ANSYS在导弹设计中的应用

2013-06-09  by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM  来源:仿真在线

第五章 ANSYS在导弹设计中的应用

随着航空工业的发展,导弹的结构无论在形式、受力情况及边界条件等方面均变得十分复杂。同时可靠性和设计周期的需求,要求所采取的设计方法不但精度要高而且速度要快。

在导弹设计中主要分析有:

气动分析

结构的静、热强度(刚度)计算

结构振动模态计算

弹体气动弹性及发散计算

广泛应用于航空工业的ANSYS软件,已经成功地解决了导弹设计中空气动力分析、静强度刚度分析、振动模态和动力响应分析、稳定性分析、热分析,电磁分析等。它可以最大限度地模拟导弹在飞行过程中的真实环境,改变了过去事事处处依靠实验的做法,从而大幅度地节约了经费,缩短了设计周期。

1.总体设计分析

在导弹总体设计分析中要考虑的问题有:

空气动力分析

频率和振型

线性和非线性静态和瞬态的应力

失稳分析

导弹抗外界冲击分析

导弹的雷达反射特性以及红外辐射特性

ANSYS的动力响应分析功能可以快速地进行模态和振型计算,特别是非线性材料,如导弹上大量使用的复合材料等。ANSYS可考虑许多因素对模态和振型的影响,可以准确地计算出导弹在各种条件下的模态和振型。在进行分析时,同一个分析模型可以存在多种材料,ANSYS方便的前处理可以帮助设计人员最大限度地模拟导弹的真实结构,改变了过去只能考虑一种材料和大量地对模型进行简化的设计分析方式。

航空器自身及其试验台上常常有榫头连接结构,图5-5-1~5-1-4 为榫头连接强度的分析,计算凸头与凹头间、螺栓与本体间的接触应力。

ANSYS的流体分析功能可以对导弹的总体进行空气动力分析,移动壁面的功能可方便地模拟导弹在高速飞行时的湍流情况,计算升力、阻力。(请参考第6章航空航天气动解决方案)

ANSYS具有强大的电磁场分析功能和热辐射分析功能,可以很方便地计算导弹的雷达和红外隐身特性。(请参考第8章天线及RCS设计)

2.零部件设计分析

2.1弹翼

无论是骨架较强而蒙皮较弱的弹翼、骨架和蒙皮强度接近的弹翼或是骨架很弱而蒙皮很强的弹翼,ANSYS强大的单元库可以提供梁单元、壳单元来对这些类型的弹翼进行分析,也可以用三维实体单元真实地模拟局部的实际情况。对于整体弹翼的分析,以往一般要对模型进行大量的简化,影响了分析精度,运用ANSYS良好前处理功能可以帮助设计人员最大限度地模拟弹翼的真实结构,提高分析准确性。在分析里可以考虑多种材料多种单元并存。ANSYS强大的复合材料计算功能完全可以解决蜂窝夹层结构的弹翼分析。

借助于多层壳及实体单元(ANSYS共有250层的复合材料壳单元和实体单元)能建立复合材料模型,这些单元允许叠加各向同性或各向异性材料层,各层的层厚和材料方向允许各不相同。ANSYS提供的失效准则有最大应变失效准则、最大应力失效准则和Tsai—Wu失效准则,用户也可以通过用户子程序来定义自己的失效准则。ANSYS的复合材料功能特别适合于有大量复合材料的导弹系统。关于复合材料的更多信息,请参考第四章。

以色列Rafael第三结构分析小组对某夹层结构的弹翼进行了分析,采用了SHELL99单元,取得了满意的结果。图5-2-1为最外层的应力云图。

ANSYS强大的热分析功能,可以考虑材料性质随温度的变化,同时可以考虑材料的各向异性特性,同时进行热载荷和静载荷的藕合计算,完全可以满足弹翼的热力分析。

ANSYS的热传导单元,能进行第一类和第二类边界条件的计算,并能同时考虑材料的各向异性,如复合材料等。

弹翼既要满足静强度,还要满足稳定性的要求,ANSYS还可以对弹翼进行稳定性分析。

翼面的振动特性计算是一个十分复杂的问题,特别是现代导弹翼面结构,多是整体薄板型或实心板型的小展弦比翼面,这种翼面的特征值和特征矢量的计算要比飞机翼面的计算要复杂的多。它除了受到翼面的结构和几何外型的影响外,还要受到支持条件的影响。运用ANSYS最大限度地接近真实结构和几何外型,可以大大减少因简化它们而带来的不良影响。ANSYS先进的动力响应分析软件ANSYS LS—DYNA可以同时采用集中质量矩阵和一致质量矩阵、用先进的显式求解方法,能同时求出各种模式,完全能解决在分析时遇到的各种问题。通过分析计算,可以精确地得出根部支持刚度、支持条件对动力特性和固有频率的影响,达到对结构进行优化设计的目的。

