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:

氣動分析

結(jié)構(gòu)的靜、熱強(qiáng)度(剛度)計(jì)算

結(jié)構(gòu)振動模態(tài)計(jì)算

彈體氣動彈性及發(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)中空氣動力分析、靜強(qiáng)度剛度分析、振動模態(tài)和動力響應(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)彈在飛行過程中的真實(shí)環(huán)境,改變了過去事事處處依靠實(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)分析中要考慮的問題有:

空氣動力分析

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,同一個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),改變了過去只能考慮一種材料和大量地對模型進(jìn)行簡化的設(shè)計(jì)分析方式。

航空器自身及其試驗(yàn)臺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導(dǎo)彈的總體進(jìn)行空氣動力分析,移動壁面的功能可方便地模擬導(dǎo)彈在高速飛行時的湍流情況,計(jì)算升力、阻力。(請參考第6章航空航天氣動解決方案)

ANSYS具有強(qiáng)大的電磁場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)大的單元庫可以提供梁單元、殼單元來對這些類型的彈翼進(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。對于整體彈翼的分析,以往一般要對模型進(jìn)行大量的簡化,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,用戶也可以通過用戶子程序來定義自己的失效準(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,請參考第四章。

以色列Rafael第三結(jié)構(gòu)分析小組對某夾層結(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,同時可以考慮材料的各向異性特性,同時進(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)行第一類和第二類邊界條件的計(jì)算,并能同時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還可以對彈翼進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

翼面的振動特性計(jì)算是一個十分復(fù)雜的問題,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,可以大大減少因簡化它們而帶來的不良影響。ANSYS先進(jìn)的動力響應(yīng)分析軟件ANSYS LS—DYNA可以同時采用集中質(zhì)量矩陣和一致質(zhì)量矩陣、用先進(jìn)的顯式求解方法,能同時求出各種模式,完全能解決在分析時遇到的各種問題。通過分析計(jì)算,可以精確地得出根部支持剛度、支持條件對動力特性和固有頻率的影響,達(dá)到對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

以往對彈翼進(jìn)行分析時,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,徹底解決這一問題。ANSYS高級接觸單元、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。接觸收斂問題是困擾計(jì)算分析人員的一大難題,ANSYS在計(jì)算過程中可根據(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)及時調(diào)整某些非線性參數(shù)的定義,以保證求解收斂,同時程序也會根據(jù)當(dāng)前的非線性參數(shù)狀態(tài),調(diào)整線性預(yù)測、發(fā)散二分等數(shù)學(xué)工具,加快收斂速度。

彈身

整體鑄造倉段

整體鑄造彈身倉段結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,且承受的載荷也相當(dāng)復(fù)雜,不僅有其它倉段傳來的切向載荷,還有內(nèi)部荷重通過接頭傳來的集中力、力矩以及作用于倉段自身的氣動力和慣性力,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)果中的氣動力和溫度場數(shù)據(jù)

以往在進(jìn)行整體鑄造彈身倉段分析時,對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的簡化。現(xiàn)在運(yùn)用ANSYS則可以將倉段殼體離散成殼單元,加強(qiáng)筋離散成梁單元,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、梁單元。后處理中計(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。

整體鑄造彈身倉段是由多種材料組成的,以往在處理這個問題時要進(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,徹底解決這一問題,得到準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。

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

在進(jìn)行彈身振動特性分析時,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)行各個部件的耦合動力響應(yīng)分析,得到準(zhǔn)確的振動特性,再運(yùn)用ANSYS優(yōu)化功能就可以對彈身進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

Sargent—Fletcher使用ANSYS結(jié)構(gòu)分析軟件對彈艙進(jìn)行了靜力和諧振分析,結(jié)果表明,在飛行時攝像機(jī)不會與視窗發(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,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間,即可得到不同的焊接工藝的焊接結(jié)果,從而為焊接過程的優(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可以對箱體和氣瓶分析,可以滿足各種載荷邊界條件,可以對它們進(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

對天線罩的分析集中在熱強(qiáng)度問題上。為滿足雷達(dá)波穿過的需要,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力,而且還要承受氣動加熱。由于導(dǎo)彈的加速快,飛行時間短,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)主要用于長途越野運(yùn)輸、儲存、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問題、高溫高壓燃?xì)鈱Y(jié)構(gòu)的沖刷作用、系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題以及在隨機(jī)載荷作用下的疲勞問題。

