沖擊波作用毀傷目標(biāo),因此它一般裝有比較多的炸藥(裝填系數(shù)高)。如果它在目標(biāo)外部爆炸,那么對(duì)殼體的要求只是能保證強(qiáng)度,以免發(fā)射時(shí)損壞,引信多采用近炸引信,或瞬時(shí)出發(fā)引信。如果需要它在目標(biāo)內(nèi)部爆炸,就要求殼體具有一定的硬度與合適的外形,這樣在穿透目標(biāo)時(shí),彈頭不會(huì)因?yàn)檫^(guò)分變形而影響穿透效率。根據(jù)在目標(biāo)內(nèi)外爆炸的不同,爆破戰(zhàn)斗部有時(shí)候分為內(nèi)爆型戰(zhàn)斗部和外爆型戰(zhàn)斗部。爆破戰(zhàn)斗部適于對(duì)付軟目標(biāo)、工事,特別是在水下爆炸時(shí),由于水的密度大,沖擊波的破壞作用更大。

下面給出了一個(gè)炸藥在空氣中爆炸摧毀擋墻目標(biāo)的算例,在本算例中,炸藥和空氣定義為多物質(zhì)歐拉網(wǎng)格,同時(shí)定義擋墻目標(biāo)為L(zhǎng)agrange網(wǎng)格,擋墻目標(biāo)的Lagrange網(wǎng)格耦合于歐拉網(wǎng)格之中。

5.2.5 連續(xù)桿戰(zhàn)斗部

彈殼是由雙層條狀桿交叉焊接而成。戰(zhàn)斗部爆炸后,連續(xù)桿在爆炸產(chǎn)物作用下,逐步向周?chē)鷶U(kuò)張解開(kāi)而形成一個(gè)輪形的環(huán)。輪形的環(huán)與目標(biāo)相遇就好似一把刀一樣切割目標(biāo),造成一些長(zhǎng)的連續(xù)切口,從而產(chǎn)生良好的殺傷效果。此種效應(yīng)是“剪切效應(yīng)”,故此種戰(zhàn)斗部又稱(chēng)為“切割式”戰(zhàn)斗部。

與破片式戰(zhàn)斗部相比,連續(xù)桿戰(zhàn)斗部具有下列特點(diǎn):(1)對(duì)空中目標(biāo)的切割能力強(qiáng),“擴(kuò)大”了目標(biāo)的要害尺寸。(2)由于桿條的數(shù)量少,在超過(guò)最大擴(kuò)張半徑后,命中目標(biāo)的概率很低,因而它的殺傷效率一般忽略不計(jì),(3)連續(xù)桿的飛散初速較低,威力半徑較小,殺傷面窄,對(duì)導(dǎo)彈的導(dǎo)引精度要求就比較高。美國(guó)“麻雀”111戰(zhàn)斗部就屬于這種形式的戰(zhàn)斗部。

    這種戰(zhàn)斗部的不足是連續(xù)桿環(huán)的擴(kuò)張速度較低,且靜態(tài)殺傷區(qū)通常只是垂直于彈軸的一個(gè)平面,即飛散角近似為零度。這就對(duì)引戰(zhàn)配合提出了特別嚴(yán)格的要求。因此,這種戰(zhàn)斗部只宜用于脫靶量較小、目標(biāo)尺寸較大的情況。在20世紀(jì)五六十年代,空中目標(biāo)以大型為主,即便脫靶量大一些,也還可以使用。但隨著防空導(dǎo)彈作戰(zhàn)對(duì)象日趨復(fù)雜,有時(shí)需要對(duì)付小型目標(biāo),如果不能保證較小的脫靶量,則一般不宜使用這種戰(zhàn)斗部。

