爆轰驱动金属壳体断裂数值仿真研究

对破片形成及运动问题的研究在增强战斗部的毁伤效能中具有重要地位. 本文利用数值模拟方法对不同装药结构的破片战斗部壳体在爆炸冲击载荷作用下的响应过程进行了仿真计算,仿真结果与理论计算结果相符,验证了数值模拟方法的可行性. 在此基础上对比分析了不同刻槽受控破片战斗部壳体断裂破片形成过程,得到了刻槽对破片速度的影响规律. 本文结果可为破片战斗部工程设计提供参考.     

横纵刻槽对半预制战斗部破片成型的影响

为分析壳体内刻槽对半预制战斗部破片成型的影响规律，开展了不同工况的仿真计算，并对典型工况进行了试验验证.利用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件，对爆炸载荷条件下破片的破碎断裂规律进行了研究，得到了横向刻槽与纵向刻槽的形状、深度等因素对破片成型的影响关系.研究结果表明:仅有横向刻槽时，将形成较多碎小破片；仅有纵向刻槽时，将形成杆条式破片；同时预制横向刻槽与纵向刻槽时，纵向刻槽深度应比横向刻槽深度小于20%，可得到大小均匀、质量可控的破片；刻槽形状采用"V+V"型或"锯齿（斜口朝起爆点）+V"型时，破片破碎控制效果较好.对典型工况开展了试验研究，试验结果与仿真计算结果较为相似，证明了仿真规律的正确性.      

杆式聚能侵彻体的数值模拟

本文利用LS-DYNA有限元分析软件对半球形药型罩成形形成的杆式聚能侵彻体进行破甲数值模拟,在水介质中侵彻过程和破甲毁伤效果。论文通过水中爆炸和聚能装药理论分析、进行数值模拟和试验验证相结合。     

多模战斗部中定向破片的发散角分析

为了解多模战斗部中的定向破片的特性,分析了在爆炸成形弹丸结构前适当位置安装一个可抛掷的切割网罩的装药结构,并采用LS-DYNA 3D程序,对药型罩经过2种不同切割网罩形成多个破片的过程进行了数值仿真。该装药结构能形成具有一定质量和方向性、速度达到1.5~2.5 m/s的破片群。通过数值仿真并结合试验得到了破片发散角α的计算公式,着重讨论了α与切割金属丝的直径D、材料屈服强度,以及破片与药型罩之间的距离d的关系。得到了:α随着D的增大而增大,材料屈服强度越大越有利于切割,但对α影响不大,而d则需在一定的范围之内才能形成理想的破片,并存在一个最佳值。     

缓冲材料对活性破片战斗部爆炸驱动影响分析

为研究活性破片战斗部爆炸驱动作用行为,采用数值模拟与试验相结合的方法,获得了缓冲层材料及厚度对活性破片战斗部爆炸驱动行为的影响特性.数值模拟结果表明,随着缓冲层厚度的增加,活性破片飞散速度明显降低,4种缓冲材料中,软铝缓冲层对活性破片初速影响最大,且破片初速随缓冲层厚度的增加基本呈线性下降趋势,尼龙和凯夫拉缓冲层对破片初速影响较小;随着缓冲层厚度的增加,活性破片所受载荷明显降低,其中软铝降载荷效果最好,其次为凯夫拉.综合考虑活性破片速度和破片完整性、安定性要求,选择凯夫拉缓冲层较好.最后,通过活性破片战斗部地面静爆试验对数值模拟结果有效性进行了验证,试验结果表明,数值模拟结果与试验结果吻合较好.      

隔栅对EFP破片成型及侵彻的影响

采用在成型装药前端加装金属隔栅的方法形成爆炸成型弹丸(EFP)破片模态,利用LS-DYNA程序仿真研究了隔栅对EFP破片成型及侵彻的影响,得到隔栅位置和结构对形成EFP破片速度和飞散情况的影响规律。研究结果表明,隔栅单元格边长为0.2倍装药口径、隔栅与药型罩端部之间的距离为1/12倍装药口径时,形成的EFP破片速度和散布面积较佳。采用优化的隔栅结构进行试验,试验与数值模拟结果吻合较好,说明该文结果可为多模成型装药的进一步研究提供参考。     

防护材料对爆炸驱动反应破片的影响

 研究了反应破片战斗部在爆轰驱动下反应破片的加载过程。利用AUTODYN-3D有限元计算软件,针对含能破片战斗部作用的特点,建立了破片抛射速度和主装药、隔爆层、破片等参数的数学模型,模拟了主炸药的起爆、爆轰波的传播、防护材料的作用及对破片的初始驱动过程;通过研究不同防护材料对爆炸冲击波的衰减特性,在满足反应破片抛射初速的前提下保证破片不破坏且有足够的抛射速度;对爆炸驱动过程进行理论分析和数值模拟,验证所设计的防护材料对反应破片的防护性能;对理论计算和数值模拟结果进行比较,并分析各影响因素,结论可为含能破片战斗部结构设计提供依据。     

