基于数值计算结果的破片战斗部威力仿真方法

建立了包含数值方法和分析方法的威力仿真方法。考虑数值计算的规模和复杂度，采用爆轰计算获得初始时刻破片场，利用分析方法描述破片飞散和破片作用目标的过程。采用该威力仿真方法，实现了对破片场形成、破片飞散、破片作用目标的全过程描述。数值计算采用LS-DYNA软件，为了获得战斗部初始时刻破片场，开发了接121处理程序。利用分析方法，建立了破片飞散和破片毁伤性能评估模型，飞散模型中考虑空气阻力等因素的影响，破片毁伤性能评估模型中采用THOR方程预估破片剩余速度、剩余质量和最大穿透厚度，从而获得破片弹道、破片威力参数和破片对靶板的毁伤效果。通过对虚拟靶板上命中破片进行统计，计算出破片命中靶板密度分布和破片飞散角分：布，完成破片战斗部威力仿真试验。在威力仿真方法的基础上，建立了系统仿真模型（图1）。采用面向对象的Visual Studio．NET编程语言，实现威力仿真软件的编码。     

用于小破片群测量的光幕靶测试技术

设计并组建了一种阵列式光幕靶测试系统,主要用于测试战斗部正常破片的速度以及破片群分布,尤其是小破片群速度及破片群分布。介绍了激光光幕靶的测试原理,利用该光幕靶进行了室外爆炸动态实验测试,并对实验结果进行了分析。结果表明,该光幕靶能够精确测量尺寸为5mm的破片速度及破片群分布。     

可变形定向破片战斗部在不同展开模式下的性能数值模拟

为使战斗部具有多种定向毁伤模式并实现一定程度上的可控毁伤,提出了一种扇形装药的可变形定向破片战斗部,该战斗部可实现轴向展开和侧向展开2种模式。采用AUTODYN软件进行破片场的数值模拟。首先,基于战斗部单元体分析获得了距离轴心25 mm处的最佳起爆点位置;其次,对整个战斗部进行分析,在轴向展开模式下分析了轴向展开角度对破片飞散速度、破片数目和破片空间分布的影响,发现轴向展开角在60°～75°范围内毁伤效果较佳;最后,在侧向展开模式下分析了整个战斗部的破片速度和破片空间分布情况,结果表明破片具有明显的定向飞散特性。     

柱状装药预制破片缩比战斗部爆炸冲击波和破片的作用时序

针对柱状装药的周向预制破片战斗部,结合无量纲分析方法和爆炸驱动理论,确定了影响破片和冲击波相遇位置的关键参数,给出了由缩比战斗部推广预测原型战斗部爆炸产生的破片冲击波作用时序的方法。采用ANSYS/LS-DYNA有限元软件进行数值模拟,对比验证了理论分析和数值试验结果,分析了战斗部缩比比例对冲击波和破片作用时序的影响。结果表明:缩比模型与原型战斗部爆炸产生的破片和冲击波的相遇位置之比和相遇时间之比主要取决于两模型的质量比,在不考虑破片速度衰减时,两模型中载荷相遇位置之比和相遇时间之比等于其质量比的0.33次方。受破片速度衰减影响,该方法仅适用于质量缩比不小于0.2的模型。     

椭圆截面战斗部爆炸驱动破片作用过程的数值模拟

为研究爆轰驱动下椭圆截面自然破片杀伤战斗部壳体的膨胀破裂过程以及壳体破片径向速度分布,建立了椭圆截面战斗部三维模型。通过AUTODYN-3D软件,采用Lagrange算法模拟爆轰驱动下椭圆截面自然破片战斗部壳体的膨胀断裂过程,研究了端面单点中心起爆方式下短长轴断裂时间差与短长轴比的关系,以及不同起爆点、不同短长轴比和不同装填比(即装药与壳体质量之比)对椭圆截面战斗部径向破片速度分布的影响。结果表明:与端面中心单点起爆、端面长轴双点偏心起爆和端面短长轴四点偏心起爆相比,端面短轴双点偏心起爆方式对椭圆截面战斗部壳体破片径向速度的增益效果最好。装填比一定时,短、长轴断裂时间以及短、长轴断裂时间差与短长轴比呈线性关系,战斗部壳体膨胀过程中截面形状的实时短长轴比与加载时间呈线性关系;随着短长轴比的增大,战斗部壳体破片径向速度增益逐渐减小。短长轴比一定,装填比小于1时,破片速度随方位角增大呈正弦趋势上升,且短、长轴方向破片速度差与装填比呈线性关系。     

