战斗部数值模拟研究
刘安阳金乾坤丁刚毅曹蕾青
（北京理工软件技术开发有限公司ＡＮＳＹＳ／ＬＳ－ＤＹＮＡ中田技术支持中心
ｌｉｕａｎｘ＇ａｎｔｚ＠ｓｏｈｕ．ｃｏｍ）
摘要导弹战斗部是导弹的有效载荷，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。本文介绍利用商用高
度非线性蔬力学有限元分析软件ＡＮＳＹＳｆＬＳ．ＤＹ＇ＮＡ进行战斗部数值模拟的几个实例，同时
分析了战斗部数值模拟所遇到的一些实际问题，并提出了相应的解决方案．数值模拟的多
项结果同实验和理论结果对比证明：应用ＡＮＳＹＳ／ＬＳ－ＤＹＮＡ于战斗部数值模拟是可行的和
有效的，对于实际战斗部分析设计具有重要指导作用。
关键字数值模拟有限元冲击
一、概述
战斗部的爆炸和对目标的作用过程是在瞬间（凡十个ｌｌｓ）完成的，同时伴随着巨大的
化学能量释放，其物理现象和作用机制是相当复杂的。炸药爆轰渡和傣轰产物与战斗部构
件相互作用，战斗部结构材料在高温（上千摄氏度）、高压（Ｇ口ａ量级）、高应变率（１０５Ｓ．‘
量级）条件下产生大变形．形成自然破片或预制破片、金属射流、自锻破片等杀伤元素，这
是一“高度非线性瞬态动力学过程。对这一爆炸过程的数值模拟一般所关心的结果是多方
面的，归纳起来重点有以下几条：一１．爆轰波（球面波）的成长及其与战斗部结构相互作用过程模拟。
２，炸药性能和战斗部结构材料动态特性能否保证运行及使用环境。
３．杀伤元素初始速度大小、分布区域、毁伤能力能否满足战术指标要求。
二、数值模拟特点
战斗部数值模拟根据实际结构多数需要建立三维计算模型．如果简化为二维模型，则
计算准确性较差，因此只能作为初步分析结果。三维计算模型数值模拟的特点有以下几点：
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１．爆炸冲击载荷作用及战斗部结构组件之间相互作用复杂，因此求解稳定性至关重要。
２．战斗部爆炸流场空间大，边界条件复杂，有必要减化模型．
３．三维模型带来单元和节点数目巨大，可迭上百万个，前处理需要快速、高效的网格生成技巧和技术。
４．解题规模大，计算机需具备很强的数值运算能力。
５，方便的后处理功能及交互性图性处理技术。
三、数值模拟的两种求解算法
１．Ｌａｇｒａｎｇｅ算法
Ｌａｒａｎｇｅ算法中节点随材料一起运动，常用来对固体介质运动模拟。
ＡＮＳＹＳ／ＬＳ－ＤＹＮＡ的Ｌａｒａｎｇｅ算法单元的多种接触类型定义保证了求解过程中炸
药同战斗部结构以及战斗部结构之间保持良好的接触，从而较为真实地模拟炸药
驱动作用过程，计算结果精确度较高。
２．Ｍｕｌｔｉ．ｍａｔｅｒｉａｌＥｕｌｅｒ与Ｌａｒａｎｇｃ结构耦台算法
Ｍｕ撕．ｍａｔｅｘｉａｌＥｕｌｅｒ与Ｌａｒａｎｇｅ结构耦合算法用于求解空闻多物质（炸药、空气、杀伤元素、作用目标等）的流构耦合问题，通过直接耦合结构网格（Ｌａｇｒａｎｇｅ
网格）和流体材料网格（Ｅｕｌｅｒ弼格）之间的响应自动地、精确地算出每一时间步流一
固界面处的物理性质，在这个过程中，一方面Ｅｕｌｅｒ材料流动引起的压力载荷通过藕
合算法自动作用到结构的有限元网格上，在这种压力作用下，结构的有限元网格将
发生变形，结构的变形也反过来影响Ｅｕｌｅｒ材料的流动和压力值，这种结构变形和流
体载荷闻的相互影晌使得我们可以得到完全耦合的流体．结构响应，这种算法的特
点是：网格数目巨大，求解时闯长，但计算稳定。
四、材料模型
１．炸药材料
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在ＡＮＳＹＳ／ＬＳ—ＤＹＮＡ中常用高爆速炸药材料模型加上肌或ＪＷＬＢ状态方程描述炸药爆炸特性．
２．战斗部结构材料
战斗都结构材料包括：杀伤元素材料、金属材料、复台材料等。在程序中常用以下材料模型和状态方程描述它们的动态响应特性：
１．考虑应变率效应的弹塑性材料模型
２．流体弹塑性材料模型和Ｇｎｍｅｉｓｅｎ状态方程
３．Ｓｔｅｉｎｂｅｒｇ材料模型和Ｇｒｕｎｅｉｓｅｎ状态方程
４．Ｊｏｈｎｓｏｎ．ｃｏｏｋ材料模型和Ｇｒｕａｅｉｓｅｎ状态方程
５．带损伤的复台材料模型等。
３．耦台舟质材料
介质材料通常包括空气和术。空气常用空材料模型和线性多项式状态方程描述，水常用空材料模型和Ｇｎｍｄｓｅｎ状态方程描述。
四、几种战斗部的数值模拟举例
（１）破片战斗部