线列式结构毁伤在弯曲载荷下的增益

为了提高破片杀伤战斗部在防空反导任务上的毁伤威力，研究了在弯曲载荷下线列式结构毁伤相较于聚焦式结构毁伤的毁伤效果增益。基于应力集中效应进行了理论分析，设计了模拟飞机外壳受这两种毁伤模式的结构等效靶标并对其在弯曲载荷下的应力分布进行了数值模拟计算和静力学实验验证。研究结果表明，相比于聚焦式结构毁伤，在相同载荷下线列式结构毁伤使目标结构内最大应力平均提高16%，达到屈服破坏所需的载荷平均减少18%。     

钢筋混凝土中爆炸破坏效应数值模拟分析

根据钢筋混凝土介质在内部爆炸载荷作用下毁伤破坏特性,利用LS-DYNA程序流固耦合算法,使用能够反映拉伸破坏的Tayler-Chen-Kuszmanul(TCK)和反映压缩破坏的Holmqust-Johnson-Cook(HJC)材料模型,通过建立分离式钢筋混凝土有限元模型,进行了钢筋混凝土在内部爆炸载荷作用下毁伤破坏效应的数值计算分析. 数值模拟能够很好地模拟钢筋混凝土内部爆炸时中心爆炸空腔压缩面和自由面的拉伸层裂破坏及漏斗坑形成过程,且与试验结果和理论计算吻合较好. 同时,由于钢筋的增强和止裂作用,钢筋混凝土中爆炸漏斗坑成阶梯型,且其破坏范围远小于混凝土介质.     

不同热处理条件下半预制破片战斗部壳体的金相观察分析

为研究不同热处理条件下内刻V形槽20#钢圆柱壳体的破裂机理,进行了爆炸加载破片回收试验,并观测其断面金相组织.结果分析表明:破片以韧性断裂为主,不同的原始组织对断裂模式有一定影响;淬火钢强度高,易形成绝热剪切带,利于控制破片形状和大小;裂纹源开始于刻槽根部,从壳体内表面延伸至外表面,引起壳体破裂.     

优化设计多模战斗部球缺型药型罩结构

运用ANSYS/LS-DYNA仿真软件,采用中心点起爆和环形起爆的方式,对多模战斗部球缺型药型罩进行结构优化设计。选取球缺型药型罩结构参数曲率半径和壁厚仿真进行仿真计算,并对计算结果进行了Matlab三维作图分析。找出了形成多模毁伤元EFP和JPC最优区间所对应的药型罩结构参数范围,其中药型罩曲率半径取0.7～0.9倍装药口径。药型罩壁厚取0.40～0.56倍装药口径。进行了多模毁伤元成型试验研究,试验结果与仿真结果较一致,为今后进一步研究多模战斗部提供了参考依据。     

焊管液压成形极限的数值仿真分析

建立了反映焊缝、热影响区和母材3部分结构的焊管有限元模型,采用应变增量比作为数值仿真中的颈缩判据,计算出液压成形条件下QSTE340焊管的成形极限曲线,并利用数值仿真的工艺路径完成了QSTE340焊管成形极限的实验测定.结果表明,数值仿真所得成形极限曲线与其实验值较为吻合,最先发生颈缩的位置位于紧邻焊接区的母材单元上,与其实验观察的颈缩发生位置相一致,从而验证了所提数值仿真方法的可靠性.     

药型罩参数对EFP成型性能影响的灰关联分析

为了分析药型罩参数对爆炸成型弹丸(EFP)形成的影响,采用数值模拟方法计算出18种不同方案下EFP成型后的性能参数,基于灰理论对EFP战斗部药型罩参数和成型性能参数进行了灰关联分析,得到了影响EFP性能参数的关联度矩阵,利用关联度矩阵指导了EFP战斗部的药型罩参数选择设计。数值仿真结果表明：影响EFP速度的主要因素依次为药型罩维角、材料密度、壁厚,影响EFP长径比的主要因素依次为药型罩材料密度、锥角、壁厚,而且基于灰关联分析结果设计的40 mm EFP战斗部,可以形成高速且具有良好气动外形的EFP,利于提高战斗部毁伤性能。     