以往对弹翼进行分析时,由于条件的限制,通常将根部视为固支边界,这显然是不合理的,现在ANSYS提供了强大接触单元,则可以进行弹身—弹翼联合计算,彻底解决这一问题。ANSYS高级接触单元、接触导向、智能化接触参数设置能帮助设计工程师方便快捷的进行接触非线性分析。接触收敛问题是困扰计算分析人员的一大难题,ANSYS在计算过程中可根据当前的非线性状态(如塑性应变率、蠕变应变率、接触间隙等)及时调整某些非线性参数的定义,以保证求解收敛,同时程序也会根据当前的非线性参数状态,调整线性预测、发散二分等数学工具,加快收敛速度。

弹身

整体铸造仓段

整体铸造弹身仓段结构比较复杂,且承受的载荷也相当复杂,不仅有其它仓段传来的切向载荷,还有内部荷重通过接头传来的集中力、力矩以及作用于仓段自身的气动力和惯性力,ANSYS方便的载荷施加方式可实现上述载荷边界条件。ANSYS可根据自定义坐标系,方便地在节点或单元面上施加任意方向的集中力、面力和力矩,也可直接读取流体计算和热传导计算结果中的气动力和温度场数据

以往在进行整体铸造弹身仓段分析时,对结构进行了大量的简化。现在运用ANSYS则可以将仓段壳体离散成壳单元,加强筋离散成梁单元,形成混合单元以达到最佳的分析效果。

在前处理中,ANSYS可按实际形状显示壳、梁单元。后处理中计算结果也可显示在按实际形状显示的壳、梁结构上,从而使弹仓段的模型检查、结果表达更加清晰方便。

考虑到整体铸造弹身仓段结构规模比较大,在ANSYS软件中可以进行“先粗后细”的子模型结构分析,可以先进行整体“粗网格计算”,然后根据粗网格计算结果选出关心的部位,进行网格细分。ANSYS的子模型分析功能可自动从整体计算结果中取出细分区域边界上的位移结果,通过按形函数插值施加在子区模型的边界上。

整体铸造弹身仓段是由多种材料组成的,以往在处理这个问题时要进行不同模量材料之间的折算,ANSYS完全可以计算在同一模型中存在多种材料的情况,彻底解决这一问题,得到准确的计算结果。

在整体铸造弹身仓段对接处,用接触单元进行计算,可以达到真实的受力情况,无须进行边界条件的假设。

在进行弹身振动特性分析时,运用ANSYS可以最大限度地接近真实地模型,运用大规模网格和强大的接触分析,可以进行各个部件的耦合动力响应分析,得到准确的振动特性,再运用ANSYS优化功能就可以对弹身进行优化设计。

Sargent—Fletcher使用ANSYS结构分析软件对弹舱进行了静力和谐振分析,结果表明,在飞行时摄像机不会与视窗发生接触,为设计者提供了可信的结果(图5-2-2)。

充压容器

导弹上的箱体和气瓶可以归入充压容器这一大类,为了确保导弹使用中燃料输送系统的安全正常的工作,它们必须确保气密和有足够的强度,在结构上多用焊接结构。ANSYS“单元死活技术”、“相变分析技术”为焊接过程的模型提供了良好的解决方案。单元死活技术可模拟材料的去除与添加过程,随焊缝中焊料的不断加入,可逐步击活相应部分的单元,使其参与传热、承载;相变分析可准确地模拟焊料由液相到固相的过程,待计算到焊缝中的焊料全部冷却凝固、冷却后,即可得到焊接件的残余应力和变形;改变单元激活的步骤及时间,即可得到不同的焊接工艺的焊接结果,从而为焊接过程的优化提供了依据。

图5-2-3为采用ANSYS进行的焊缝应力分析,分析中采用了“死单元和活单元”。

运用ANSYS可以对箱体和气瓶分析,可以满足各种载荷边界条件,可以对它们进行准确的静力分析及有可能出现的大变形(包括塑性变形)等非线性分析。

天线罩

对天线罩的分析集中在热强度问题上。为满足雷达波穿过的需要,天线罩均由非金属材料制成,导弹主要使用玻璃钢,在结构上由两部分组成:一部分为内外蒙皮加蜂窝夹芯的罩体,另一部分是较厚的实心玻璃钢。在导弹飞行中天线罩不但要承受头部气动力,而且还要承受气动加热。由于导弹的加速快,飞行时间短,因此,这两种载荷是瞬态的。

ANSYS成熟的瞬态分析及热—结构耦合分析功能,不仅能够实现上述材料非线性,而且可以完成上述复杂的载荷边界条件。运用ANSYS来进行天线罩的热强度分析,能够大大减少实验,从而节省经费,缩短设计周期。

3.导弹发射系统的设计分析

导弹发射系统是导弹武器系统不可缺少的重要组成部分。它具有高集成化、多连装、抗打击等优良性能和快速补给能力。该系统主要用于长途越野运输、储存、发射、装入和卸出导弹。ANSYS能分析发射系统中所涉及的冲击振动问题、高温高压燃气对结构的冲刷作用、系统的稳定性问题以及在随机载荷作用下的疲劳问题。

导弹发射过程中,发射架、发射车等系统承受很强的瞬态动力冲击,ANSYS LS-DYNA显示求解模块是公认的动力冲击问题的工业分析标准,可很好地解决发射系统高度非线性的瞬态动力响应。导弹发射时,首先要冲破发射筒的筒盖,若筒盖设计不合理,严重时会影响弹道,ANSYS LS-DYNA侵彻仿真功能可用于模拟导弹穿过筒盖的过程,从而为筒盖的设计提供依据。图5-3-1为导弹穿过筒盖过程示意。