基于爆炸火光光谱分析的大当量爆炸场破片速度测试方法研究

为了解决战斗部爆炸过程中,因爆炸物当量较大造成爆燃火球持续时间长,覆盖面积大,近场位置破片速度参数难于获取的问题,提出一种以激光光幕为有效传感区域的光电收发一体的测试方法。通过分析三种不同类型战斗部爆炸火光特征光谱分布可知,在0.3~1.0 μm波段内火光相对光强度较低。以此为依据,采用定距测时原理和原向反射技术,由固体激光器、菲涅尔透镜、窄带滤光器、高速光电传感器等关键光学元件构建破片速度参数获取的光学系统。系统光路收发一体,结构紧凑,窄带滤光片与激光光源配合使用避开火光光谱,有效抑制背景光的干扰。采用该系统进行了不同型号、当量的战斗部静爆破片速度参数测试现场实验,通过美国NI数据采集系统记录数据并对信号进行去噪和识别,成功获取了较高信噪比的波形信号。实验结果表明：本方案可完成爆心10~15 m附近破片速度的准确测试,最小可测破片尺寸为4 mm,获取破片速度可达1 200 m·s-1,与靶板测试结果对比可知捕获率优于95%。由于采用菲涅尔透镜形成矩形光幕,光幕上下的光强分布一致,水平方向光强均匀度达到80%以上,因此系统还可初步区分预制破片速度与尺寸的对应关系。     

电极材料对气体火花开关静态性能的影响

在工作气压和火花间隙固定的条件下,针对稍不均匀场的圆饼形电极开关开展了不同电极材料下开关自击穿实验,开关间隙距离为5 mm,工作气压为0.25 MPa,击穿电压平均值为40 kV。分别选取了不锈钢、黄铜、钨铜合金和石墨材料作为实验对象,对比了不同电极材料下电极质量损失、电极表面形貌和开关静态特性的差异。实验结果表明,石墨电极质量损失速率略高于金属电极,但是由于石墨电极烧蚀产物多为气体,因此石墨电极绝缘子污染程度远小于金属电极。石墨电极开关在低欠压比下自击穿概率也远小于金属电极开关。三种金属电极开关,其静态特性差异不大,但钨铜电极烧蚀程度显著低于不锈钢和黄铜电极开关。     

破片对带铝壳炸药的冲击起爆数值模拟研究

 采用AUTODYN-2D数值模拟软件,应用冲击起爆Lee-Tarver模型,对钢破片撞击带铝壳Octol炸药的起爆问题进行了数值模拟,分析了冲击起爆机理及破片形状、着速、铝壳厚度等因素对炸药起爆特性的影响规律,利用“升-降”法得到了破片对Octol炸药的临界冲击起爆速度。研究结果对反导战斗部破片杀伤元素的设计具有指导意义。     

不同形状DU合金破片侵彻性能研究北大核心CSCD

为研究不同形状贫铀(Depleted Uranium,DU)合金破片的侵彻性能,首先进行了终点弹道实验,得到了圆柱形DU破片侵彻20 mm厚Q235B钢靶的终点弹道相关参数.然后通过AUTODYN软件进行了相应终点弹道仿真模拟,结果表明,仿真与实验结果基本一致,验证了仿真结果的正确性.随后又在原仿真的基础上增加了圆柱形、立方形和球形破片以不同着靶姿态侵彻靶板的数值仿真.结果表明,在相同质量和相同初速的条件下,棱角着靶姿态的立方体、楞线着靶姿态的立方体和球形破片的侵彻能力依次减弱,圆柱形和平行着靶姿态的立方形破片侵彻能力最差.若均以垂直姿态着靶,圆柱形破片侵彻能力要强于立方体,以棱角或楞线着靶姿态着靶的立方体具有更强的侵彻能力.     