爆炸成型弹丸速度计算方法研究

从炸药装药的瞬时爆轰产物飞散理论出发,根据动量守恒原理得出药型罩装药形成爆炸成型弹丸的速度计算模型,并根据装药高度与 直径之比对弹丸速度的影响修正了计算模型。应用该计算模型计算了大锥角药形罩和球缺药型罩装药形成的爆炸成型弹丸速度,计算结果与实 验和数值模拟得到的结果吻合较好,此速度计算模型适合于工程应用。     

截顶辅助型超聚能射流成形理论及正交优化

针对截顶辅助型超聚能装药结构设计及应用问题，建立了截顶辅助型超聚能射流成形微元法理论模型；综合考虑药型罩、炸药、壳体、炸高等因素关键参数，建立了超聚能射流成形特性主控参量量纲一分析模型；通过正交优化方法，揭示了辅助药型罩厚度、辅助药型罩边缘凸出长度、截顶药型罩壁厚、锥角以及炸高对超聚能射流有效射流长度和头部速度的影响规律，获得了5个关键因素影响的主次关系.      

复合反应破片爆炸成型与毁伤实验研究

研究爆炸成型复合反应破片的成型过程及其对目标靶的终点效应.设计了球缺形药型罩的小长径比爆炸成型复合反应破片装药结构方案,应用脉冲X光摄影系统拍摄复合反应破片的形成过程.实验结果表明,药型罩在压垮过程中成功实现对反应材料的包覆,包覆及飞行过程中反应材料性能安定;从破片侵彻靶板结果看出,复合反应破片在撞靶时发生化学反应,毁伤效果比惰性侵彻体有大幅提高,利用金属药型罩动态包覆反应材料形成复合反应破片方法可行.研究结果可为反应破片战斗部的工程应用提供参考.     

双锥罩聚能装药最佳炸高设计方法

为研究聚能装药最佳炸高的设计方法. 通过试验获得34°与40°两种上锥角双锥形药型罩聚能装药在6.0,6.5,7.0,7.5和8.0倍炸高条件下的静破甲深度;同时,进行了同实验工况的数值模拟方法研究;在数值模拟方法获得验证后,通过数值模拟获得了不同上锥角下炸高对双锥罩聚能装药破甲深度的影响规律. 利用内插值法建立了含药型罩锥角和炸高变量的双锥药型罩聚能装药静破甲深度计算公式,获得了静破甲深度随上锥角和炸高变化的三维曲面;据此,确立了双锥罩聚能装药的最佳炸高. 研究结果表明,实验与数值仿真结果一致,验证了所提出的双锥罩聚能装药炸高设计方法的可行性.      

串联EFP成型及侵彻混凝土目标的数值模拟

为更好地打击混凝土结构目标,提高EFP对其侵彻能力. 利用Truegrid建模工具以及Autodyn数值模拟软件,首先对聚能装药双层药型罩形成串联EFP的影响因素进行了研究,并对串联EFP侵彻混凝土介质进行了模拟分析. 仿真结果表明,通过改变双层药型罩战斗部结构,能够调节前后EFP的分离时间,得到串联EFP或前后相连的单一EFP,双层药型罩对混凝土的侵彻性能优于同结构的单层药型罩.     

新型环形聚能射流形成机理研究

为了解决环形聚能射流稳定性差、速度低等缺点,提出了一种新型环形聚能装药结构,基于正交优化方法,采用Autodyn软件对新型环形聚能装药结构进行了优化设计,给出了药型罩壁厚、药型罩曲率半径、聚焦装置锥角、喷孔直径及壳体厚度对射流头部轴向及径向速度的影响,优化出了径向偏转速度低的新型环形聚能射流,并进行了实验验证,实验结果与数值模拟结果基本一致.数值模拟及实验结果均表明,文中提出的新型环形聚能装药结构能够形成环形破孔,在钢靶上破孔直径107 mm,深度28 mm.      

自锻破片侵彻混凝土的数值模拟

为使串联战斗部中的聚能装药结构在短靶距内形成形状和侵彻能力较好的自锻破片(EFP),通过数值模拟的方法,研究了多级串联战斗部中自锻破片的形成及其对混凝土地下掩体的侵彻过程. 通过设计前级聚能装药结构,既保证了随进弹的装药量,又为随进弹的侵彻开辟了适当口径和深度的孔道. 总结了在计算过程中的几个关键步骤和处理方法;研究了药型罩的壁厚、锥角和聚能装药的起爆方式对EFP的影响. 研究结果表明:在二维轴对称的计算模型中,环形起爆方式有利于形成质量较好的EFP;聚能装药的壁厚越大,EFP的直径越大,侵彻深度越小;聚能装药的锥角越大,EFP的直径越大,速度越小.