5.2.6 離散桿戰(zhàn)斗部

離散桿戰(zhàn)斗部是預(yù)制破片戰(zhàn)斗部的一種特殊形式,離散桿常采用一捆或兩捆金屬桿放置于戰(zhàn)斗部周?chē)?取代常見(jiàn)的彼此分離的柱形破片。其中桿條縱軸往往和戰(zhàn)斗部軸線成某一角度設(shè)置。當(dāng)裝藥爆炸后,桿條迅速向外擴(kuò)張,同時(shí)由于上述小夾角的存在,會(huì)使桿條在飛散過(guò)程中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)﹑翻滾運(yùn)動(dòng),逐漸形成一個(gè)桿條離散的殺傷帶,離散桿的切割能力是其質(zhì)量和速度的函數(shù),離散桿可對(duì)大型輕型結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)性破壞或部件破壞。其對(duì)目標(biāo)殺傷的方向性較強(qiáng),同時(shí)它的殺傷破壞能力與其它形式戰(zhàn)斗部相比大大增強(qiáng),因此提高了殺傷效率,被現(xiàn)代常規(guī)武器戰(zhàn)斗部廣泛使用。

一般結(jié)構(gòu)的離散桿戰(zhàn)斗部的數(shù)值模擬仿真必須建立三維計(jì)算模型,這是因?yàn)?(1)戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)的非軸對(duì)稱(chēng)性,柱形桿條在炸藥裝藥外沿圓周方向均勻排列,桿條縱軸往往和戰(zhàn)斗部軸線成某一小角度設(shè)置,因此使得桿條之間有一定的間隙。雙層桿條一般相互交錯(cuò)排列。(2)爆轟波經(jīng)過(guò)平面波發(fā)生器波形調(diào)節(jié)作用后,沖擊波壓力首先作用于襯筒上,襯筒和桿條以及桿條之間是線接觸,桿條的受力狀態(tài)只能用三維坐標(biāo)系描述。

離散桿戰(zhàn)斗部的數(shù)值模擬仿真中常采用以下兩種單元算法:

ALE(Arbitrary–Lagrangian–Eulerian)多材料與lagrange 結(jié)構(gòu)耦合算法(LS-DYNA單元算法11);

單點(diǎn)拉格朗日(Lagrangian)算法(LS-DYNA單元算法1)。

對(duì)于某些離散桿戰(zhàn)斗部,由于炸藥爆炸后爆轟氣體直接作用于桿條上,采用算法2不能保證爆轟氣體和桿條之間的正常接觸,因此進(jìn)行數(shù)值仿真時(shí)采用算法1,即炸藥周?chē)涮羁諝饨橘|(zhì),炸藥和四周的空氣介質(zhì)均剖分成歐拉(Eulerian)網(wǎng)格,桿條、殼體、前蓋和后蓋均被剖分成拉格朗日網(wǎng)格,置入歐拉網(wǎng)格中。為了消除邊界效應(yīng),空氣介質(zhì)的外邊界設(shè)置成壓力輸出邊界以模擬無(wú)限歐拉場(chǎng)。計(jì)算時(shí)將拉格朗日網(wǎng)格完全放在歐拉場(chǎng)中,程序采用一定的耦合方式求解拉格朗日網(wǎng)格和歐拉空間之間的相互作用,拉格朗日介質(zhì)之間采用自動(dòng)單面接觸(LS-DYNA接觸類(lèi)型13)模擬結(jié)構(gòu)之間的相互作用。

對(duì)于某些離散桿戰(zhàn)斗部彈的數(shù)值仿真,爆轟氣體產(chǎn)物與桿條不發(fā)生直接接觸,采用算法2,可以大大減少計(jì)算時(shí)間。爆轟氣體與襯筒、前后蓋之間的作用以及襯筒與殼體之間的作用均采用僅滑移(Sliding Only)接觸(LS-DYNA接觸類(lèi)型1)模擬結(jié)構(gòu)之間的相互作用。殼體與內(nèi)層桿條之間、內(nèi)外層桿條之間采用面-面接觸(LS-DYNA接觸類(lèi)型3)。