4.视景系统设计分析

在巡航导弹中包含很重要的一部分即下视景系统及其匹配系统的研制,具体包括有成象系统研制,包括镜头、成象器、窗口等;照明系统研制,包括闪光灯,反光器、窗口、电源及激励电路等;稳定系统研制,包括稳定框架、控制电路、驱动电路等。对该系统在受热、承载等复杂条件下,系统仍能保证可靠地工作,ANSYS可以对这些光学系统进行结构分析、冷却分析、热分析,提供了对复杂情况下的模拟,对保证系统可靠地工作提供依据。

5.战斗部专题

战斗部是导弹(或火箭弹)直接用于催毁﹑杀伤目标,完成战斗使命的部件。各种战斗部的基本设计思想就是在一定的战术条件下,具有最高的杀伤效率,有时要在一定效率指标要求下,达到最小体积﹑最轻重量或最低的成本等。传统的导弹战斗部设计,只能靠实物试验和简单的理论指导,代价大﹑周期长,因此传统的战斗部设计方法已经不能满足现代战争对武器装备的需要。因而,通过数值模拟,优化战斗部设计势在必行。

战斗部数值模拟是爆炸力学计算领域的难点问题,同时也是多方面关心的重大课题。战斗部弹药爆炸驱动过程及边界条件复杂,材料动态特性描述困难、三维计算模型巨大,这是战斗部数值模拟的难点所在。当然具体到各种结构类型的战斗部数值模拟问题时,还会有不同的实际困难。但无论如何困难,总的看来ANSYS/LS-DYNA是战斗部数值模拟优化的最合适的平台。下面仅对部分种类的战斗部的原理和ANSYS/LS-DYNA在设计这些战斗部时的应用作一些简单介绍。

5.1 常规战斗部分类

导弹接近目标后,通过引爆战斗部的方式达到杀伤目标的目的。常规装药战斗部主要有:

(1)破片战斗部,包括:

(a) 非控破片战斗部主要指光滑壳体战斗部

(b) 受控破片战斗部主要包括外刻槽战斗部、内刻槽战斗部和带有塑料花纹的薄内衬战斗部

(c) 预制破片战斗部

(2)聚能装药战斗部,包括:

(a)聚能装药射流﹑半球装药侵彻体

(b) 爆炸成性弹丸(EFP)

(c)杆式射流(JPC)

(3)半穿甲战斗部

(4)爆破战斗部(a)内爆战斗部(b)外爆战斗部

(5)连续杆战斗部

(6)离散杆战斗部

(7)子母弹抛撒战斗部

     (8)燃料空气战斗部

5.2 各类战斗部原理简介及数值模拟

5.2.1破片战斗部

破片战斗部是最常见、最主要的战斗部,破片式杀伤战斗部是对付空中、地面目标的多用途战斗部。其特点是利用战斗部爆炸后产生的杀伤破片对目标进行毁伤。破片的特性参数包括破片数量﹑破片初速﹑破片质量分布和空间分布。破片战斗部的破片一般有三种类型:非控破片、受控破片和预制破片三种。

非控破片是在战斗部爆炸作用下整体式壳体破裂后形成大小不一、形状不规则的破片。这类破片的特性参数是相当复杂的,它涉及到战斗部材料和结构的诸多因素。

受控破片有两种:一种是在金属壳体上刻槽;另一种是在炸药装药的药柱外表面预刻一个个的聚能穴,战斗部爆炸后形成预定大小的杀伤破片,可以最大限度地避免金属壳体形成过大或过小的破片。同时依据打击目标的需要,通过选定最有效的破片尺寸和形状,可获得最佳飞散形式和初速。

    预制破片是将预先制成的破片按一定的排列方式装入战斗部壳体内。

为了提高战斗部的杀伤能力和炸药能量利用效率,经常把这三种类型的破片结合使用,这样就为战斗部设计带来了更大的难度,因此必须结合各种分析设计手段的使用来指导战斗部设计。

为使破片性战斗部对目标具有最佳的毁伤效应,需要预先得知破片的特性参数,

对于受控破片和预制破片可以通过简单的估算得到破片数及其质量分布。对于非控破片战斗部,通过选择装药与金属壳体质量比﹑壳体材料及其壁厚,可以在一定程度上估算破片数及其质量分布。

    ANSYS/LS-DYNA强大的前处理功能可以非常方便﹑快捷地建立各种形状复杂的破片式杀伤战斗部有限元计算模型,因此可以充分考虑实际中战斗部各种复杂结构因素对爆炸驱动过程的影响。大量的国内外有关文献证实:在破片式杀伤战斗部的数值模拟中对于炸药及壳体和杀伤元素采用lagrange算法可以准确模拟从战斗部起爆到壳体破裂的整个爆炸驱动过程,当然前提是要能在计算过程中时刻保持炸药和壳体以及杀伤战斗部其它结构之间的的合理接触,从而可以准确反映炸药对战斗部整个结构的驱动作用。

