【新闻】一种用于反舰导弹串联战斗部的环形切割器优化设计邢台

一种用于反舰导弹串联战斗部的环形切割器优化设计李永胜a，王伟力a，姜涛b（海军航空工程学院a.兵器科学与技术系；b.研究生管理大队，山东烟台264001）相等装药条件下，不同药型罩开口角度、不同装药形状的环形切割器对靶板的切割效果进行仿真分析。仿真结步验证了数值仿真的准确性。该结论有助于新型环形切割器的优化设计。

反舰导弹战斗部在侵彻舰艇侧舷、上层建筑时，由于飞行姿态的影响（如攻角、弹道倾角等），导致战斗部着靶姿态不尽如人意，另外由于战斗部侧壁受冲击而引起装药的早爆现象，影响后期的破坏效应。对于多层靶，尤其是首层板壁较厚时，战斗部在侵彻过程中消耗大量的能量，过靶姿态差，严重影响后期的侵爆作用。

因此，可以考虑在反舰导弹战斗部的前端加装一段能形成射流的环形切割装置，形成一个串联战斗部。当战斗部触靶时，前端的环形切割器作用形成一道环形射流对钢板实行切割，便于后续随进战斗部的侵爆作用。

根据上述要求，并结合实际加工的可行性，环形切割器的药型罩开口角度2a取60和90两组，进而选取最优。

处理程序，合理设计环形切割器的形式，使其能够满足最好的毁伤效果。

1环形切割器初步设计反舰导弹串联战斗部采用如所示设计，即：前端采用设计的环形切割器，后端为常规反舰导弹的半穿甲战斗部。其中，环形切割器的设计需满足：切割器开口直径<400mm；药型罩开口直径<80mm；切割器高度<210mm；切割深度250mm（0切割921钢）；30°、60着角时，切割效果尽可能理1.2装药形状根据环形切割器设计要求，在保证切割器质量尽可能相等的情况下，初步设计3种装药形状，如所示，通过模拟仿真，选取最优的装药外形。

m合体'卜锥体f台体环形切割器装药形状方案2环形切割器对靶板作用模型环形切割器整体如上所述，炸高为80mm，为了充分考核环形射流的侵彻效果，靶板厚度取为100mm对于炸药材料采用HighExplosiveBum模型和WL状态方程描述；药型罩材料采用ohnson-cook材料模型和Gruneisen状态方程；靶板采用Elastic-Plastic-Hydro材料模型和Gruneisen状态方程；壳体采用Steinberg材料模型和Gruneisen状态方程；空气采用Null材料模型和Linear-Polynomial状态方程。其主要参数如表1、2所示。

表1金属材料参数名称材料密度/（g/cm.3）屈服强度/MPa杨氏模量/GPa药型罩紫铜壳体均质装甲钢表2装药参数名称材料爆压/GPa装药某炸药为了避免在复杂变形的网格中进行计算，炸药、药型罩、壳体及空气网格采用ALE算法，靶板采用Lagrange算法，两者之间采用流固耦合方法。计算中所有单元类型均选用8节点实体单元solid164.为计算中所用的有限元模型。

着切割器横断轴线开始传播，当到达药型罩表面时，罩金属由于受到强烈的压缩，从四周迅速向对称轴线运动，微元向轴线闭合运动并以较高的速度在轴线上撞击，从罩的内表面挤出部分金属射流，并以更高的速度沿轴线方向向下运动，最后在轴线方向形成一股高速环形射流刀和低速环形体。）数值模拟当2a=90.时，如所示，环形射流最大速度4260m/s，射流头部平均速度为3800m/s左右。

射流最大速度靶板环形切割器侵彻靶板有限元模型3数值模拟与分析bookmark1 3.1药型罩开口角度优选药型罩开口方案如所示。环形切割器采用四点起爆的方式，由起爆点产生的爆轰波向下和沿最大侵彻深度在靶板的中部，约为74.4mm，靶板未穿透。靶板平均切割开口为28.3mm.2a=90.环形切割后靶板效果如所示。

最大侵彻深度在靶板的中部，且中部靶板被穿透。耙板平均切割开口为21.4mm.2=60环形切割后靶板效果如所示。

=60）方案时，爆轰波对药型罩的压合角度小，射流细长且相对质量小，头部速度高，射流对靶板的冲量主要用于穿深，小部分用于靶板扩孔；当采用大锥角（2 =90）方案时，爆轰波对药型罩的压合角度大，射流短粗且相对质量大，头部速度较低，射流对靶板的冲量一部分用于穿深，一部分用于靶板扩孔。

通过对两种药型罩开口角度下侵彻靶板效果的仿真可以看出，60条件下射流头部速度高，切割口径窄，对靶板的侵彻深度大，相对冲量高。整体效果优于90的药型罩。

3.2聚能装药形状优选）数值模拟分别采用所示三种环形切割器装药形状方案，药型罩开口角度为60°，有限元模型如所示。3种装药方案对靶板的切割效果如所示：3种装药形状构成的环形切割器对靶板的作用效果并不相同。组合体装药爆轰切割后，在靶板中心处形成1.8cmx8.4cm的穿孔；半锥体无法穿透靶板；平台体勉强能够穿透靶板，但切割效果并不明显。

在装药基本相等、仿真条件完全一致的前提下，环形切割器对靶板切割效果差别较大的原因是：由于切割器装药形状的不同，影响爆轰波（初始为球面波）对药型罩的压垮速度和角度，如0所示，当装药顶部为一定角度斜体时，爆轰波对药型罩的作用接近为平面波，而采用平台体装药时，爆轰波为典型曲面波，因而影响对药型罩的压合效能；另外，半锥体装药对药型罩底部边缘的压合不充分，也影响了射流的成形质量。

通过模拟仿真可以看出：在相等装药质量下组合体装药形状的环形切割器爆轰波对药型罩的压合更充分，射流对靶板的相对冲量更大，切割效果更为明显。为了保证更为理想的切割效果，还可以考虑在装药中加装隔板、钝感炸药等，更好的保证爆轰波的平面成形效果，提高切割效能。

4结论由前述的仿真可以得出如下结论：1为数值模拟得出的切割区附近的VonMises应力图，可以看出，高应力区（图中颜色较浅部分）主要分布在两倍于切割直径的范围内。传统理论认为，硬度的最高点可以认为是高速变形的范围，由此可以估计高温、高压和高应变率的三高区的范围，通过实验得出的三高区范围为穿孔直径的两倍左右，因此可以认为数值模拟得出的应力分布与传统理论相符。

另外，根据相关实验，在点起爆方式下，射流头部速度约为4625m/s，本模型由于采用的装药与实验的不同，整体切割器的形状也对射流的成形有一定的影响，但端面4706m/s的射流头部速度证明模拟仿真与实验具有很好的一致性。

通过数值模拟，并结合相关实验，可以得出环形切割器的初步方案：①药型罩开口角度为60；②装药采用组合体形状。

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