導(dǎo)彈發(fā)射過程中,發(fā)射架、發(fā)射車等系統(tǒng)承受很強(qiáng)的瞬態(tài)動力沖擊,ANSYS LS-DYNA顯示求解模塊是公認(rèn)的動力沖擊問題的工業(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)動力響應(yīng)。導(dǎo)彈發(fā)射時,首先要沖破發(fā)射筒的筒蓋,若筒蓋設(shè)計(jì)不合理,嚴(yán)重時會影響彈道,ANSYS LS-DYNA侵徹仿真功能可用于模擬導(dǎo)彈穿過筒蓋的過程,從而為筒蓋的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。圖5-3-1為導(dǎo)彈穿過筒蓋過程示意。

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)動電路等。對該系統(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,提供了對復(fù)雜情況下的模擬,對保證系統(tǒng)可靠地工作提供依據(jù)。

5.戰(zhàn)斗部專題

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)和簡單的理論指導(dǎo),代價大﹑周期長,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)爭對武器裝備的需要。因而,通過數(shù)值模擬,優(yōu)化戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)勢在必行。

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)問題,同時也是多方面關(guān)心的重大課題。戰(zhàn)斗部彈藥爆炸驅(qū)動過程及邊界條件復(fù)雜,材料動態(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)類型的戰(zhàn)斗部數(shù)值模擬問題時,還會有不同的實(shí)際困難。但無論如何困難,總的看來ANSYS/LS-DYNA是戰(zhàn)斗部數(shù)值模擬優(yōu)化的最合適的平臺。下面僅對部分種類的戰(zhàn)斗部的原理和ANSYS/LS-DYNA在設(shè)計(jì)這些戰(zhàn)斗部時的應(yīng)用作一些簡單介紹。

5.1 常規(guī)戰(zhàn)斗部分類

導(dǎo)彈接近目標(biāo)后,通過引爆戰(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 各類戰(zhàn)斗部原理簡介及數(shù)值模擬

5.2.1破片戰(zhàn)斗部

破片戰(zhàn)斗部是最常見、最主要的戰(zhàn)斗部,破片式殺傷戰(zhàn)斗部是對付空中、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)刻一個個的聚能穴,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大或過小的破片。同時依據(jù)打擊目標(biāo)的需要,通過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)常把這三種類型的破片結(jié)合使用,這樣就為戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)帶來了更大的難度,因此必須結(jié)合各種分析設(shè)計(jì)手段的使用來指導(dǎo)戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)。

為使破片性戰(zhàn)斗部對目標(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),

對于受控破片和預(yù)制破片可以通過簡單的估算得到破片數(shù)及其質(zhì)量分布。對于非控破片戰(zhàn)斗部,通過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)因素對爆炸驅(qū)動過程的影響。大量的國內(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爆炸驅(qū)動過程,當(dāng)然前提是要能在計(jì)算過程中時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)確反映炸藥對戰(zhàn)斗部整個結(jié)構(gòu)的驅(qū)動作用。

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,并且可以同時模擬破片對目標(biāo)的作用。在此類算法中,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。

5.2.2聚能破甲戰(zhàn)斗部

聚能裝藥射流

聚能裝藥戰(zhàn)斗部主要用來侵徹和破壞某些特殊的目標(biāo),如車輛或某些典型結(jié)構(gòu)。對目標(biāo)造成的破壞是借助高速金屬射流或長桿侵徹體在目標(biāo)相當(dāng)小的面積上沉積大量的動能實(shí)現(xiàn)。在這種高速碰撞過程中,靶和侵徹體之間產(chǎn)生很高的壓力,致使壓力超過材料的屈服強(qiáng)度。對金屬靶,由于金屬的塑性流動將在碰撞表面纏生很深空穴。同時,侵徹體也被塑性流動所侵蝕。侵徹過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,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,并向裝藥軸線上壓和,發(fā)生碰撞﹑擠壓,在這個過程中,罩材料在極短的時間內(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,其頭部速度可超過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。

對爆炸形成金屬射流的完整過程進(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程中,隨著炸藥材料和藥型罩材料會發(fā)生愈來愈劇烈的變形,計(jì)算網(wǎng)格的崎變將會非常嚴(yán)重,最終導(dǎo)致計(jì)算無法進(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,同時允許空間中多種物質(zhì)材料共存于一個網(wǎng)格。在射流形成過程中,炸藥爆炸及金屬射流拉伸形成過程的計(jì)算模型空間較大,金屬射流完全拉伸形成所需時間較長;再者,精確描述金屬射流的輪廓及其形成過程需要對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)算時步減小,計(jì)算時間加長,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型和狀態(tài)方程如表5-5-1所示:

表5-5-1

    下面給出一個射流形成過程三維數(shù)值模擬的算例,在這個算例中建立四分之一的90度對稱模型,在模型對稱面界定上施加對稱邊界條件。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稱結(jié)構(gòu),爆炸載荷作用同樣具有軸對稱性,因此可以采用二維軸對稱單元算法計(jì)算射流形成,在DYNA 程序中提供了這種二維軸對稱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接觸類型的接觸,在計(jì)算過程中,由于藥型罩材料的計(jì)算網(wǎng)格會發(fā)生劇烈的崎變,導(dǎo)致計(jì)算時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軸為對稱軸,同時需要定義通過坐標(biāo)(0,0,0)位置,垂直于x軸方向的剛性墻,防止計(jì)算網(wǎng)格穿透對稱軸。

(2)定義炸藥和藥型罩材料之間為二維的自動接觸。

(3)定義藥型罩材料網(wǎng)格自適應(yīng)重劃分的起始時間;每次進(jìn)行網(wǎng)格重劃分的時間間隔;重劃分后單元的特征尺寸大小,這個值一般給的大小約為mm量級,保證沿藥型罩壁厚方向劃分最少8個以上的網(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,以下簡稱EFP)是利用聚能原理,在炸藥引爆后,形成一個高速彈丸。EFP一般可分為壓攏型和翻轉(zhuǎn)型。EFP的密實(shí)性較好,動能較高,易于以高動能侵徹多層裝甲、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、長徑比大的彈丸,同時保證其具有良好的氣動外形和外彈道性能,以避免在飛行過程中發(fā)生斷裂、翻滾、阻力過大、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EFP的長細(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,通過數(shù)值計(jì)算設(shè)法優(yōu)化上述參數(shù),獲得大長細(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形成過程,主要采用拉格郎日法,關(guān)鍵在于計(jì)算到一定時間,需要將炸藥網(wǎng)格刪除。

圖5-5-8 爆炸成形彈丸形成過程數(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,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,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),國外稱為VESF Device,由軸對稱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)動它向前運(yùn)動,起爆主裝藥,產(chǎn)生軸對稱“凹”錐形(或喇叭形)的爆轟波,使爆轟能量向中心軸會聚,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)可以分成兩個階段,即彈體對目標(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)的相互作用過程是一個高度非線性的碰撞接觸過程,應(yīng)用ANSYS/LS-DYNA的多種接觸碰撞算法,可對導(dǎo)彈高速碰撞過程進(jìn)行模擬仿真,

圖5-5-11半穿甲戰(zhàn)斗部侵徹混凝土過程

分析導(dǎo)彈在高速碰撞時彈體結(jié)構(gòu)各部分組件的動力響應(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,分析它的動態(tài)受力情況,并與它的最大許用應(yīng)力進(jìn)行對比,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間的變化,從而確定彈體能否滿足對目標(biāo)的穿深要求;半穿甲戰(zhàn)斗部穿深以后,爆炸作用產(chǎn)生的高速彈丸或爆轟波自身作用完成對目標(biāo)的爆炸毀傷作用,這個過程一般單獨(dú)進(jìn)行數(shù)值模擬分析。但是,也可以將上述兩個過程結(jié)合起來,進(jìn)行侵爆過程模擬,此時需要定義炸藥的延遲起爆時間。

    5.2.4 爆破戰(zhàn)斗部

爆破戰(zhàn)斗部是常用的戰(zhàn)斗部類型之一,它在各種介質(zhì)(如:空氣﹑水﹑土壤﹑巖石)中爆炸時,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,必然對周圍介質(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,在形成爆炸波的同時,還會產(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,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,那么對殼體的要求只是能保證強(qiáng)度,以免發(fā)射時損壞,引信多采用近炸引信,或瞬時出發(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,彈頭不會因?yàn)檫^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)斗部適于對付軟目標(biāo)、工事,特別是在水下爆炸時,由于水的密度大,沖擊波的破壞作用更大。