圖5-5-16某離散桿戰(zhàn)斗部桿條在爆轟波作用下的飛散過(guò)程

5.2.7 子母彈拋撒戰(zhàn)斗部

在一個(gè)戰(zhàn)斗部的集合中裝有若干子彈的戰(zhàn)斗部叫子母式戰(zhàn)斗部。子母彈是由母彈和子彈組成一體的。其中,母彈包括炮彈、航彈、火箭彈和導(dǎo)彈諸彈種,子彈包括剛性尾翼的子彈和柔性尾翼(降落傘或飄帶尾翼)的子彈。子彈的數(shù)量、質(zhì)量和形狀主要由子母式戰(zhàn)斗部的空間和質(zhì)量以及對(duì)預(yù)定攻擊目標(biāo)的要求來(lái)確定。子母式戰(zhàn)斗部在母彈動(dòng)作后,子彈被拋出,并按一定的規(guī)律分布在空間。子彈可以是殺傷彈、爆破彈或其它彈種。每個(gè)子彈都帶有自己的引信。在子母彈技術(shù)中,母彈僅起載體作用,最后攻擊目標(biāo)的使命由大量的有控或無(wú)控子彈來(lái)完成,數(shù)目眾多沿不同彈道飛行的子彈可以攻擊一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)。為了達(dá)到最佳作戰(zhàn)效果,要求各個(gè)子彈必須按預(yù)先規(guī)定的散布方式拋撒,各子彈之間、子彈與母彈之間無(wú)碰撞現(xiàn)象發(fā)生,子彈穿越母彈激波后的攻角小,以便使子彈著地時(shí)攻角能接近零度,而且在拋撒過(guò)程中尾翼不被破壞等等。

圖5-5-17裝配有多個(gè)聚能戰(zhàn)斗部子彈的子母彈結(jié)構(gòu)示意圖

圖5-5-18母彈內(nèi)表面刻有的預(yù)應(yīng)力槽

    與質(zhì)量相同的其它整體結(jié)構(gòu)戰(zhàn)斗部相比,子母式戰(zhàn)斗部的主要優(yōu)點(diǎn)是威力范圍較大,導(dǎo)引系統(tǒng)的誤差將完全由子彈的拋射距離所彌補(bǔ)。因此,脫靶量越大,目標(biāo)越大,子母式戰(zhàn)斗部的優(yōu)點(diǎn)越能充分發(fā)揮。這種戰(zhàn)斗部比較適宜用來(lái)對(duì)付集群的空中目標(biāo),也可考慮用這種戰(zhàn)斗部形成破片幕,實(shí)施對(duì)彈道式彈頭的非核攔截。在脫靶量較小時(shí),子母式戰(zhàn)斗部較其它類(lèi)型的戰(zhàn)斗部并不具有優(yōu)勢(shì)。

    子彈的各種散布參數(shù)要求通過(guò)拋撒機(jī)構(gòu)予以實(shí)現(xiàn)的,因此拋撒技術(shù)對(duì)子母彈頭的毀傷效果有著重要的影響。而子母彈拋撒技術(shù)十分復(fù)雜,它涉及到基礎(chǔ)理論和工程應(yīng)用領(lǐng)域諸多問(wèn)題,其中選擇何種拋撒方式使得母彈內(nèi)裝填的子彈能夠?qū)崿F(xiàn)有效的散布以及對(duì)對(duì)在該拋撒方式下的拋撒規(guī)律及其運(yùn)動(dòng)力學(xué)研究是子母彈拋撒技術(shù)的一個(gè)重要課題。此外,幾個(gè)重要的工程參數(shù);子彈的拋撒范圍、拋撒均勻性及子彈散布密度、子彈的拋撒姿態(tài)、拋撒機(jī)構(gòu)的質(zhì)量和體積在研究子母彈斗拋撒技術(shù)時(shí)都加以考慮。

