Numerical Analysis of Falling Response of Large Warhead in Cabin
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摘要: 采用ANSYS/LS-DYNA动力学仿真软件模拟战斗部跌落试验，基于材料本构模型对战斗部跌落安全性进行预测，得到了不同状态下战斗部跌落的结构变形和装药响应数据。结果表明：带舱战斗部45°倾斜跌落时，壳体和主装药受到的应力和过载均最小，但舱体变形最严重；战斗部大端向下垂直跌落时，壳体受到的应力较小，但炸药受到的应力和过载均最大，工况最恶劣。研究结论为带舱大型战斗部的跌落考核试验提供了指导。Abstract: In this study, we used the ANSYS/LS-DYNA software to simulate the fall test of the cabin warhead in order to predict its safety performance, and obtained the structural stress deformation and charge overload response of the combat simulation of the warhead in different states.The results show that the stress and overload of the shell and the main charge are the smallest when the cabin warhead is tilted at 45°, but the deformation of the shell is the most severe; and the stress of the shell is small when the large part of the warhead is dropped vertically, but the stress and overload of the charge are the largest, indicating the worst assessment posture.The actual fall test of the large warhead in cabin is successfully passed, and the numerical simulation can provide theoretical support.
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Key words:
- ammunition safety /
- fall test /
- cabin warhead
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跌落考核是战斗部安全性检验必须经历的试验之一，通常采用直接跌落方式进行，获取战斗部的宏观响应结果。但是，由于工程试验不能完整地显现跌落过程中战斗部结构及装药的冲击力学响应，同时受研制成本和时间的制约，不适用以试验方式一一验证不同角度、不同结构的试验工况，因此采用数值仿真研究战斗部在不同工况跌落刺激下的动态响应规律，能够克服试验耗资巨大、安全性保障等实际问题，节约研究成本和时间，为战斗部工程研制提供理论支撑[1-3]。目前，国内关于弹药安全性跌落研究多集中于战斗部用炸药[4-5]，对大型带舱战斗部跌落的力学响应研究较少。本工作通过数值模拟对带舱大型战斗部跌落进行研究，建立仿真模型，得到不同状态下战斗部跌落时结构及装药的响应结果，以预估并指导试验实施。
1. 带舱战斗部数值计算
1.1 数值计算模型
计算模型由带舱战斗部和跌落试验钢板组成。带舱大型战斗部结构剖面如图 1所示，它具有质量大(m≥1000kg)、毁伤元多(破片数量达数万枚)、带外形舱等结构特征。
由于舱体外形由上、下两种直径结构过渡而形成，且战斗部布设的十余万枚毁伤元尺寸不一致，因此采用全尺寸模型建模; 同时考虑到计算模型尺寸大，且核心问题是研究战斗部装药在跌落工况下的响应，为了提高计算效率，计算网格划分采用由密到疏过渡的方式，并对战斗部中心装药位置网格进行加密处理。跌落试验主要考核战斗部的装药安定性和结构设计。试验中，带舱战斗部与钢板碰撞后进行来回减幅弹跳，最终静止。此过程中带舱战斗部经受的过载随时间变化，相应的战斗部装药的应变率及其内应力也随时间变化[6-12]。带舱战斗部的跌落高度为3m，其跌落速度低于阈值速度，跌落弹跳振动中，炸药没有点火只发生塑性变形。因此，炸药的本构模型采用MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY，此模型适用性好，可描述任意的应力-应变关系及应变率条件[13]。
战斗部结构采用绝热材料，为防止应变率效应、能量消耗引起的材料软化效应等现象，采用塑性硬化模型MAT_PLASTIC_KINEMATIC[14-15]。计算采用国际单位制，主要参量如表 1~表 4所示。其中：ρ是密度，E是杨氏模量，υ是泊松比，N是耦合标志, σY是屈服强度，ETAN是切线模量，FAIL是失效参量，tDEL是最小时间步(针对单元删除)，C、P是应变率参数，vP是炸药反应率，β是硬化系数。
表 1 炸药材料本构方程Table 1. Constitutive equation of explosive materialsρ/(kg·m-3) E/GPa υ σY/MPa ETAN/MPa FAIL tDEL C 1700 8.56 0.25 209 231 0 0 0 表 2 靶板材料模型及参数Table 2. Target material model and the parametersρ/(kg·m-3) E/GPa υ N 7850 200 0.3 0 表 3 扩爆药柱材料模型及参数Table 3. Booster explosive material model and the parametersρ/(kg·m-3) E/GPa υ σY/MPa ETAN/MPa C P vP 1630 2.90 0.25 190 210 0 0 0 表 4 破片材料模型及参数Table 4. Fragment material model and the parametersρ/(kg·m-3) E/GPa υ σY/MPa ETAN/MPa β 19 250 350 0.25 1.5 170 1 1.2 计算工况