下面給出了一個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,同時定義擋墻目標(biāo)為Lagrange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,逐步向周圍擴(kuò)張解開而形成一個輪形的環(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,對導(dǎo)彈的導(dǎo)引精度要求就比較高。美國“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平面,即飛散角近似為零度。這就對引戰(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)對象日趨復(fù)雜,有時需要對付小型目標(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)斗部周圍,取代常見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,同時由于上述小夾角的存在,會使桿條在飛散過程中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)﹑翻滾運(yùn)動,逐漸形成一個桿條離散的殺傷帶,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。其對目標(biāo)殺傷的方向性較強(qiáng),同時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)的非軸對稱性,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排列。(2)爆轟波經(jīng)過平面波發(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)值仿真時采用算法1,即炸藥周圍充填空氣介質(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限歐拉場。計(jì)算時將拉格朗日網(wǎng)格完全放在歐拉場中,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)之間采用自動單面接觸(LS-DYNA接觸類型13)模擬結(jié)構(gòu)之間的相互作用。

對于某些離散桿戰(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程

5.2.7 子母彈拋撒戰(zhàn)斗部

在一個戰(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)量以及對預(yù)定攻擊目標(biāo)的要求來確定。子母式戰(zhàn)斗部在母彈動作后,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控子彈來完成,數(shù)目眾多沿不同彈道飛行的子彈可以攻擊一個或多個目標(biāo)。為了達(dá)到最佳作戰(zhàn)效果,要求各個子彈必須按預(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,以便使子彈著地時攻角能接近零度,而且在拋撒過程中尾翼不被破壞等等。

圖5-5-17裝配有多個聚能戰(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)斗部比較適宜用來對付集群的空中目標(biāo),也可考慮用這種戰(zhàn)斗部形成破片幕,實(shí)施對彈道式彈頭的非核攔截。在脫靶量較小時,子母式戰(zhàn)斗部較其它類型的戰(zhàn)斗部并不具有優(yōu)勢。

    子彈的各種散布參數(shù)要求通過拋撒機(jī)構(gòu)予以實(shí)現(xiàn)的,因此拋撒技術(shù)對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)有效的散布以及對對在該拋撒方式下的拋撒規(guī)律及其運(yùn)動力學(xué)研究是子母彈拋撒技術(shù)的一個重要課題。此外,幾個重要的工程參數(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)時都加以考慮。

子母彈拋撒存在多種方式,如氣動式拋撒、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力源,同時又作為母彈開殼、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,不能模擬流場流動,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)歐拉場下的流固耦合

只能有一種物質(zhì)作為歐拉單元,周圍環(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)斗部內(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)時間長、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),也被稱為窒息彈、氣浪彈、云爆彈。

由于燃料與空氣的混合結(jié)果對燃料空氣戰(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,可對多種介質(zhì)中爆炸進(jìn)行精確的分析模擬。對彈藥終點(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,通常會與目標(biāo)碰撞或侵徹一定深度后開始起爆,在起爆前的碰撞階段,彈體與目標(biāo)的相互作用過程是一個高度非線性、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、破壞過程。

ANSYS LS-DYNA具有豐富的碰撞接觸類型和100余種動態(tài)材料本構(gòu)模型,可對導(dǎo)彈在高速碰撞時結(jié)構(gòu)組件的動力響應(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,是今后一個時期防空導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部的主要發(fā)展途徑。

通過世界各國防空導(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:

積極研制定向戰(zhàn)斗部

過去各國的防空導(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,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,將大大提高對目標(biāo)的殺傷能力。同時,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,美國的愛國者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,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,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的目標(biāo)。不同類型的防空導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部,對目標(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,換裝不同類型的戰(zhàn)斗部可以減少導(dǎo)彈型號,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)彈要求減小整個導(dǎo)彈的起飛質(zhì)量,提高其射程和機(jī)動能力,從而使戰(zhàn)斗部質(zhì)量普遍有減小的趨勢。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)的開發(fā)與應(yīng)用,防空導(dǎo)彈將廣泛采用各種引信啟動區(qū)的自適應(yīng)控制技術(shù),即智能化引信,以適應(yīng)不同的交會條件,提高引戰(zhàn)配合效率,克服過去的防空導(dǎo)彈引信啟動區(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在最佳時刻引爆,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。現(xiàn)在一些國家研究的低易損性炸藥(又稱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,對于提高導(dǎo)彈在未來復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境條件下的生存力,從而保護(hù)導(dǎo)彈發(fā)射平臺和使導(dǎo)彈突防時不被引爆,以及對于避免戰(zhàn)斗部在運(yùn)輸、儲存和使用等過程中遇到特殊意外情況時發(fā)生重大爆炸事故,都有重大意義。

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