此外,采用ANSYS/LS-DYNA中ALE算法和流固耦合功能,可以更好地模拟炸药与壳体、破片的相互作用,精确地模拟碎片速度,并且可以同时模拟破片对目标的作用。在此类算法中,往往将炸药和空气处理为欧拉网格,壳体、破片等处理为拉格郎日网格。此算法的缺点在于欧拉场必须足够大,从而参与计算的网格数量大,计算周期长。

5.2.2聚能破甲战斗部

聚能装药射流

聚能装药战斗部主要用来侵彻和破坏某些特殊的目标,如车辆或某些典型结构。对目标造成的破坏是借助高速金属射流或长杆侵彻体在目标相当小的面积上沉积大量的动能实现。在这种高速碰撞过程中,靶和侵彻体之间产生很高的压力,致使压力超过材料的屈服强度。对金属靶,由于金属的塑性流动将在碰撞表面缠生很深空穴。同时,侵彻体也被塑性流动所侵蚀。侵彻过程中靶板上的空穴深度不断增加,直到侵彻体消耗殆尽或靶板被完全击穿为止。

聚能装药战斗部的侵彻机理与所形成的侵彻体的特性有关,侵彻体可分为聚能装药射流﹑半球装药侵彻体和爆炸成性弹丸。

    聚能装药战斗部爆炸后,由锥形﹑喇叭形等药形罩形成金属射流。当药柱在一端起爆时,在空穴端将造成爆炸产物的能量聚集,形成聚能气流。空穴内的药性罩在高压爆轰产物作用下将产生加速运动,并向装药轴线上压和,发生碰撞﹑挤压,在这个过程中,罩材料在极短的时间内产生非常剧烈的变形,其最大应变可达10以上,应变率可达/s。由于变形时罩材料的迅速叠加,据计算其峰值压力约达上百Gpa ,衰减后的平均值也达20 Gpa。锥形药型罩材料被压合到轴线上形成的射流以很高的速度向前运动,其头部速度可超过10km/s。药型罩材料压合在装药轴线上形成的射流约占药形罩质量的15%,其余部分形成运动较慢的杵。典型射流从头至尾速度变化约在10~2 km/s之间。由于速度梯度的存在,射流在运行过程中将被拉伸,甚至断裂成许多颗粒。断裂的射流颗粒将偏离轴线运行,从而造成侵彻深度的下降。

对爆炸形成金属射流的完整过程进行Larange 算法的三维数值模拟是不可能的,原因是在金属射流形成的过程中,随着炸药材料和药型罩材料会发生愈来愈剧烈的变形,计算网格的崎变将会非常严重,最终导致计算无法进行下去。采用Dyna程序的多物质欧拉算法可实现射流形成全过程的三维数值模拟,在前处理中定义炸药﹑药型罩材料和空气是欧拉网格,同时允许空间中多种物质材料共存于一个网格。在射流形成过程中,炸药爆炸及金属射流拉伸形成过程的计算模型空间较大,金属射流完全拉伸形成所需时间较长;再者,精确描述金属射流的轮廓及其形成过程需要对三维空间划分为极其细小的计算网格,这些因素都引起计算网格数目非常庞大,计算时步减小,计算时间加长,需要计算机具有很高的CPU 运行速度和较大内存。在计算中选取的各材料的材料模型类型和状态方程如表5-5-1所示:

表5-5-1

    下面给出一个射流形成过程三维数值模拟的算例,在这个算例中建立四分之一的90度对称模型,在模型对称面界定上施加对称边界条件。但是结果可以看总整体模型结果。三维射流的计算要点在于在射流的分布路径上,网格划分的极其细小,这样才能减少计算中的能量耗散,而且便于分辩射流轮廓。在其它部位网格应当适当加粗,以减少计算周期。

一般锥形药形罩具有轴对称结构,爆炸载荷作用同样具有轴对称性,因此可以采用二维轴对称单元算法计算射流形成,在DYNA 程序中提供了这种二维轴对称Lagrange单元算法。二维计算金属射流的基本方法是:炸药和药型罩材料采用Lagrange单元,他们之间定义仅滑移或自动接触类型的接触,在计算过程中,由于药型罩材料的计算网格会发生剧烈的崎变,导致计算时步减小和程序判断接触界面困难,因此,程序在保持药型罩材料轮廓和单元材料状态的前提下对药型罩材料网格进行自适应重划分,使得计算能构顺利进行下去。具体在计算中需要关注有以下几个方面的输入数据:

(1)计算中以整体坐标系下的y轴为对称轴,同时需要定义通过坐标(0,0,0)位置,垂直于x轴方向的刚性墙,防止计算网格穿透对称轴。

(2)定义炸药和药型罩材料之间为二维的自动接触。

(3)定义药型罩材料网格自适应重划分的起始时间;每次进行网格重划分的时间间隔;重划分后单元的特征尺寸大小,这个值一般给的大小约为mm量级,保证沿药型罩壁厚方向划分最少8个以上的网格,从而能够清晰反映射流轮廓特征以及能够分辨沿射流伸长方向上的速度等物理量变化。