复合式反应破片对柴油油箱的毁伤效应试验研究

 设计并制备了两种不同配方的新型复合式反应破片,并进行了该反应破片对装有柴油油箱的毁伤试验。复合式反应破片由壳体、裸反应破片、顶盖组成。裸反应破片采用铝粉和聚四氟乙烯、钛粉和聚四氟乙烯两种材料配方真空高温烧结制成。试验利用12.7 mm弹道枪发射复合式反应破片,并用高速摄影仪记录破片对油箱的毁伤过程。两种配方的复合式反应破片均能穿透6 mm厚油箱壁,并具有明显的引燃效果。试验结果表明,与惰性破片相比,复合式反应破片兼有侵彻能力和引燃纵火能力。     

起爆方式对复合战斗部毁伤输出的影响

为了进一步提高复合战斗部的毁伤输出效率,基于一种可形成聚能侵彻体、预制破片和自然破片3种毁伤元的破甲杀伤复合战斗部结构,应用LS-DYNA数值仿真软件,研究了起爆点位置、起爆直径和起爆点数量对复合战斗部各毁伤元成型和能量输出的影响,讨论了实现战斗部毁伤威力可调的技术路径。结果表明:起爆点距药型罩越远、数量越多、起爆直径越大,由药型罩形成的聚能侵彻体的头部速度越高,头尾速度差和长径比越大,速度增益最高可达50%,可以实现爆炸成型弹丸(EFP)到聚能杆式侵彻体(JPC)转换;在装药内部轴线阵列多点起爆时,聚能侵彻体的成型基本仅与离药型罩最近的起爆点有关。对于预制破片,装药高度60 mm(P2)处起爆速度最快,增加起爆点数量和增大起爆直径可以有效提高预制破片的最高速度,但整体上最低速度仍在600 m/s上下波动,变化并不显著。对于壳体形成的自然破片,以平均速度来表征时,整体变化并不明显,速度增益不足10%,但合理的起爆方式可使壳体断裂形成的自然破片更均匀,有利于调整破片质量分布。通过控制起爆方式可在一定程度上实现复合战斗部毁伤威力可调,但对于破片速度的调控仍需进一步研究。     

可变形战斗部弹体变形型面研究

基于炸药瞬时爆轰理论,将战斗部变形阶段的结构简化为辅助装药,对等效圆柱壳体实施爆轰加载,并在等效壳体上的加载段引入若干个塑性铰,相应地将辅助装药划分成与塑性铰相对应的若干个独立微元。针对均匀加载下等效壳体的原始位移分布,采用具有能量分布梯度的辅助装药加载进行匹配,设计出能实现D型型面的辅助装药形状,最后通过数值模拟进行验证。结果表明,采用该形状的辅助装药能实现较理想的D型弹体变形型面。     

切割式双模战斗部毁伤元成型及侵彻钢靶特性研究

 基于60 mm弧锥结合罩爆炸成型弹丸（EFP）装药,设计了一种在药型罩前适当位置安装可抛掷的十字形网栅的切割式双模战斗部结构,其具有生成单个EFP或者多爆炸成型弹丸（MEFP）的功能;根据目标属性,可选择性地改变战斗部的毁伤元成型模式,实施最有效的打击。利用LS-DYNA程序,对两种模式毁伤元成型及侵彻45钢靶过程特性进行了数值模拟,模拟结果与地面静爆实验结果吻合较好。研究表明,该战斗部形成的单个EFP能贯穿25 mm厚45钢靶,可有效打击重装甲目标;经网栅切割后能形成5片具有一定质量和方向性、可贯穿6 mm厚45钢靶的EFP破片,显著提高了对轻装甲目标的毁伤概率。     

