1、沈阳理工大学学士学位论文I摘 要毁伤模式可调战斗部是在现役弹药系统内的战斗部难以满足未来战场对弹药的需求而产生的一种新型战斗部。该战斗部的特点是在不需要改变装药结构下，通过控制战斗部外围部分的张开与闭合来实现两种不同毁伤元之间的转换，满足弹药毁伤机理的多样性以及灵活性。本文设计了一种毁伤模式可调战斗部结构，分析了此种战斗部的作用原理；利用ANSYS/LS-DYNA 软件数值模拟分别研究了 EFP 和破片的成型过程，得到了药型罩参数及装药参数对 EFP 毁伤元特性的影响规律，获得了破片的初速、速度沿轴向分布、飞散角、数量和质量分布等特性参数。数值模拟了战斗部外围部分展开状态和闭合状态下毁伤元的成
2、型过程，并对模拟结果进行归纳和分析。基于对上述规律的研究和分析，有效验证了在同一装药结构下，通过改变战斗部结构来实现两种毁伤模式的转换的可行性。关键词：模式转换；EFP；破片；战斗部沈阳理工大学学士学位论文IIAbstractThe damage mode adjustable warhead is a new type of warhead which is difficult to meet the demand of ammunition in the active ammunition system. The warhead of the characteristics does no
3、t need to change the charging structure, by controlling the warhead peripheral parts of the open and closed to realize two different damage elements between the conversion and meet the ammunition damage mechanism, flexibility and diversity.In this paper, a kind of damage mode adjustable warhead is d
4、esigned, and the function principle of this kind of warhead is analyzed. Using software of ANSYS / LS-DYNA, numerical simulation were studied the forming process of EFP and fragment and get the liner parameters and charge parameters of EFP kill element characteristics influence law. The fragment vel
5、ocity and velocity distribution along the axial direction and scattering angle, the quantity and quality of distribution parameters were obtained. Numerical simulation is made on the forming process of damage element in the state and the closed state of the peripheral part of warhead, and the simula
6、tion results are summarized and analyzed. Based on the research and analysis of the above rules, it is proved that the conversion of the two damage modes can be realized by changing the structure of the warhead under the same charge structure.Key words: switchable modes; EFP; fragment; warhead沈阳理工大学
7、学士学位论文III目 录1 绪论 .11.1 研究背景及意义 .11.2 国内外研究现状 .11.2.1 国外研究现状 .11.2.2 国内研究现状 .31.3 本文研究内容 .42 可调战斗部结构设计与毁伤元成型数值模拟 .52.1 毁伤模式可调战斗部的结构 .52.2 毁伤模式可调战斗部的作用原理 .62.3 毁伤元成型数值模拟 .82.3.1 数值方法 .82.3.2 EFP 毁伤元成型数值模拟 .102.3.3 破片毁伤元成型数值模拟 .123 装药结构参数与可调毁伤元的匹配关系 .143.1 EFP 毁伤元成型特性数值模拟 .143.1.1 计算模型 .143.1.2 装药高度对 E
