1、JOURNAL OFNORTHUNIVERSITYSCIENCE EDITION)(Sum No.211)(总第2 11期)2023No.5Vol.44中北大学学报(自然科学版)2023年第44卷第5期文章编号:16 7 3-319 3(2 0 2 3)0 5-0 515-0 6基于 Ansys Workbench LS-DYNA的预控破片战斗部成形与飞散特性分析贺磊,傅裕,石晓山,吕文达,张郑伟(吉林江机特种工业有限公司弹药研究所,吉林吉林132 0 0 0)摘要:为了研究预控破片战斗部壳体膨胀破碎后破片群的运动规律,利用AnsysWorkbenchLS-DYNA有限元软件模块对某型杀伤战斗
2、部壳体爆炸成形和飞散过程进行了仿真分析,得到了战斗部破片群的最大速度为132 3m/s,破片速度主要集中在112 5m/s1250m/s之间;单个破片的设计质量为1.4g,形成破片群后破片质量主要集中在1.1g1.3g之间,破片群质量损失为18.35%;破片群形成后测得静态飞散角为7 0。仿真结果表明,破片群中破片的最大速度较改进后的Gurney理论公式计算结果偏低了9.32%,但误差在允许范围之内。同时,其他仿真结果数据也为进一步研究预控破片战斗部提供了理论依据。关键词:AnsysWorkbenchLS-DYNA;预控破片;破片初速分布;Lagrange算法中图分类号:TJ410+3文献标识
3、码:Adoi:10.3969/j.issn.1673-3193.2023.05.005Analysis of Forming and Scattering Characteristics of Pre-ControlledFragment Warhead Based on Ansys Workbench LS-DYNAHE Lei,FU Yu,SHI Xiaoshan,LU Wenda,ZHANG Zhengwei(Ammunition Research Institute of Jilin Jiangji Special Industry Co.,Ltd.,Jilin 132000,Chin
4、a)Abstract:In order to study the movement law of fragments group after the expansion and fragmentationof the shell of the pre controlled fragment warhead,the explosion forming and dispersion process of theshell of a kill warhead was simulated and analyzed by using the Ansys Workbench LS-DYNA finite
5、ele-ment software module.It was found that the maximum velocity of the fragment group of the warheadwas 1 323 m/s,and the fragment velocity was mainly between 1 125 m/s and 1 250 m/s.The designmass of a single fragment is 1.4 g.After forming the fragment group,the fragment mass is mainly be-tween 1.
6、1 g and 1.3 g,and the mass loss of the fragment group is 18.35%.After the formation of thefragment group,the static divergence angle is measured to be 70.The simulation results show that themaximum velocity of fragments in the fragment group is 9.32%lower than that calculated by the im-proved Gurney
7、 theoretical formula,but the error is within the allowable range.At the same time,othersimulation results provide a theoretical basis for further research on the precontrol fragment warhead.Key words:Ansys Workbench LS-DYNA;pre-controlled fragment;fragment initial velocity distribu-tion;Lagrange alg