子母彈拋撒存在多種方式,如氣動(dòng)式拋撒、離心式拋撒活塞式拋撒氣囊式拋撒、中心膨脹式拋撒、管式拋撒、爆炸式拋撒等。

爆炸拋撒指以炸藥為能源,實(shí)現(xiàn)母體切殼、拋撒和子彈拋撒一次同步完成的拋撒技術(shù),中心裝藥既作為子彈拋撒的動(dòng)力源,同時(shí)又作為母彈開(kāi)殼、拋撒的能源,肩負(fù)雙任。因此,爆炸拋撒可省略一套切殼、拋殼的火工系統(tǒng),減少了一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié),提高彈頭系統(tǒng)可靠性。

美軍MLRS系統(tǒng)戰(zhàn)斗部拋撒方案是這一方案的雛形。它的中心拋撒裝藥采用的是發(fā)射藥,為了使母彈順利破殼,母彈內(nèi)表面沿軸向刻有預(yù)應(yīng)力槽,其結(jié)構(gòu)如圖5-5-18。

子母彈拋撒可采用的計(jì)算方法:

拉格郎日方法

炸藥和泡膜、子彈、殼體間定義接觸,不能模擬流場(chǎng)流動(dòng),本方法可以適用于子彈速度比較高的子母彈以及離散桿、連續(xù)桿計(jì)算,但不適合子母彈拋撒計(jì)算。

單物質(zhì)歐拉場(chǎng)下的流固耦合

只能有一種物質(zhì)作為歐拉單元,周?chē)h(huán)境采用空網(wǎng)格。泡沫材料采用歐拉單元,炸藥只能采用拉格郎日單元,也不適合子母彈。

多物質(zhì)混合ALE方法和多物質(zhì)ALE法多種物質(zhì)混合,流固之間形成耦合面。

5.2.8 燃料空氣戰(zhàn)斗部

這種戰(zhàn)斗部?jī)?nèi)不裝高能炸藥,而是揮發(fā)性碳?xì)浠衔锏囊簯B(tài)燃料。它引爆后,首先炸裂殼體(容器),釋放燃料;燃料與空氣混合,形成一定濃度的氣溶膠云霧,稱(chēng)為燃料空氣炸藥;然后進(jìn)行第二次引爆,燃料空氣炸藥爆炸,產(chǎn)生高溫火球和高壓沖擊波。這種戰(zhàn)斗部爆炸能量高,可形成分布爆炸,沖擊波持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、威力高、作用面積大,而且它大量消耗空氣中的氧氣。根據(jù)其爆炸特點(diǎn),也被稱(chēng)為窒息彈、氣浪彈、云爆彈。

由于燃料與空氣的混合結(jié)果對(duì)燃料空氣戰(zhàn)斗部的效果影響較大,因此它在使用上受環(huán)境限制較大。但它在對(duì)付大面積軟目標(biāo)、掃雷方面非常有效。

5.3 戰(zhàn)斗部其他應(yīng)用

5.3.1 介質(zhì)(空氣、水、土壤)中爆炸

由于ANSYS LS-DYNA具有Lagrange、Enler和ALE 分析能力,可對(duì)多種介質(zhì)中爆炸進(jìn)行精確的分析模擬。對(duì)彈藥終點(diǎn)效應(yīng)設(shè)計(jì)具有重要意義。

5.3.2 彈靶碰撞與侵徹效應(yīng)

導(dǎo)彈在實(shí)際使用時(shí),通常會(huì)與目標(biāo)碰撞或侵徹一定深度后開(kāi)始起爆,在起爆前的碰撞階段,彈體與目標(biāo)的相互作用過(guò)程是一個(gè)高度非線性、大變形甚至彈體與靶板或結(jié)構(gòu)發(fā)生高應(yīng)變率的斷裂、破壞過(guò)程。

