内置式预制破片设计

摘 要:为实现弹丸威力与加工成本的合理匹配,用ANSYS的AutoDyn模块,采用数值仿真方法计算内置式预制破片的初始速度、飞散偏转角、衰减因数和存速能力等以及工艺方面的初始参数,优选出合理的破片大小和形状. 试验表明优选得到的方案是可行的.

关键词:预制破片; 弹丸威力; 破片初速; 存速能力

中图分类号:TJ410.3; TB115

文献标志码:B

Design on embedded preformed fragments

WANG Weibao1,LI Pan2,ZHOU Xuyang1,LIANG Xiulai1

(1.Anhui Shenjian Sci. & Tech. Co., Ltd., Hefei 230022, China;

2.Hefei Military Representative Office of the General Armaments Dept., Hefei 230041, China)

Abstract: To satisfy the rational match of projectile power and processing cost, AutoDyn model of ANSYS and numerical simulation method are used to calculate the parameters of embedded preformed fragments, such as initial velocity, scattering deflection angle, attenuation factor, velocity keeping ability and so on and some initial parameters of manufacturing process. The experiment indicates that the selected solution is feasible.

Key words: preformed fragment; firepower; initial velocity of fragment; velocity keeping ability

な崭迦掌:2009-09-09 修回日期:2009-10-21

作者简介: 王维保(1971―),男,安徽和县人,工程师,研究方向为弹丸设计,(E-mail)0 引 言

预制破片的设计思路是为设计者提供战斗部破片准确形状和大小的最好方法,可以非常好地控制破片,使战斗部爆炸时碎裂程度最小.预制破片战斗部分为外置式和内置式:前者用黏结剂将破片固结在内衬外表面上,起爆时预制破片初速比非预制破片战斗部初速约低10%[1-3];后者将预制成型的钨破片和钢破片置于弹体内腔,不需要内衬,起爆时不会卸压,与非预制破片战斗部的破片相比,预制破片初速不会降低,内置式结构见图1.图 1 内置式预制破片战斗部结构

1 内置式预制破片战斗部设计

1.1 破片设计

1.1.1 预制钨破片设计

钨合金密度大,在飞行过程中速度衰减慢、存速能力强,所以优选钨合金作为穿甲预制破片的材料.在预制破片的设计中,共设计3种方案的预制破片,其径向剖面见图2.

(a)扇型钨块(b)钨珠环(c)刻槽钨环图 2 预制破片径向剖面ど杓迫嗽崩用ANSYS的AutoDyn模块对确定的3种方案进行模拟仿真以确定其初速及存速.仿真时预制钨环采用Lagrange单元,聚能炸药和空气采用Euler单元,2种单元之间的相互作用通过流固耦合方法实现,最终完整模拟预置钨环爆炸及分散的全部过程.为提高仿真计算效率,采用1/4对称模型.表1为各部件状态方程及材料模型,表2为3种方案仿真结果及工艺性对比情况.

表 1 各部件的状态方程及材料模型部件名称材料状态方程强度模型失效模型预置钨环钨GruneisenJohnson-CookGeometricstrain聚能炸药TNTJWLHydro空气airIdeal-Gasけ 2 3种方案仿真结果及工艺性对比方案质量/g初速/(m•s-1)8 m处存速/(m•s-1)工艺性成本扇形钨块5.051033945复杂高钨珠环4.23 950862复杂高刻槽钨环5.051012940简单低ご颖2可以看出,采用刻槽钨环可最大限度利用弹体空间、提高单枚破片质量,且装填工艺简单,因此确定采用内置式刻槽钨环技术方案.

2.1.2 预制钢破片设计

为提高有效杀伤破片数,设计在壳体内内置小钨珠预制环和预制钢破片的技术方案.为了降低成本,在威力指标达到的情况下,采用考虑半预制钢环和预制钢珠环2种设计的预制钢破片技术方案,见图3.

(a)刻螺旋槽半ぴぶ聘只 (b)刻直槽半ぴぶ聘只(c)预制钢珠环ね 3 半预制钢环和预制钢珠环ふ2种设计可通过破碎性试验选取;半预制钢环材料采用与弹体材料刚度匹配的50SiMnVB,设计刻直槽和刻螺旋槽2种.

通过基础试验发现,在一定装填比条件下刻螺旋槽成菱形破片的半预制钢环,爆炸后破片形状较好、穿透率高,故选择刻螺旋槽的设计方案.