8、orithm0引言炸药在空气中爆炸的毁伤范围是十分有限的,但是同样当量的炸药爆炸后却可以驱动破片在空气中飞行更远的距离,破片杀伤战斗部便是利用这样的原理来产生高速破片群,并利用破片对目收稿日期:2 0 2 2-10-2 5作者简介:贺磊(19 9 4一),男,硕士,助理工程师,主要从事武器系统总体设计与仿真的研究。516中北大学学学报(自然科学版)2023年第5期标地高速碰撞击、引燃和引爆作用来杀伤目标,以实现更大的毁伤范围1。破片杀伤战斗部一般分为自然破片、预控破片和预制破片,其中预控破片又被称为半预制破片。自然破片形成时形状不规则,尺寸差异较大;在装填系数相同的情况下,预制破片战斗部破片初
9、速比自然破片或预控破片的初速要低10%15%;而预控破片产生的破片大小和形状基本相同,炸药能量利用率较高,获得的有效破片数量较为稳定,因此被广泛应用于杀伤战斗部结构中 2 目前,学者们主要通过Gurney理论公式与有限元软件相结合的方式来确定破片初速的大体范围。杨云川等 31利用ANSYS/LS-DYNA仿真软件对壳体外刻槽战斗部进行了破片初速的研究。吴建萍等 4利用ANSYS/LS-DYNA研究了刻槽式预控破片战斗部刻槽形状对破片速度的影响。Gurney理论公式的计算误差较大,同时,现有主流仿真软件ANSYS/LS-DYNA能得到预控破片战斗部的数据信息有限。2 0 13年,LS-DYNA首
10、次与AnsysWorkbench集成,工程师使用熟悉的Workbench用户界面就能轻松开展LS-DYNA仿真,在之后的几年里,Ansys公司不断丰富着AnsysWorkbench中LS-DYNA模块的功能。直至2 0 19 年,Ansys收购了LSTC公司,进一步加快了对LS-DYNA模块的完善。在发布的Ansys2022R1版本中,LS-DYNA模块已经趋于完整,并对预控破片战斗部爆炸成形与飞散特性进行了仿真分析。本文以某型杀伤战斗部实际结构为基础,采用雷灏等 5的Gurney修正公式对外刻槽壳体破片初速进行理论计算,并使用AnsysWorkbenchLS-DYNA模块对壳体爆炸成形和飞散
11、过程进行了仿真,得到破片群初速、破片群质量、破片群飞散角等重要数据信息。仿真结果表明,破片群破片最大速度与文献 5的Gurney修正公式计算结果基本一致,仿真结果数据为进一步改进某型杀伤战斗部提供了理论依据。1预控破片最大速度的理论计算1.1战斗部结构形式以预控破片杀伤战斗部为研究对象,其外形为圆柱形,呈中心对称结构,壳体外表面正交均匀地分布着矩形沟槽,其中槽宽0.5mm,槽深2.6mm,轴向的槽(竖槽)将圆周分为40 等份,周向的槽(环形槽)沿圆筒长度方向分为2 1等份。其结构示意图如图1所示。外刻槽壳体主装药图1战斗部结构示意图Fig.1Structure diagram of warhe
12、ad1.2预控破片初速计算公式战斗部采用中心起爆的方式,根据Gurney理论对圆柱形装药破片初速计算公式,可得破片群的最大速度为Umax=V2E(1)32式中:V2e为炸药的Gurney特征速度;V2ue=0.52+0.28up,U p 为炸药爆速,爆速单位为mm/s;mc,即炸药与壳体的质量之比。mm1.3有效装药质量和壳体质量的确定1.3.1有效装药质量采用几何法来计算有效装药质量,计算公式为Vm=M(2)式中:m为有效装药质量;M为主装药总质量;Vi为装药总体积;V为有效装药体积。有效装药如图2 阴影部分所示,图2 有效装药等效图Fig.2Equivalent diagram of ef
13、fective charge517磊等)基于AnsysWorkbenchLS-DYNA的预控破片战斗部成形与飞散特性分析(贺(总第2 11期)由图2 可知,装药总质量为m=p元r?h,(3)式中:为装药密度。有效装药质量为1h2m。=p 元r2h-p元230元rh,(4)3X2由式(3)、式(4)联立可得2mcm。(5)3装药总质量m可以通过AnsysWorkbenchLS-DYNA的Mechanical界面直接查看,战斗部装药采用8 7 0 1高能炸药,其质量为7 7 5.6 g,故有效装药质量m。约为517.1g。1.3.2壳体质量壳体质量同样可以通过AnsysWorkbenchLS-DY