ANSYS LS-DYNA具有豐富的碰撞接觸類(lèi)型和100余種動(dòng)態(tài)材料本構(gòu)模型,可對(duì)導(dǎo)彈在高速碰撞時(shí)結(jié)構(gòu)組件的動(dòng)力響應(yīng)、戰(zhàn)斗部的傳爆系統(tǒng)、彈體的侵徹深度等進(jìn)行深入的模擬分析,以滿足設(shè)計(jì)要求。圖5-5-21是EFP侵徹貫穿層靶和多層靶的圖象。

圖5-5-22是穿甲彈侵徹混凝土等多層硬目標(biāo),圖5-5-23是穿甲彈侵徹鋼靶。

5.4 目前戰(zhàn)斗部主要發(fā)展方向

導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部以摧毀目標(biāo)為最終目的,因而戰(zhàn)斗部改進(jìn)和發(fā)展的中心內(nèi)容是在一定條件下,采取各種有效的技術(shù)途徑,盡可能提高殺傷威力。在單靠增加戰(zhàn)斗部質(zhì)量來(lái)提高戰(zhàn)斗部的威力受到限制的情況下,在一定質(zhì)量條件下,應(yīng)用新理論、新結(jié)構(gòu)和新材料等高新技術(shù),改進(jìn)戰(zhàn)斗部的類(lèi)型、構(gòu)造、裝藥和提高引戰(zhàn)配合效率,以提高戰(zhàn)斗部的殺傷效能,是今后一個(gè)時(shí)期防空導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部的主要發(fā)展途徑。

通過(guò)世界各國(guó)防空導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部的現(xiàn)狀和發(fā)展分析,不難看出一些明顯的趨勢(shì):

積極研制定向戰(zhàn)斗部

過(guò)去各國(guó)的防空導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部其殺傷元素的靜態(tài)分布基本上是圍繞戰(zhàn)斗部縱軸沿徑向均勻分布的。在軸向,殺傷元素集中在“飛散角”這一或?qū)捇蛘膮^(qū)域內(nèi)。不管目標(biāo)位于戰(zhàn)斗部的哪個(gè)方位,在戰(zhàn)斗部爆炸瞬間,目標(biāo)在戰(zhàn)斗部殺傷區(qū)內(nèi)只占很小一部分。也就是說(shuō),戰(zhàn)斗部殺傷元素的大部分并未得到利用。如果想辦法增加目標(biāo)方向的殺傷元素或能量,甚至于把殺傷元素或能量全部集中到目標(biāo)方向上去,將大大提高對(duì)目標(biāo)的殺傷能力。同時(shí),在保持一定殺傷能力的條件下,還可減小戰(zhàn)斗部的質(zhì)量,這對(duì)提高導(dǎo)彈的總體性能也是很有意義的。這種使能量在徑向相對(duì)集中的戰(zhàn)斗部就是定向戰(zhàn)斗部。定向戰(zhàn)斗部的使用,充分發(fā)揮了炸藥的能量,提高了炸藥的利用率。目前,美國(guó)的愛(ài)國(guó)者PAC-3的最新改進(jìn)型和俄羅斯的S-300V系列采用了定向戰(zhàn)斗部,且采用大小兩種質(zhì)量的破片,大大提高了反戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈的能力,并兼有反飛機(jī)和反巡航導(dǎo)彈的能力。同時(shí),引信和導(dǎo)引頭的改進(jìn)保證了定向戰(zhàn)斗部的最佳起爆。

重視發(fā)展全能型戰(zhàn)斗部

這種戰(zhàn)斗部既可以打擊高速目標(biāo)又可以打擊低速目標(biāo),既可以打擊大目標(biāo)又可以打擊小目標(biāo)。比如反飛機(jī)和反導(dǎo)彈功能兼容的戰(zhàn)斗部,在戰(zhàn)術(shù)使用上顯然要靈活得多。但要實(shí)現(xiàn)反導(dǎo)、反飛機(jī)在破片質(zhì)量和破片數(shù)量方面的兼容,需進(jìn)行有針對(duì)性的技術(shù)途徑的研究,并進(jìn)行特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