8、FP 成型特性的影响 .153.1.3 药型罩曲率半径 EFP 成型特性的影响 .173.1.4 装药直径对 EFP 成型特性的影响 .193.1.5 药型罩厚度对 EFP 成型特性的影响 .203.2 破片毁伤元成型特性理论分析和数值模拟 .233.2.1 计算模型 .233.2.2 破片特性参数理论分析 .233.2.3 壳体厚度对破片速度特性的影响 .263.2.4 装药厚度对破片速度特性的影响 .293.2.5 破片飞散角 .313.2.6 破片的质量与数量分布 .324 EFP/破片毁伤元模式转换数值模拟 .37沈阳理工大学学士学位论文IV4.1 仿真模型 .374.2 外围部分张开
9、不同角度仿真结果 .384.2.1 张开角度对 EFP 成型的影响 .384.2.2 张开角度对破片成型的影响 .405 结论 .425.1 研究的结果以及结论 .425.2 进一步需要解决的问题 .42致 谢 .43参考文献 .44附录 A.46附录 B.55沈阳理工大学学士学位论文11 绪论1.1 研究背景及意义未来的战争呈现出的多样化的局面要求武器系统能够适应信息化、精确化、多功能化的趋势，同时能够对付战场中出现的多类型目标。弹药是在战场中直接造成杀伤和破坏的最有效的工具，在这样的一个境况下，首先需要改变的就是弹药。而作为各类弹药最终毁伤单元的战斗部则是完成战斗任务的核心部分，这种改变不
10、仅要求战斗部具有很高的精准度的同时还需要具备有高度的灵活性。现役弹药系统内使用的战斗部难以满足这种要求，很大程度上限制了弹药威力发挥和使用范围。为了满足这种军事需求，毁伤模式可调战斗部应运而生。传统意义上的弹药并不具备区分杀伤目标和切换战斗部毁伤模式以使得毁伤效率最优化的功能，而毁伤模式可调战斗部的出现则可以弥补这种不足。毁伤模式战斗部可以在同一种装药结构下通过改变其战斗部结构来实现两种不同类型毁伤元之间的转换。毁伤模式战斗部结构简单，制造成本低，可以通过简单地改造战斗部结构来实现毁伤效率最大化的优点。同时还改变传统弹药作战方式的单一局限性，在遇见不同的目标时能对目标造成最大的毁伤效果。1.2
11、 国内外研究现状1.2.1 国外研究现状欧美等军事大国一直在研究模式转换战斗部技术 1-5，在国外对模式可转换战斗部研究最具有代表性的例子是洛克希德马丁公司为美军方研究的低成本自主攻击系统 6。“洛卡斯”低成本自主攻击系统（LOCAAS）主要由激光雷达 (LADAR)导引头、一体化 INS/GPS 制导导航系统、多模战斗部、微型涡喷发动机和小巧紧凑的弹体组成。各系统间密切配合，以多种模式针对不同地面目标达到最佳杀伤效果。激光雷达导引头识别目标类型，选择战斗部最佳杀伤模式，制导导航系统选择最佳发火时间和目标瞄准点。目前应用最广的是洛克希德马丁公司和雷声公司联合研制的 LAM 巡飞弹以及PAM 精
12、确打击弹药 7。LOCAAS 的巡飞弹及其结构示意图如图 1.1 所示。沈阳理工大学学士学位论文2图 1.1 LOCAAS 巡飞弹及其结构示意图图 1.1 右边示意图的黄色区域代表的是 LOCAAS 的激光雷达导引头部分，其主要的作用是识别目标类型，为战斗部选择最佳的杀伤模式。红色区域为 LOCAAS 的弹头部分，绿色区域为各类的电子器件，白色的部分为它的弹体部分。LOCAAS 的多模战斗部如图 1.2 所示，药型罩采用平板状的设计，它可以形成侵彻重装甲的杆式射流，也可以形成 EFP 用于攻击装甲车辆相对薄弱的顶部，同时也能形成破片杀伤作战人员等目标。图 1.2 LOCAAS 的多模战斗部及其
13、形成的不同毁伤元德国的 Blache.A 和 Weimalm.K 利用 AUTODYN 软件，对同一装药结构在两种不同起爆方式下毁伤元成形特性进行了数值模拟。一种是单点起爆，另一种是添加由特殊质量分布的金属隔板组成的 VESF 装置。其工作原理是改变 VESF 装置参数，达到改变爆轰波的波形的目的，控制聚能装药成型的形状和质量分布，进而形成不同毁伤元 7。沈阳理工大学学士学位论文3Bourne 等做了多模战斗部毁伤元形成的试验验证，从试验与仿真对比结果可以得出同一装药结构在中心点起爆形成了 EFP 毁伤元，应用起爆网络形成了 JPC 毁伤元，与以往所做的仿真与试验相符，为后续多模战斗部的设计提
14、供了可靠的参考依据 8-9。欧美、俄罗斯等国对战斗部在不同起爆模式下的各种状态参数进行了大量的研究。有些结果当时并没有发现可以用在武器系统上面，但随着传感器技术的进步，武器系统能够识别出目标的类型，因此模式可转换战斗部得到了长足的发展 10-13。1.2.2 国内研究现状蒋建伟等 14采用 AUTODYN 软件对点起爆和环形起爆方式下的毁伤元形成与侵彻装甲钢靶进行数值模拟，同时分析了起爆位置对毁伤元成形和侵彻能力的影响。通过研究改变起爆方式使 Octol 炸药和采用球缺形紫铜药型罩柱的锥型战斗部形成爆炸成型弹丸和杆式侵彻体两种毁伤元。刘松等 15在研究发现配有多模战斗部的巡飞弹打击多类型的地面