14、NA的Mechanical界面查看,壳体采用材料为9 3W,其质量为1152.9 g。1.4破片最大速度的理论计算8701高能炸药的爆速UD为8.42 5mm/s,故由式(1)可得V2v=0.52+0.28X84.25=24.11mm/s,mc517.1=0.4485,mm1 152.9代人式(1)得Umax=1 459 m/s。2预控破片战斗部仿真分析2.1战斗部有限元模型以某型预控破片战斗部为基础建立有限元模型,该战斗部为圆柱形,由外刻槽壳体、主装药和外壳组成。为了简化模型,外壳由两块刚性墙代替,用于防止战斗部在爆炸初期能量的外泄,战斗部有限元模型如图3所示。刚性墙1主装药壳体刚性墙2图3
15、战斗部有限元模型图Fig.33Finiteelementmodel ofwarhead2.2战斗部材料定义2.2.1主装药材料主装药采用8 7 0 1高能炸药,在AnsysWork-bench LS-DYNA的Engineering Data 中托人*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型和*EOS_JWL状态方程模块,并为各参数赋值,其中密度为1.6 8 g/cm,爆压Pc-为30.4GPa,爆速U为8 42 5m/s,A、B、R 1、R 2、w为*EOS_JWL状态方程的5个参数,V为初始相对体积,E。为初始体积能量,各参数取值见表1 6 表18701炸药参数Tab.187
16、01explosiveparametersA/GPaB/GPaR1R2VEo/GPa852.4180.24.61.30.38110.22.2.2壳体材料外刻槽壳体采用高强度钨合金9 3W,在Ansys Workbench LS-DYNA的Engineering Data中托入*MAT_JOHNSON_COOK材料强度模型和*EOS_GRUNEISEN状态方程模块,并为各参数赋值,其中密度为17.6 g/cm,杨氏模量E为411GPa,泊松比为0.2 8,A为初始屈服应力,B为硬化常数,N为硬化指数,C为应变率常数,m为热软化指数,Tm为熔体温度,T,为室温,DD,为*MAT_JOHNSON_C
17、OOK材料模型的5个失效参数,C、S1、S2、S3、为*EOS_GRUNEISEN状态方程的5个参数,各参数取值见表2 表46-8 7表2 壳体*MAT_JOHNSON_COOK强度参数Tab.2Shell*MAT_ JOHNSON_ COOK strength parameterA/GPaB/GPaNCmTm/KT./K1.5060.1770.120.01611.723300表3壳体*MAT_JOHNSON_COOK失效参数Tab.3Shell*MAT_ JOHNSON_ COOK failure parameterDID2D3D4Ds21.773.400表4壳体*EOS_GRUNEISEN
18、参数Tab.4Shell*EOS_GRUNEISENparameterC/(m s-1)S1S2S340291.237001.542.2.3刚性墙材料由于在战斗部爆炸过程中刚性墙并不发生变518中北大学生报(自然科学版)2023年第5期形,只需在 Ansys Workbench LS-DYNA 的Mechanical界面中将刚性墙属性由柔性改为刚性即可,这里将刚性墙的材料定为结构钢(Workbench默认,无需定义)。2.3算法选择ALE、La g r a n g e 和Euler是数值模拟中处理连续体的被广泛应用的3种算法,这3种处理连续体的算法各有优劣。Lagrange算法能够非常精确地描
19、述结构边界的运动,有利于观察壳体破碎后各破片的形状,分析破片质量和质量损失,故本文采用Lagrange算法。2.4侵蚀接触Ansys 2022R1的WorkbenchLS-DYNA提供了3种常用接触算法,即一般接触(General)、侵蚀接触(Eroding)和单面接触(SingleSurfaceOnly)。当单元可能失效时用侵蚀接触,这是因为侵蚀接触能够保证模型外部的单元由于失效被删除后,剩下的单元依然能够考虑接触。由于壳体采用了JC失效准则,故在主装药与壳体之间采用侵蚀接触,并将接触面罚函数因子和目标面罚函数因子设置为1。3仿真结果分析在Ansys Workbench LS-DYNA中完成
20、材料设置、网格划分、接触和起爆点设置后,便可通过LSDYNA程序对预控破片战斗部爆炸过程进行模拟。在程序运行10 s后,为了节省运算时间删除了主装药和刚性墙,但作用在壳体上的压力依然存在,不会影响破片的成形。之后利用LS-DYNARestart模块继续运行程序,以观察破片飞散过程。3.1爆轰波传播及预控破片破碎过程本预控破片战斗部采用中心起爆的方式,爆轰波传播及破片破碎过程如图4所示,由图4可知,在0 s时,由于中心起爆点未起爆,刚性墙、壳体和主装药柱均未发生变形。在0.5s时,可以看到起爆点周围已经形成明显的爆轰波面。在2 s时,爆轰波继续在主装药内传播,直到4.4s时爆轰波波阵面开始与壳体