球形钨合金破片空气阻力系数实验研究

 实验研究了理想球形钨合金破片和经历爆轰驱动的球形钨合金破片长距离飞行时的速度衰减规律。实验结果表明：（1）对于理想球形钨合金破片,在同一初始速度条件下,衰减系数为常数,空气阻力系数与初始速度有关,两者成线性关系;（2）对于经历爆轰驱动的球形钨合金破片,由于有轻微的质量损失和变形,速度衰减规律与理想球形钨合金破片有明显的区别,空气阻力系数与飞行速度有关,两者成线性关系。     

30MeV/u 40Ar+58,64Ni和115In反应中中等质量碎片的角分布

在5°—140°范围内测量了30MeV/u ⁴⁰Ar束流轰击不同靶核(⁵⁸Ni、⁶⁴Ni、¹¹⁵In)后出射的中等质量碎片(IMF,Z=3—19)的角分布.用指数分布函数dσ/dΩ=N·exp(–θ/α)对出射碎片角分布分角区做了拟合.对3个反应系统分别提取出与相互作用时间有关的衰减因子α和与发射源强度有关的物理量N,讨论了α与N在不同角区与反应系统和出射IMF电荷数的关系.考察了角分布与同位旋自由度和反应系统对称性的关系.     

对相对论性重核碎片动量分布宽度理论公式的改进

根据H.Feshbach和K.Huang关于核碎片动量分布的理论计算和新的假设,可以得到一个新的关于相对论性核碎片的动量分布公式,该式与实验结果符合较好,它可以大体上解释碎片质量K≤A/2时的实验结果.     

爆炸成型弹丸战斗部不同侵彻着角下的毁伤能力研究

 利用LS-DYNA仿真软件,对爆炸成型弹丸（EFP）毁伤能力与EFP侵彻着角关系进行了研究。结果表明：随着EFP着角从0°增加到40°,EFP侵彻靶板的垂直侵彻深度减小了34.2%,开孔处孔径大小增加了18.2%。侵彻过程中,EFP头部速度与时间呈线性规律变化,并且当EFP着角越大时,头部速度下降趋势越快;EFP垂直侵彻深度与时间先呈线性增长,随后上升趋势变得缓慢;不同侵彻着角下的侵彻参数与时间的关系趋势一致。基于EFP的垂直侵彻理论和杆式弹的斜侵彻理论,结合仿真拟合曲线,得到了EFP垂直侵彻深度与侵彻着角的修正计算公式。     

基于JMCT软件的中子活化数值模拟程序的开发和检验北大核心CSCD

中子活化产物和辐射特征的数值模拟程序是研究材料活化效应的重要工具。在JMCT软件的基础上开发了具备材料中子活化效应模拟能力的数值模拟程序,并将其命名为“中子活化数值模拟程序”,旨在将其应用于军控核查、核安全等领域的研究中。对该程序在核弹头内部中子输运和活化计算的准确性进行了验证,发现该程序对核弹头内部中子输运和活化的计算精度优良。利用该程序研究了混凝土地面核素在裂变核材料的裂变中子辐照下的活化效应,计算结果进一步验证了中子活化数值模拟程序的功能。     

弹丸对钢板的半侵彻作用特性研究

 随着现代高新技术的发展提出了对弹丸半侵彻（PEP）的研究,通过弹丸的半侵彻作用使其稳定嵌立于目标靶上,并由其外露部分形成障碍或感应目标伺机作用、或作为受力承载点等方式实现特殊用途。针对新结构弹头开展了弹靶半侵彻过程的数值模拟和靶材流动特性研究,采用量纲理论获得了弹丸半侵彻靶板的主要无量纲组合参量,获得了弹丸侵彻与反弹阶段靶板形变与弹靶系统能量分配特性,并对半侵彻作用机理进行了初步的探讨。最后通过炮射实验验证了实现稳定嵌立于靶板的可行性。