15、目标时，影响毁伤概率的主要因素是炸高、圆概率偏差和姿态误差。若为提高配有 MEFP 战斗部的巡飞弹的毁伤概率，除了提高导引精度和降低炸高之外，提高姿态控制精度也是有效的途径。张洋溢等 16利用 LS-DYNA 3D 程序，分析了在爆炸成型弹丸结构前的一个适当位置安装一个可抛掷的切割网罩结构，对药型罩经过两种不一样的切割网罩形成多个破片的过程进行了数值模拟。通过数值仿真并结合试验发现破片与药型罩之间的距离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。尹建平等 17采用流固耦合方法，采用 LS-DYNA 软件对井字形网栅切割式 MEFP的形成过程进行数值模拟，并在此基础上以破片发散角为指
16、标，应用正交优化方法分析研究药型罩曲率半径、网栅间距和网栅材料密度对破片发散角影响的主次关系，并得到上述三种因素对井字形网栅切割式 MEFP 战斗部而言的最佳水平组合。井字形网栅切割式 MEFP 战斗部如图 1.3 所示。沈阳理工大学学士学位论文4图 1.3 井字形网栅切割式 MEFP 战斗部李伟兵等 18针对同一成型装药形成多模毁伤元问题，利用 LS-DYNA 程序研究了单点起爆位置对爆炸成型侵彻体成型的影响，发现 EFP 的成型参数随起爆点距离药型罩的轴向距离呈双曲线规律变化。并且发现在同一战斗部上，通过改变中心点起爆位置，就可以实现在 EFP 和杆式 EFP 两种模态之间的转换。有关模式
17、可转换战斗部中两种毁伤元之间的转换问题，国内外已经开展了不少研究。但是从目前公开发表的资料来看，大多是针对爆炸成型弹丸、射流以及杆式射流毁伤元之间的双模转换 14-19。在药型罩前端设置切割网栅的方法 20，是目前实现聚能与破片毁伤元双模转换的主要技术途径。针对目前国内外的研究现状，本课题研究的毁伤模式可调战斗部则在技术上做出了简化。通过在药型罩的外围增加一个外围装置，外围装置在闭合状态下会对中间部分形成约束，起爆后并不会影响药型罩生成高效能的 EFP。当战斗部在外围部分展开的状态下作用时，药型罩仍然生成高效能的 EFP，同时外围部分在炸药的作用下生成破片向目标方向飞散，打击多辆轻型车及多人员
18、的面目标。1.3 本文研究内容本文以分析毁伤模式可调战斗部的装药参数与可调毁伤元的匹配关系分析为目的，通过不同的装药参数及药型罩参数方案来研究其毁伤元毁伤效率。第 1 章：简单概述毁伤模式可调战斗部的研究背景及意义，分析了国内外毁伤模式可调战斗部的发展现状，为本文的研究奠定了基础。第 2 章：简述毁伤模式可调战斗部的结构与设计，并对毁伤元成型数值模拟概述。第 3 章：对装药结构参数与可调毁伤元的匹配关系进行研究，同时得出影响规律。第 4 章：描述 EFP/破片毁伤元转换数值模拟，给出仿真模型，同时数值模拟了毁伤模式可调战斗部外围部分张开不同角度下毁伤元成型的效果。第 5 章：总结本文的研究结果
19、，得出结论，同时对存在的问题做出解决方案。沈阳理工大学学士学位论文52 可调战斗部结构设计与毁伤元成型数值模拟毁伤模式可调战斗部是一种新型的战斗部，这种战斗部可以通过改变其结构，提升对不同目标的毁伤效果，可以有效的对付单个重型装甲目标，或者同时对付多辆轻型车或者多个人员目标。2.1 毁伤模式可调战斗部的结构毁伤模式可调战斗部呈圆柱状，分为中间部分和外围部分。中间部分呈圆锥状，由高能炸药和药型罩组成。当炸药被引爆后，能够产生一个比较大的爆炸成型弹丸（可以用于打击装甲目标等硬目标） 。外围部分一共有 4 块，分别与圆锥体前端药型罩进行铰链联接，同时 4 块外围部分在底部用卡锁进行紧固，外围部分上也
20、有部分装药。毁伤模式可调战斗部底部示意图如图 2.1 所示。图 2.1 毁伤模式可调战斗部底部结构示意图这种圆柱形战斗部一端为圆盘形的药型罩，是由高密度、高延展性的铜材料制成，而外壳部分一般选用钢或者类似的硬质高强度材料制成。圆柱形战斗部分成 1 个锥体和 4 个外围部分，圆锥体位于轴心，外围部分绕在圆锥体四周，每一部分通过铰链与药型罩进行铰接。圆锥体与外围部分均填有炸药，当战斗部进入目标射程范围内时，采用 1 个或多个起爆装置起爆炸药装药，战斗部会生成一个爆炸成型弹丸以及许多破沈阳理工大学学士学位论文6片。毁伤模式可调战斗部前端示意图如图 2.2 所示。图 2.2 毁伤模式可调战斗部前端示意
21、图2.2 毁伤模式可调战斗部的作用原理当圆柱形战斗部处于闭合状态时，外围部分的外表面形成圆柱体战斗部的壳体，对炸药形成约束。起爆后，会使圆锥体形成的爆轰能量最大限度的向着药型罩方向传播，致使药型罩生成高效能的爆炸成型弹丸，毁伤效能与普通的爆炸成型战斗部相似；当圆柱形战斗部处于展开状态时，外围部分的外表面则会转到面向目标的方向，同时起爆装置会起爆中间部分和外围部分的炸药，中间部分和外围部分被同时引爆，中间部分仍然会在炸药作用下生成一个爆炸成型弹丸，而外壳部分在炸药作用下会生成破片向着目标方向飞散。因此，只用携带一种战斗部，弹药就可以适应不同的战术环境和执行不同的作战任务。毁伤模式可调战斗部闭合与展开状态示意图如图 2.3 所示。