1.2 威力分析

1.2.1 破片总数

弹丸爆炸后形成自然破片、预制钨破片和预制钢破片.破片总数ИN=N1+N2+N3И式中:N1为自然破片数;N2为预制钨合金破片数;N3为预制钢破片数.其中1 g以上自然破片数可根据经验公式N1=3 200(1-α)αm1/21估算.破片总数的计算结果见表3.け 3 内置式预制破片战斗部破片数枚N1N2N3N1 9003008003 0001.2.2 破片初速及飞散角

在预制破片速度工程中,一般采用对预制破片结构修正的Gurney公式估算:Иv0=Deβ5×(2+β)И式中:β为炸药和弹体质量比.

破片的飞散角一般采用Shapiro公式计算:ИИtan θs=v02Decos(π/2-吉1+吉2)И实验表明,采用以上工程计算公式计算误差较大,特别是破片飞散角计算误差较大,故采用数值仿真方法计算破片的初始参数.

仿真计算采用ANSYS的AutoDyn 2D模块,在HP工作站上进行.预制破片战斗部的头螺和尾锥体材料为硬铝,壳体和钢环材料为高破片率钢,预制穿甲破片材料为钨,炸药为TNT.┆[4]

弹体在爆炸不同时刻壳体膨胀及飞散过程见┩4,破片飞散方向的速度矢量图见图5,钨破片的初速分布见图6,破片速度沿轴向的分布见图7,破片飞散角沿轴向的分布见图8,破片初始参数仿真计算结果见表4.(a)t=0 μs(b)t=20 μs(c)t=40 μs(d)t=70 μs图 4 壳体膨胀及飞散过程图 5 破片飞散方向的速度矢量图ね 6 钨破片的初速分布ね 7 破片速度沿轴向的分布ね 8 破片飞散角沿轴向的分布け4 破片初始参数仿真计算结果钨破片て骄初速/(m•s-1)自然破片て骄初速/(m•s-1)预制钨破片し缮⒔/(°)全弹破片し缮⒔/(°)1 0121 1003.5(91～94.5)6.9(91～97.9)1.2.3 破片存速

由公式Иvx=v0e-CdρaS2mfx和S=m2/3fИЪ扑憧傻闷破在不同飞行距离的存速.式中:吉为破片的形状因数;Cd为破片阻力因数;x为飞行距离;ρa为空气密度;mf为破片质量;S为破片平均迎风面积.

不同距离处钨破片的存速见表5.け5 不同距离处钨破片的存速破片ぶ柿/g衰减ひ蚴初速/(m•s-1)6 m处ご嫠/(m•s-1)8 m处ご嫠/(m•s-1)10 m处ご嫠/(m•s-1)5.050.008 881 0129769409041.2.4 预制破片贯穿钢板的三维数值仿真

用AutoDyn仿真计算钨破片贯穿10 mm装甲钢板的过程.破片的着靶速度取破片在6 m处的存速976 m/s.┆[5-6]

破片贯穿装甲钢板不同时刻靶板破坏过程的三维图像见图9,破片贯穿钢板过程速度衰减曲线见图10.从图9可以看出,破片贯穿钢板的前期,钢板为塑性穿孔破坏,后期为冲塞剪切破坏.破片在贯穿过程中产生较大的塑性变形及质量侵蚀.图10表明破片贯穿钢板后仍然具有190 m/s的剩余速度,因此所设计的预制破片具有在6 m处贯穿10 mm装甲钢板的能力,并具有二次毁伤能力.

(a)5 μs(b)25 μs(c)40 μs(d)60 μs图 9 破片贯穿装甲钢板的过程ね 10 破片贯穿钢板过程速度衰减曲线1.3 威力验证试验

1.3.1 有效破片密集杀伤半径

主要采用有效破片密集杀伤半径分析人员目标的毁伤效能.扇形靶试验采用有效破片密集杀伤半径衡量弹丸的杀伤威力,并求出各扇形靶上的有效杀伤破片数.利用扇形靶试验数据按动能杀伤准则计算得到的内置式预制破片战斗部N-R图见图11.

ね 11 内置式预制破片战斗部N-R图

结果表明内置式预制破片战斗部有效破片密集杀伤半径为33 m.满足战斗部的有效破片密集杀伤半径27 m的设计要求.

1.3.2 穿甲面密度

主要采用穿甲面密度衡量装甲目标的毁伤效能.静爆试验是获得穿甲面密度的主要手段,而面密度通过统计各靶板的穿孔数除以钢板有效穿孔区域面积获得.

静爆试验后统计各靶板的穿孔数并计算出最终穿孔面密度为2.88 枚/m2,结果表明内置式预制破片战斗部的穿孔面密度满足1.8 枚/m2设计要求.