21、接触。5.9s时爆轰波传递到主装药上下端面,同时壳体也开始发生轻微变形。6.8 s时壳体已发生明显破裂,爆轰波发生反射。在8.5s时,可以看到主装药透过刚性墙与壳体之间的间隙向外溢出,说明主装药开始向外泄出,直至9 s时爆轰波能量消失殆尽。10 s之后删除了主装药和刚性墙,在14.2 s时,破片已基本成形,之后继续向外飞散。(a)O s(b)0.5 s(c)2 s(d)4.4 s(e)5.9s(f)6.8 s(g)8.5 s(h)9us(i)14.2 s图4爆轰波传播及破片破碎过程Fig.4Detonation wave propagation and fragmentfragmentatio
22、nprocess3.2战斗部破片群的初速分布在传统的LS-Prepost界面,很难查看每个成形破片的初速,只能得到破片群的最大速度,如此单一的数据对战斗部设计工作而言往往不能起到指导作用。AnsysWorkbenchLS-DYNA将Workbench的后处理界面融人到LS-DYNA程序中,运用Workbench中的“Probe”(标签)功能可以查看破片群每个破片的初速。将破片速度信息导人至Excel中,发现破片群中破片最大初速为1323m/s。由Gurney改进公式得到的破片初速为1459 m/s,故误差=(1459 132 3)1459=9.32%,在允许范围内。各破片初速分布直方图如图5所
23、示。3503002502001501005001175120012251250127513001325破片初速/(ms-l)图5破片群破片初速分布直方图Fig.5Distribution histogram of initial velocity of fragments由图5可知,破片的初速主要集中在1200m/s1300m/s之间,其中在112 5m/s519磊等)基于AnsysWorkbenchLS-DYNA的预控破片战斗部成形与飞散特性分析(贺(总第2 11期)1250m/s之间的破片数最多,小于117 5m/s和大于130 0 m/s的破片数最少;靠近爆轰中心处的破片速度较大,远离爆
24、轰中心处的破片速度较小。3.3战斗部破片群质量分布破片质量不能在Workbench后处理界面直接查看,需要搭配AnsysWorkbenchLS-DYNA的SpaceClaim模块才能实现破片质量的查看。具体做法是:首先在Workbench后处理界面导出战斗部爆炸成形后的.STL格式文件;然后导入Space-Claim模块,这时破片群为片体结构,需在Space-Claim模块修复并填充成实体;最后设置实体的材料密度,便可查看破片群的总质量或单个破片的质量。测得破片群总质量为9 41.4g,破片群破片质量分布直方图如图6 所示。3002502001501005000.80.91.01.11.21.
25、31.4破片质量/g图6破片群破片质量分布直方图Fig.6Fragment quality distribution histogram of fragment group预控破片战斗部单个破片的设计质量为1.4g。由图6 可知,破片质量分布主要集中在0.7g1.4g之间,其中1.1g1.3g之间的破片数最多,这些破片离爆轰中心较远,受侵蚀的程度较低。然而,质量较小的破片由于靠近爆轰中心,在破裂过程中破片周围侵蚀严重,故在破片成形后其质量偏小。3.4战斗部破片群质量损失破片群的总质量为9 41.4g,壳体质量m为1152.9g,故破片群质量损失=1152.9 一941.4=211.5g,质量损
26、失率g=m/m=211.51152.9=18.35%。3.5战斗部破片群飞散角破片飞散角是指战斗部爆炸后,在战斗部轴线平面内,以质心为顶点所作的包含有效破片90%的锥角,常用Q表示破片的静态飞散角。圆柱形战斗部爆炸后的破片9 0%飞散方向为侧向1,只有靠近端面的破片向远端飞散,逐渐远离破片群主体,故破片群飞散角示意图如图7 所示,待破片上的压力消失后测得破片群飞散角2=70%图7 破片群飞散角示意图Fig.7Schematic diagram of scattering angle of fragment group4结论以某型预控破片战斗部为研究对象,利用AnsysWorkbenchLS-D
27、YNA对其进行数值仿真,得到战斗部破片群最大初速、初速分布、质量分布、质量损失、飞散角等数据信息。仿真结果表明:破片群最大初速较改进后的Gurney理论公式计算结果偏低,两者误差为9.32%;破片群初速主要集中在12 0 0 m/s1300m/s,靠近爆轰中心处的破片速度较大,远离爆轰中心处的破片速度较小;破片群质量主要集中在1.1g1.3g 之间,部分破片受到爆轰气体产物侵蚀导致质量偏低,质量损失率达到18.35%;根据飞散角定义及圆柱形战斗部破片飞散的特点,得到破片群飞散角为7 0。总体而言,在预控破片仿真工作中,Ansys Workbench LS-DYNA 较 Ansys/LS-DY-