重視一彈多戰(zhàn)斗部的設(shè)計(jì)思想

在研制一種導(dǎo)彈時(shí),軍方總希望它能擔(dān)負(fù)更多的使命,能有效地攻擊更多種類(lèi)的目標(biāo)。不同類(lèi)型的防空導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部,對(duì)目標(biāo)具有不同的殺傷特性。有的戰(zhàn)斗部在一定的條件下有很好的殺傷效果,但在另一種條件下效果可能不好,甚至很差。因此,必須用不同的戰(zhàn)斗部類(lèi)型才能有效地摧毀和殺傷特定目標(biāo),提高導(dǎo)彈攻擊目標(biāo)的有效性。同時(shí),換裝不同類(lèi)型的戰(zhàn)斗部可以減少導(dǎo)彈型號(hào),也是提高武器效費(fèi)比的重要措施。比如根據(jù)不同的作戰(zhàn)需要,可為一種防空導(dǎo)彈既裝備破片式戰(zhàn)斗部,又裝備連續(xù)桿式或子母式戰(zhàn)斗部,以完成不同的作戰(zhàn)使命。

具有單一反導(dǎo)功能的戰(zhàn)斗部主要是解決好破片質(zhì)量、破片數(shù)量、破片飛散方向及其分布等問(wèn)題,目前這在技術(shù)上能夠?qū)崿F(xiàn)。這種戰(zhàn)斗部和反飛機(jī)戰(zhàn)斗部與艙體的連接方式和連接尺寸完全一樣,也可以互換。

減小戰(zhàn)斗部的質(zhì)量

新一代防空導(dǎo)彈要求減小整個(gè)導(dǎo)彈的起飛質(zhì)量,提高其射程和機(jī)動(dòng)能力,從而使戰(zhàn)斗部質(zhì)量普遍有減小的趨勢(shì)。其主要途徑是采用精確制導(dǎo)技術(shù),提高引戰(zhàn)配合效率,以及使用定向戰(zhàn)斗部。另外,隨著引戰(zhàn)配合技術(shù)的發(fā)展,一個(gè)好的引戰(zhàn)配合設(shè)計(jì)方案是可以在滿足導(dǎo)彈殺傷效率的要求下最大限度地減小戰(zhàn)斗部質(zhì)量。

使戰(zhàn)斗部功能智能化

隨著高新技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用,防空導(dǎo)彈將廣泛采用各種引信啟動(dòng)區(qū)的自適應(yīng)控制技術(shù),即智能化引信,以適應(yīng)不同的交會(huì)條件,提高引戰(zhàn)配合效率,克服過(guò)去的防空導(dǎo)彈引信啟動(dòng)區(qū)不能調(diào)節(jié)的缺陷。如果合理地選用戰(zhàn)斗部并由這種引信自動(dòng)在最佳時(shí)刻引爆,戰(zhàn)斗部可將炸藥裝藥能量形成最佳毀傷元素,有效地作用在目標(biāo)上,達(dá)到毀傷效率最大的目的。

積極發(fā)展低易損性戰(zhàn)斗部

戰(zhàn)斗部的安全性基本上取決于炸藥的安全性?，F(xiàn)在一些國(guó)家研究的低易損性炸藥(又稱(chēng)不敏感炸藥或鈍感炸藥)爆速高,易損性低,熱安定性好,具有不易烤燃、不易薰爆的特點(diǎn),是一類(lèi)以改善安全性能、提高武器生存能力為主要目標(biāo)的新一代混合炸藥。

發(fā)展低易損性戰(zhàn)斗部,對(duì)于提高導(dǎo)彈在未來(lái)復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境條件下的生存力,從而保護(hù)導(dǎo)彈發(fā)射平臺(tái)和使導(dǎo)彈突防時(shí)不被引爆,以及對(duì)于避免戰(zhàn)斗部在運(yùn)輸、儲(chǔ)存和使用等過(guò)程中遇到特殊意外情況時(shí)發(fā)生重大爆炸事故,都有重大意義。

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