图5-5-7 石油射孔弹多弹设孔时爆轰波三维干扰的优化。

爆炸成形弹丸

爆炸成形弹丸(Explosively Formed Projectile,以下简称EFP)是利用聚能原理,在炸药引爆后,形成一个高速弹丸。EFP一般可分为压拢型和翻转型。EFP的密实性较好,动能较高,易于以高动能侵彻多层装甲、厚重装甲或钢筋混凝土等目标。合理设计EFP,保证形成尽可能高速的、密实的、长径比大的弹丸,同时保证其具有良好的气动外形和外弹道性能,以避免在飞行过程中发生断裂、翻滚、阻力过大、严重失速和偏离弹道,以适合于攻击较远距离的目标。EFP的研究日益受到广泛的重视。

研究和实践证明,在EFP的形成过程中,影响的因素是多方面的,如炸药的物理性质和感度、装药的尺寸、外形、直径和长度,炸药的起爆方式,药性罩材料的塑性、密度和声速,药型罩本身的厚度、曲率半径,EFP侧面、后面约束壳体的厚度,以及加工中的误差等,都对EFP的长细比、头尾速度具有重要影响,而这些都于EFP的侵彻和飞行性能直接相关。一般情况下,EFP的长度还与侵彻深度几乎成正比关系。当然EFP的速度也直接影响侵彻深度。因此,通过数值计算设法优化上述参数,获得大长细比、高速度的、飞行特性稳定的EFP是提高穿甲威力的有效途径。

ANSYS/LS-DYNA计算EFP形成过程,主要采用拉格郎日法,关键在于计算到一定时间,需要将炸药网格删除。

图5-5-8 爆炸成形弹丸形成过程数值模拟

JPC装药形成杆式侵彻体

JPC(Jetting Projectile Charge)装药是介于射流的HL(Hollow Charge)、HEMI(Hemispherical Charge)和自锻破片EFP (Explosively Formed Projectile)装药之间的一种装药,其100%的药型罩质量形成侵彻体,侵彻体速度2000—3000m/s,且速度梯度很小,在50倍装药口径炸高时,可侵彻2倍以上装药口径深的均质钢靶。

根据文献^[1,2]研究,设计如图1的JPC原理实验弹,包括主装药、波形调整器和起爆系列三部分。其中,主装药由药型罩、B炸药、壳体组成;波形调整器由惰性体、B炸药、壳体组成;起爆系列由雷管和传爆药柱组成。波形调整器(VESF Device)和主装药的间隙可根据需要变化。

JPC装药和EFP装药基本类似,但两者药型罩形状有区别,EFP一般采用球缺型罩,而JPC一般采用鹅卵型罩,这样利于杆式侵彻体的伸长,提高侵彻深度。JPC装药的最重要的关键技术之一是波形调整器技术,国外称为VESF Device,由轴对称炸药装药和变厚度的金属或其他惰性材料体组成,起爆后,炸药驱动它向前运动,起爆主装药,产生轴对称“凹”锥形(或喇叭形)的爆轰波,使爆轰能量向中心轴会聚,可提高侵彻体能量。波形调整器(VESF Device)和主装药有一定的间隙,调整间隙大小,可实现JPC向EFP转化,这是实现多模聚能战斗部的关键技术。

5.2.3半穿甲战斗部

半穿甲战斗部打击目标可以分成两个阶段,即弹体对目标的穿深阶段和随后的爆炸毁伤作用阶段。半穿甲战斗部在起爆前的穿深阶段,弹体与目标的相互作用过程是一个高度非线性的碰撞接触过程,应用ANSYS/LS-DYNA的多种接触碰撞算法,可对导弹高速碰撞过程进行模拟仿真,

图5-5-11半穿甲战斗部侵彻混凝土过程

分析导弹在高速碰撞时弹体结构各部分组件的动力响应,从而检验﹑校核弹体结构的材料强度;在高速侵彻碰撞阶段的数值模拟中,把炸药材料作为一般的弹塑性体,分析它的动态受力情况,并与它的最大许用应力进行对比,可以检验弹体装药安定性;并且可以分析弹体侵彻深度及速度随时间的变化,从而确定弹体能否满足对目标的穿深要求;半穿甲战斗部穿深以后,爆炸作用产生的高速弹丸或爆轰波自身作用完成对目标的爆炸毁伤作用,这个过程一般单独进行数值模拟分析。但是,也可以将上述两个过程结合起来,进行侵爆过程模拟,此时需要定义炸药的延迟起爆时间。

    5.2.4 爆破战斗部

爆破战斗部是常用的战斗部类型之一,它在各种介质(如:空气﹑水﹑土壤﹑岩石)中爆炸时,介质将受到爆炸气体产物的强烈冲击。爆炸气体产物具有高温﹑高压和高密度的特性,必然对周围介质产生巨大的破坏作用。当爆破战斗部在土壤中爆炸时,在形成爆炸波的同时,还会产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够引起地面建筑物和防御工事的振塌和振裂。当爆破战斗部在空气中爆炸时,大约有60~70%的炸药爆炸能传递给空气冲击波,冲击波作用于目标物,给目标施加巨大压力和冲量。爆破战斗部 它主要依靠爆炸产生的冲击波作用毁伤目标,因此它一般装有比较多的炸药(装填系数高)。如果它在目标外部爆炸,那么对壳体的要求只是能保证强度,以免发射时损坏,引信多采用近炸引信,或瞬时出发引信。如果需要它在目标内部爆炸,就要求壳体具有一定的硬度与合适的外形,这样在穿透目标时,弹头不会因为过分变形而影响穿透效率。根据在目标内外爆炸的不同,爆破战斗部有时候分为内爆型战斗部和外爆型战斗部。爆破战斗部适于对付软目标、工事,特别是在水下爆炸时,由于水的密度大,冲击波的破坏作用更大。