根据GJB 3857－99《弹药安全性试验规程》中裸弹跌落时的姿态[4]确认数值模拟工况。即:带舱大型战斗部在距离钢板上方3m高度处，以水平、垂直(大端向下和小端向下)和45°倾斜4种不同姿态自由跌落到钢板上，钢板尺寸为3.00m(长)×0.90m(宽)×0.61m(厚)，如图 2所示。
1.3 网格划分
由于试验战斗部结构复杂、尺寸大，模型采用全六面体三维网格划分，对复杂形体进行网格分离计算，如图 3所示。使用Lagrange算法，战斗部与钢板接触部分之间添加相应的接触算法，并对战斗部施加重力。
2. 数值计算结果
数值模拟结果表明，各种试验工况下炸药内应力均未超过阈值，装药状态稳定，带舱大型战斗部模拟跌落不燃不爆。当带舱战斗部大端向下垂直跌落，即战斗部上端距钢板2.2m、以3.96m/s速度下落时，炸药所受过载最大，可被认为最恶劣工况，模拟结果如图 4所示。
表 5给出了4种工况下战斗部内壳体及主装药的最大应力和过载结果，其中：g表示重力加速度。由表 5可知：带舱战斗部大端向下垂直跌落时炸药过载最大，为带舱战斗部最恶劣的跌落姿态；以水平姿态跌落时壳体应力最大，可能导致结构变形较大。
表 5 跌落试验仿真计算结果Table 5. Fall test simulation resultsCase Maximum stress of shell/MPa Maximum stress of charge/MPa Maximum charge overload/g 1 299.2 23.30 312.1 2 354.0 15.84 237.4 3 602.6 7.86 161.7 4 283.9 2.98 33.1 3. 试验验证及分析
3.1 试验验证
选取最严酷的工况进行跌落试验，即大端向下、炸药过载最大。图 5为试验布局，图 6为试验结果。试验结果符合试验合格判据要求，带舱战斗部从距离地面3m高处跌落后安全，未燃未爆。
3.2 结果分析
数值计算的各工况结果如图 7~图 9所示。从图 7和图 8可以看出, 带舱战斗部跌落时炸药最大应力及最大过载为:工况1(大端向下垂直跌落)＞工况2(小端向下垂直跌落)＞工况3(水平跌落)＞工况4(45°倾斜跌落)，其中战斗部以工况1方式跌落时，炸药过载最大(312.1g)，以工况4方式跌落时，炸药过载最小(33.1g)，两者相差约1个数量级。主装药的最大应力为23.30MPa，远远小于一般炸药发生冲击起爆时吉帕级的压力阈值，故不会发生爆炸。从图 9可以看出，带舱战斗部壳体的应力为：工况3(水平跌落)＞工况2(小端向下垂直跌落)＞工况1(大端向下垂直跌落)＞工况4(45°倾斜跌落)，其中以工况3方式跌落时壳体受到的应力最大，为602.6MPa，以工况4方式跌落的应力最小，为283.9MPa。
4. 结论
(1) 通过数值仿真研究可以考虑到所有严酷条件，模拟跌落试验的各种实际工况，得到战斗部结构及装药的动态响应规律，能够用于复杂结构炸药部件跌落的安全性分析，有效指导战斗部的工程研制。
(2) 带舱大型战斗部跌落的模拟试验表明：水平跌落时壳体受到的应力最大，炸药受到的应力较小，舱体变形较大；45°倾斜跌落时壳体和主装药受到的应力和过载均最小，但舱体变形最严重；大端向下垂直跌落时壳体受到的应力较小，炸药受到的应力和过载均最大，舱体变形最小。
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表 1 炸药材料本构方程
Table 1. Constitutive equation of explosive materials
ρ/(kg·m-3) E/GPa υ σY/MPa ETAN/MPa FAIL tDEL C 1700 8.56 0.25 209 231 0 0 0 
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表 2 靶板材料模型及参数
Table 2. Target material model and the parameters
ρ/(kg·m-3) E/GPa υ N 7850 200 0.3 0
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表 3 扩爆药柱材料模型及参数
Table 3. Booster explosive material model and the parameters
ρ/(kg·m-3) E/GPa υ σY/MPa ETAN/MPa C P vP 1630 2.90 0.25 190 210 0 0 0
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表 4 破片材料模型及参数
Table 4. Fragment material model and the parameters
ρ/(kg·m-3) E/GPa υ σY/MPa ETAN/MPa β 19 250 350 0.25 1.5 170 1
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表 5 跌落试验仿真计算结果
Table 5. Fall test simulation results
Case Maximum stress of shell/MPa Maximum stress of charge/MPa Maximum charge overload/g 1 299.2 23.30 312.1 2 354.0 15.84 237.4 3 602.6 7.86 161.7 4 283.9 2.98 33.1
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