28、NA能够获得更多的数据信息,为进一步研究预控破片战斗部提供更为可靠的理论依据。参考文献:1严平,谭波,苗润,等战斗部及其毁伤原理 M.北京:国防工业出版社,2 0 2 0.2 苗春壮,梁增友,邓德志,等。不同形状预控破片成形及毁伤效应研究 J.火炮发射与控制学报,2 0 18,39(4):11-15.MIAO Chunzhuang,LIANG Zengyou,DENG Dezhi,et al.Research on formation and damage effects of上接第514页)520中北大学学报(自然科学版)2023年第5期pre-formed fragments in dif
29、ferent shapes JJ.Journalof Gun Launch and Control,2018,39(4):11-15.(inChinese)3杨云川,厉相宝,万仁毅预制破片初速和飞散角的数值模拟J.弹箭与制导学报,2 0 0 9,2 9(4):9 6-9 8.YANG Yunchuan,LI Xiangbao,WAN Renyi.Nu-merical simulation of the initial velocity and scatteringangle of performed fragments JJ.Journal of Missile,Arrow and Guida
30、nce,2009,29(4):96-98.in Chi-nese)【4吴建萍,邵昭晖半预制破片战斗部仿真分析 J电子世界,2 0 14(16):353.5雷灏,姚志敏,尉广军基于Gurney公式的半预制破片飞散特性研究 J.爆破,2 0 14,31(1):38-41.LEI Hao,YAO Zhimin,YU Guangjun.Research ondispersion characteristics of pre-formed fragmentsbased on Gurney formulaJ.Blasting,2014,31(1):38-41.(in Chinese)15武国梁,解志坚,杨
31、臻,等.某步枪击锤寿命分析 J.火力与指挥控制,2 0 18,43(1):17 9-18 1.WU Guoliang,XIE Zhijian,YANG Zhen,et al.Fa-tigue simulation of certain rifle hammer J.FireControl&Command Control,2018,43(1):17 9-181.(in Chinese)16苑大威,沙金龙,李鸽某自动武器击锤疲劳寿命仿6 辛春亮,薛再清,涂建,等有限元分析常用材料参数手册 M.北京:机械工业出版社,2 0 19.7李金福,智小琦,范兴华钨球及六棱钨柱破片侵彻Q235叠层靶特性研究
32、J.火炮发射与控制学报,2021,42(2):2 8-33.LI Jinfu,ZHI Xiaoqi,FAN Xinghua.Study on thecharacteristics of the tungsten ball and hexagonal tung-sten prism fragments penetrating Q235 laminated Tar-getJJ.Journal of Gun Launch&.Control,2021,42(2):28-33.(in Chinese)8董平,刘婷婷,张鹏程,等。钨合金性能对侵彻影响的数值模拟 J.稀有金属材料与工程,2 0 11,40(
33、10):1748-1751.DONG Ping,LIU T i n g t i n g,ZH A NG Pe n g c h e n g,et al.Numerical simulation of the effects of tungstenalloy properties on penetrationJJ.Rare Metal Materi-als and Engineering,2 0 11,40(10):17 48-17 51.(i nChinese)真分析方法J火炮发射与控制学报,2 0 19,40(2):33-36.YUAN Dawei,SHA Jinlong,LI Ge.Simulation a-nalysis method on fatigue life of a certain automaticweapons hammerJ.Journal of Gun Launch&.Control,2019,40(2):33-36.(in Chinese)