下面给出了一个炸药在空气中爆炸摧毁挡墙目标的算例,在本算例中,炸药和空气定义为多物质欧拉网格,同时定义挡墙目标为Lagrange网格,挡墙目标的Lagrange网格耦合于欧拉网格之中。

5.2.5 连续杆战斗部

弹壳是由双层条状杆交叉焊接而成。战斗部爆炸后,连续杆在爆炸产物作用下,逐步向周围扩张解开而形成一个轮形的环。轮形的环与目标相遇就好似一把刀一样切割目标,造成一些长的连续切口,从而产生良好的杀伤效果。此种效应是“剪切效应”,故此种战斗部又称为“切割式”战斗部。

与破片式战斗部相比,连续杆战斗部具有下列特点:(1)对空中目标的切割能力强,“扩大”了目标的要害尺寸。(2)由于杆条的数量少,在超过最大扩张半径后,命中目标的概率很低,因而它的杀伤效率一般忽略不计,(3)连续杆的飞散初速较低,威力半径较小,杀伤面窄,对导弹的导引精度要求就比较高。美国“麻雀”111战斗部就属于这种形式的战斗部。

    这种战斗部的不足是连续杆环的扩张速度较低,且静态杀伤区通常只是垂直于弹轴的一个平面,即飞散角近似为零度。这就对引战配合提出了特别严格的要求。因此,这种战斗部只宜用于脱靶量较小、目标尺寸较大的情况。在20世纪五六十年代,空中目标以大型为主,即便脱靶量大一些,也还可以使用。但随着防空导弹作战对象日趋复杂,有时需要对付小型目标,如果不能保证较小的脱靶量,则一般不宜使用这种战斗部。

5.2.6 离散杆战斗部

离散杆战斗部是预制破片战斗部的一种特殊形式,离散杆常采用一捆或两捆金属杆放置于战斗部周围,取代常见的彼此分离的柱形破片。其中杆条纵轴往往和战斗部轴线成某一角度设置。当装药爆炸后,杆条迅速向外扩张,同时由于上述小夹角的存在,会使杆条在飞散过程中产生旋转﹑翻滚运动,逐渐形成一个杆条离散的杀伤带,离散杆的切割能力是其质量和速度的函数,离散杆可对大型轻型结构造成严重的结构性破坏或部件破坏。其对目标杀伤的方向性较强,同时它的杀伤破坏能力与其它形式战斗部相比大大增强,因此提高了杀伤效率,被现代常规武器战斗部广泛使用。

一般结构的离散杆战斗部的数值模拟仿真必须建立三维计算模型,这是因为:(1)战斗部结构的非轴对称性,柱形杆条在炸药装药外沿圆周方向均匀排列,杆条纵轴往往和战斗部轴线成某一小角度设置,因此使得杆条之间有一定的间隙。双层杆条一般相互交错排列。(2)爆轰波经过平面波发生器波形调节作用后,冲击波压力首先作用于衬筒上,衬筒和杆条以及杆条之间是线接触,杆条的受力状态只能用三维坐标系描述。

离散杆战斗部的数值模拟仿真中常采用以下两种单元算法:

ALE(Arbitrary–Lagrangian–Eulerian)多材料与lagrange 结构耦合算法(LS-DYNA单元算法11);

单点拉格朗日(Lagrangian)算法(LS-DYNA单元算法1)。

对于某些离散杆战斗部,由于炸药爆炸后爆轰气体直接作用于杆条上,采用算法2不能保证爆轰气体和杆条之间的正常接触,因此进行数值仿真时采用算法1,即炸药周围充填空气介质,炸药和四周的空气介质均剖分成欧拉(Eulerian)网格,杆条、壳体、前盖和后盖均被剖分成拉格朗日网格,置入欧拉网格中。为了消除边界效应,空气介质的外边界设置成压力输出边界以模拟无限欧拉场。计算时将拉格朗日网格完全放在欧拉场中,程序采用一定的耦合方式求解拉格朗日网格和欧拉空间之间的相互作用,拉格朗日介质之间采用自动单面接触(LS-DYNA接触类型13)模拟结构之间的相互作用。

对于某些离散杆战斗部弹的数值仿真,爆轰气体产物与杆条不发生直接接触,采用算法2,可以大大减少计算时间。爆轰气体与衬筒、前后盖之间的作用以及衬筒与壳体之间的作用均采用仅滑移(Sliding Only)接触(LS-DYNA接触类型1)模拟结构之间的相互作用。壳体与内层杆条之间、内外层杆条之间采用面-面接触(LS-DYNA接触类型3)。