酸片战斗韶是最常见、最主要的战斗部，其特点是利用战斗都爆炸后产生的杀伤破片对目标进行毁伤。破片战斗部的破片一股有自然破片、预控破片和预制破片三种。自然破片是在战斗部爆炸作用下整体式壳体破裂后形成的大小不一、形状不规则的破片。预控破片有两种：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刻成一个个聚能穴，战斗部爆炸后形成预定大小的杀伤破片。预制破片是将预先制成的破片按一定的捧列方式装入战斗部壳体内。破片式杀伤战斗部是对付空中、地面目标的多用途战斗部。
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战斗部模型。采用拉格朗日算法可以精确地模拟战斗部装药的爆炸驱动过程，计算的破片初速值及方向和实验结果较为接近。图１．Ｉ是全预制破片战斗鄂杀伤场图象和选定破片速度时闻历程曲线。图】．２是带内壳的全预制球形破片战斗部（计算中取小角度）爆炸过程图象。
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（２）聚能破甲战斗部
聚能破Ｅ战斗部到用爆炸形成鲒高速头葡速熏禹子７０００ｍ＂Ｓ：、高温、高压的金属鼾‘现芯昌标的穿深、破坏作用。采写多物质欧拉的流构耦台算法实现了对射流形成及破．ｉ建续：！理进行三维数值模拟．匿２—１是不同时刻聚能射流成形及破甲过程图象；
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翻２．Ｉ聚能射流成形及碾甲过程模拟
炸药驱动形成弹丸及随后的弹体与目标相互作用过程是一个瞬春、高度非线性，太变形迂萑．弹体结构和靶板会发生高温、高应变率条件下的破坏、断裂行为。利用ＡＮＳ＇、‘Ｓｑ．．Ｓ．ＤＹＮＡ，可对ＥＦＰ的形成及对目标的侵彻过程进行深入细致的敷值模拟分析，数值模于ｆｉ的多项结果和实验结果拟和的非常好。下图是自锻破片形成及授彻过程模拟（图２－２戈Ｍｕｉｔｉ．ｍａｔｅｒｉａｌＥｕｌｃｒ与Ｌａｒａｎｇｅ结构耦台算法，图２－３为Ｌａｇｒａｎｇｅ算法结果ｔ图中显示弹艽的变形及速度变化）。一
匿２．２ＥＦＰ形成及镫彻过程（Ｍｕｉｔｉ－ｍａｔｅｒｉａｌＥｌｄｅｒ与Ｌａｒａｎｇｅ结构耦合算｝圭）
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圈２－３ＥＦＰ形成及侵彻过程（ＬＡＧＲＡＮＧＥ算法）
（３）半穿甲战斗部
生穿甲战斗部在实际使用时．在起爆前的碰擅阶段，弹体与目标的相互作用过程是一
个高度非线性的过程。应用ＡＮＳＹＳｆＬＳ－ＤＹＮＡ的多种接触碰撞算法，可对导弹在高速碰撞
时弹体结构组件的动力响应、弹体结构的材料强度、侵彻深度及速度变化等进行模拟分析
和检验。匿３．１为穿甲弹侵彻混凝土过程中弹体强度分析算例。右图为弹体等效应力云图ｃ
图３－Ｉ穿申弹慢彻混凝土过程中弹体强度分析
（４）离散杆战斗都
聚焦定向能技术使离散杆战斗部的离散杆条形成环状杀伤元素均匀散布ｃ它克服了破
片式战斗都和连续抒战斗部的缺点，提高了对目标的毁伤能力，已广泛应用于空一空导弹
战斗都，地一空导弹战斗部设计ｃ
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采单ＡＮＳＹｓ’Ｌｓ．ＤＹＮＡ的多物质欧拉分析功能，可精确地模拟爆炸冲击渡对杼条的驱动作用，以及杼条：间的相互作用，从而控制抨条飞散速度太小和方向以及杆条变形形状，满足战术指标要求；匿４－１是某离散杆战斗部杆条飞散图。图４．２是某双层离散杆战斗静．杆条飞散匪。这两个离散杆战斗部数值模拟的多项结果同实验和理论结果对比都非常吻台
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四、小结
综合以上的数值模拟研究工作，可以得出以下结论：＾ＮｓＹｓ／睁唧＾可以精确描述各
种不同结构的战斗部爆炸及其作用过程．应用ＡＮＳＹＳ／ＬＳ－ＤＹＮＡ的强大建模、计算分析功
能实现完整战斗部数值模拟是可行的和有效的；用工程数值模拟的方法指导战斗部设计，
为研制新型战斗都提供设计依据．从而缩短研制周期，节约研制经费，使战斗部设计满足
预定战术指标要求是现实的。
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战斗部数值模拟研究
作者：刘安阳， 金乾坤， 丁刚毅， 曹德青
作者单位：北京理工软件技术开发有限公司ANSYS/LS-DYNA中国技术支持中心本文链接：https://www.doczj.com/doc/c613053674.html,/Conference_3102868.aspx