图5-5-16某离散杆战斗部杆条在爆轰波作用下的飞散过程

5.2.7 子母弹抛撒战斗部

在一个战斗部的集合中装有若干子弹的战斗部叫子母式战斗部。子母弹是由母弹和子弹组成一体的。其中,母弹包括炮弹、航弹、火箭弹和导弹诸弹种,子弹包括刚性尾翼的子弹和柔性尾翼(降落伞或飘带尾翼)的子弹。子弹的数量、质量和形状主要由子母式战斗部的空间和质量以及对预定攻击目标的要求来确定。子母式战斗部在母弹动作后,子弹被抛出,并按一定的规律分布在空间。子弹可以是杀伤弹、爆破弹或其它弹种。每个子弹都带有自己的引信。在子母弹技术中,母弹仅起载体作用,最后攻击目标的使命由大量的有控或无控子弹来完成,数目众多沿不同弹道飞行的子弹可以攻击一个或多个目标。为了达到最佳作战效果,要求各个子弹必须按预先规定的散布方式抛撒,各子弹之间、子弹与母弹之间无碰撞现象发生,子弹穿越母弹激波后的攻角小,以便使子弹着地时攻角能接近零度,而且在抛撒过程中尾翼不被破坏等等。

图5-5-17装配有多个聚能战斗部子弹的子母弹结构示意图

图5-5-18母弹内表面刻有的预应力槽

    与质量相同的其它整体结构战斗部相比,子母式战斗部的主要优点是威力范围较大,导引系统的误差将完全由子弹的抛射距离所弥补。因此,脱靶量越大,目标越大,子母式战斗部的优点越能充分发挥。这种战斗部比较适宜用来对付集群的空中目标,也可考虑用这种战斗部形成破片幕,实施对弹道式弹头的非核拦截。在脱靶量较小时,子母式战斗部较其它类型的战斗部并不具有优势。

    子弹的各种散布参数要求通过抛撒机构予以实现的,因此抛撒技术对子母弹头的毁伤效果有着重要的影响。而子母弹抛撒技术十分复杂,它涉及到基础理论和工程应用领域诸多问题,其中选择何种抛撒方式使得母弹内装填的子弹能够实现有效的散布以及对对在该抛撒方式下的抛撒规律及其运动力学研究是子母弹抛撒技术的一个重要课题。此外,几个重要的工程参数;子弹的抛撒范围、抛撒均匀性及子弹散布密度、子弹的抛撒姿态、抛撒机构的质量和体积在研究子母弹斗抛撒技术时都加以考虑。

子母弹抛撒存在多种方式,如气动式抛撒、离心式抛撒活塞式抛撒气囊式抛撒、中心膨胀式抛撒、管式抛撒、爆炸式抛撒等。

爆炸抛撒指以炸药为能源,实现母体切壳、抛撒和子弹抛撒一次同步完成的抛撒技术,中心装药既作为子弹抛撒的动力源,同时又作为母弹开壳、抛撒的能源,肩负双任。因此,爆炸抛撒可省略一套切壳、抛壳的火工系统,减少了一个关键环节,提高弹头系统可靠性。

美军MLRS系统战斗部抛撒方案是这一方案的雏形。它的中心抛撒装药采用的是发射药,为了使母弹顺利破壳,母弹内表面沿轴向刻有预应力槽,其结构如图5-5-18。

子母弹抛撒可采用的计算方法:

拉格郎日方法

炸药和泡膜、子弹、壳体间定义接触,不能模拟流场流动,本方法可以适用于子弹速度比较高的子母弹以及离散杆、连续杆计算,但不适合子母弹抛撒计算。

单物质欧拉场下的流固耦合

只能有一种物质作为欧拉单元,周围环境采用空网格。泡沫材料采用欧拉单元,炸药只能采用拉格郎日单元,也不适合子母弹。

多物质混合ALE方法和多物质ALE法多种物质混合,流固之间形成耦合面。

5.2.8 燃料空气战斗部

这种战斗部内不装高能炸药,而是挥发性碳氢化合物的液态燃料。它引爆后,首先炸裂壳体(容器),释放燃料;燃料与空气混合,形成一定浓度的气溶胶云雾,称为燃料空气炸药;然后进行第二次引爆,燃料空气炸药爆炸,产生高温火球和高压冲击波。这种战斗部爆炸能量高,可形成分布爆炸,冲击波持续时间长、威力高、作用面积大,而且它大量消耗空气中的氧气。根据其爆炸特点,也被称为窒息弹、气浪弹、云爆弹。

由于燃料与空气的混合结果对燃料空气战斗部的效果影响较大,因此它在使用上受环境限制较大。但它在对付大面积软目标、扫雷方面非常有效。

5.3 战斗部其他应用

5.3.1 介质(空气、水、土壤)中爆炸

由于ANSYS LS-DYNA具有Lagrange、Enler和ALE 分析能力,可对多种介质中爆炸进行精确的分析模拟。对弹药终点效应设计具有重要意义。

5.3.2 弹靶碰撞与侵彻效应

导弹在实际使用时,通常会与目标碰撞或侵彻一定深度后开始起爆,在起爆前的碰撞阶段,弹体与目标的相互作用过程是一个高度非线性、大变形甚至弹体与靶板或结构发生高应变率的断裂、破坏过程。

ANSYS LS-DYNA具有丰富的碰撞接触类型和100余种动态材料本构模型,可对导弹在高速碰撞时结构组件的动力响应、战斗部的传爆系统、弹体的侵彻深度等进行深入的模拟分析,以满足设计要求。图5-5-21是EFP侵彻贯穿层靶和多层靶的图象。

图5-5-22是穿甲弹侵彻混凝土等多层硬目标,图5-5-23是穿甲弹侵彻钢靶。

5.4 目前战斗部主要发展方向

导弹战斗部以摧毁目标为最终目的,因而战斗部改进和发展的中心内容是在一定条件下,采取各种有效的技术途径,尽可能提高杀伤威力。在单靠增加战斗部质量来提高战斗部的威力受到限制的情况下,在一定质量条件下,应用新理论、新结构和新材料等高新技术,改进战斗部的类型、构造、装药和提高引战配合效率,以提高战斗部的杀伤效能,是今后一个时期防空导弹战斗部的主要发展途径。

通过世界各国防空导弹战斗部的现状和发展分析,不难看出一些明显的趋势:

积极研制定向战斗部

过去各国的防空导弹战斗部其杀伤元素的静态分布基本上是围绕战斗部纵轴沿径向均匀分布的。在轴向,杀伤元素集中在“飞散角”这一或宽或窄的区域内。不管目标位于战斗部的哪个方位,在战斗部爆炸瞬间,目标在战斗部杀伤区内只占很小一部分。也就是说,战斗部杀伤元素的大部分并未得到利用。如果想办法增加目标方向的杀伤元素或能量,甚至于把杀伤元素或能量全部集中到目标方向上去,将大大提高对目标的杀伤能力。同时,在保持一定杀伤能力的条件下,还可减小战斗部的质量,这对提高导弹的总体性能也是很有意义的。这种使能量在径向相对集中的战斗部就是定向战斗部。定向战斗部的使用,充分发挥了炸药的能量,提高了炸药的利用率。目前,美国的爱国者PAC-3的最新改进型和俄罗斯的S-300V系列采用了定向战斗部,且采用大小两种质量的破片,大大提高了反战术弹道导弹的能力,并兼有反飞机和反巡航导弹的能力。同时,引信和导引头的改进保证了定向战斗部的最佳起爆。

重视发展全能型战斗部

这种战斗部既可以打击高速目标又可以打击低速目标,既可以打击大目标又可以打击小目标。比如反飞机和反导弹功能兼容的战斗部,在战术使用上显然要灵活得多。但要实现反导、反飞机在破片质量和破片数量方面的兼容,需进行有针对性的技术途径的研究,并进行特殊的结构设计。

重视一弹多战斗部的设计思想

在研制一种导弹时,军方总希望它能担负更多的使命,能有效地攻击更多种类的目标。不同类型的防空导弹战斗部,对目标具有不同的杀伤特性。有的战斗部在一定的条件下有很好的杀伤效果,但在另一种条件下效果可能不好,甚至很差。因此,必须用不同的战斗部类型才能有效地摧毁和杀伤特定目标,提高导弹攻击目标的有效性。同时,换装不同类型的战斗部可以减少导弹型号,也是提高武器效费比的重要措施。比如根据不同的作战需要,可为一种防空导弹既装备破片式战斗部,又装备连续杆式或子母式战斗部,以完成不同的作战使命。

具有单一反导功能的战斗部主要是解决好破片质量、破片数量、破片飞散方向及其分布等问题,目前这在技术上能够实现。这种战斗部和反飞机战斗部与舱体的连接方式和连接尺寸完全一样,也可以互换。

减小战斗部的质量

新一代防空导弹要求减小整个导弹的起飞质量,提高其射程和机动能力,从而使战斗部质量普遍有减小的趋势。其主要途径是采用精确制导技术,提高引战配合效率,以及使用定向战斗部。另外,随着引战配合技术的发展,一个好的引战配合设计方案是可以在满足导弹杀伤效率的要求下最大限度地减小战斗部质量。

使战斗部功能智能化

随着高新技术的开发与应用,防空导弹将广泛采用各种引信启动区的自适应控制技术,即智能化引信,以适应不同的交会条件,提高引战配合效率,克服过去的防空导弹引信启动区不能调节的缺陷。如果合理地选用战斗部并由这种引信自动在最佳时刻引爆,战斗部可将炸药装药能量形成最佳毁伤元素,有效地作用在目标上,达到毁伤效率最大的目的。

积极发展低易损性战斗部

战斗部的安全性基本上取决于炸药的安全性。现在一些国家研究的低易损性炸药(又称不敏感炸药或钝感炸药)爆速高,易损性低,热安定性好,具有不易烤燃、不易薰爆的特点,是一类以改善安全性能、提高武器生存能力为主要目标的新一代混合炸药。

发展低易损性战斗部,对于提高导弹在未来复杂的战场环境条件下的生存力,从而保护导弹发射平台和使导弹突防时不被引爆,以及对于避免战斗部在运输、储存和使用等过程中遇到特殊意外情况时发生重大爆炸事故,都有重大意义。

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