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1、分类号：TJ410.3单位代码：10110学号：s13001036中 北 大 学某榴弹战斗部动爆条件下毁伤评估方法研究高元浩中北大学榴弹战斗部动爆条件下毁伤评估方法研究高元浩中北大硕 士 学 位论 文榴弹战斗部动爆条件下毁伤评估方法研究硕士研究生 高元浩 指导教师 张国伟 学科专业火炮、自动武器与弹药工程2016 年 5 月 21 日图书分类号 TJ410.3密级 非密UD 注 1 硕士学位论文某榴弹战斗部动爆条件下毁伤评估方法研究指导教师（姓名、职称）张国伟（教授） 申请学位级别工学硕士专业名称火炮、自动武器与弹药工程论文提交日期 2016 年 4月 13 日论文答辩日期 2016 年 5

2、月 21 日学位授予日期 年 月日论文评阅人答辩委员会主席 年月日注 1：注明国际十进分类法 UDC的分类原 创 性 声 明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：日期：关于学位论文使用权的说明本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；

3、学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密后遵守此规定）。签名：日期：导师签名：日期：某榴弹战斗部动爆条件下毁伤评估方法研究摘要战斗部作为榴弹的主要部件之一，是榴弹的有效载荷，起着完成最终任务的决定性作用。对榴弹战斗部技术尤其是战斗部毁伤效能进行研究和总结，将有助于提高榴弹的作战性能和作战效果，能对靶场验收进行正确的评估。本文采用理论计算和数值模拟的方法，对战斗部在静爆和动爆状态下的毁伤元做了理论分析和计算，通过公式的推导和转换，找到了由静爆毁伤参数向动爆毁伤参数转换的理论公式，为战斗部的设计和优化提

4、供指导和参考。主要内容包括：首先，介绍了破片杀伤战斗部的基本原理，分析了静爆条件下破片的初速、飞行速度衰减、破片存速、破片飞散特性和破片分布密度的理论计算，并且对爆炸冲击波参数进行了计算。将这些静爆下的理论计算通过公式的转换得出了在动爆状态下对应的理论计算公式。其次，对静爆条件下爆炸冲击波的毁伤概率和破片的杀伤概率做了计算，并推导出了动爆状态下的毁伤概率计算公式。对战斗部静爆状态进行了数值仿真，得出了预制破片的初速度和飞散角，与理论计算值进行比较；给战斗部赋予一定的初速度，模拟出战斗部在动态爆炸后破片的分散情况，得出破片在动爆下的初速度和飞散角度，与理论计算值进行比较。选取单个破片作为研究对象

5、，进行数值模拟研究，通过对F 4.7 钨球对15mm 厚硬铝靶的侵彻研究，得出破片在侵彻靶板后的剩余速度，与理论计算值进行比较，从而得出破片的毁伤效果符合理论计算所得出的结果。并给战斗部附加一个初速度模拟出动爆状态下的破片飞散情况，并提取出单个破片作为研究对象使其侵彻等效铝靶，来观察侵彻结果。最后对人员和装甲车辆做了易损性分析，得出了目标的毁伤判据。并对动、静差异进行了分析和建模补偿，介绍了战斗部毁伤评估的方法。上述的理论计算和数值模拟结果对战斗部的毁伤评估和新型战斗部的研发具有一定的指导意义。关键词：榴弹，静爆，动爆，数值模拟，毁伤评估Damage assessment method of

6、shrapnel warhead under dynamic explosion conditionsAbstractAs one of the main components of shrapnel,warhead is the payload of shrapnel, plays a decisive role in the completion of the final tasks.When we study warhead technology of shrapnel , especially damage effectiveness, Its helpful to improve f

7、ight performance and operational effectiveness,and strengthen its combat capability. In this paper,we use theoretical calculation and numerical simulation to analysis warheads damage element under static and dynamic explosive state.Finding a theoretical formula of warhead that changes parameter fo s

8、tatic explosion to dynamics,by derivation of the formula and conversion,which can provide guidance and reference for design and Optimization of warhead.The main contents include:Firstly,introducing the basic principle of fragmentation warhead,and analysising theoretical calculation of fragments unde

9、r static explosion conditions include fragments initialvelocity、flight speed decay、fragments stored speed、fragments scattering characteristics、fragmentsdistribution density,and computing parameters of shock wave.Changing theoretical calculation of static explosion to dynamics,by conversion formula.S

10、econdly,the damage probability of shock wave and damage probability of fragments have been computed,and damage Probability formula of dynamic explosion has been derivated.According to numerical simulation of warhead static explosion,initial speed and scattering angle of prefabricated fragment has be

11、en gotten,and compared with theoretical numerical;warhead is endowed a initial speed,simulated dispersion of dynamic explosion of warhead, initial speed and scattering angle of prefabricated fragment has been gotten,and compared with theoretical numerical.Individual fragments is selected to numerica

12、l simulation study, residual velocityafter penetrating target is obtained,by considering tungsten ball whose diameter is 4.7mm penetrate aluminum target whose thickness is15mm,and compared with theoretical numerical,then obtain damagingeffectconsistent withthe results of theoretical calculations.The

13、n a initial speed is loaded on warhead to simulate fragments flying state of dynamic explosion,and individual fragments is extracted to study penetration aluminum target,and observation the result of penetration.Finally,damage,criterion is obtained of target by analsising vulnerability of personnel

14、and armored vehicles.Difference between Static and dynamic is analysised,modeling compensation.Methods of the warhead damage assessment is described.The above result of theoretical calculations and numerical simulation has guiding significance for damage assessment of warhead anddevelopment new warh

15、ead.Key words: shrapnel,static explosion,dynamic explosion, numerical simulation, damage assessment目录第一章 绪 论II1.1 预制破片战斗部简介11.2 本课题研究目的和意义21.3 国内外研究现状41.4 本文研究内容8第二章 破片杀伤战斗部威力参数2.1 破片杀伤战斗部基本原理102.2 破片初速102.3 破片速度衰减112.4 破片飞散特性142.5 杀伤破片分布密度172.6 爆炸冲击波参数192.7 本章小结21第三章 122mm 榴弹毁伤概率计算3.1 冲击波毁伤概率223.2

16、破片对人员的杀伤概率233.3 破片的击穿作用概率263.4 本章小结30第四章 预制破片战斗部的仿真与分析4.1 ANSYS/LS-DYNA 软件介绍314.2 战斗部结构确定324.2.1 预制破片战斗部结构324.2.2 预制破片战斗部有限元模型的建立334.3 数值模拟结果及分析354.4 本章小结46第五章 毁伤效应评估方法5.1 毁伤评估理论概述475.2 毁伤作用场475.2.1 基本术语475.2.2 毁伤能力函数485.2.3 毁伤的空间域和时间域485.3 动、静差异分析、建模与补偿495.3.1 动、静差异的因素分析495.3.2 差异建模及补偿的参数化建模方法495.4

17、 目标易损性分析515.4.1 人员目标525.4.2 地面车辆545.5 本章小结58第六章 结果与讨论6.1 本文总结596.2 有待于进一步研究的问题59参考文献攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果致谢中北大学学位论文第一章 绪 论1.1 预制破片战斗部简介榴弹是常规弹药的主要弹种之一。利用火炮将其发射出去，完成杀伤、爆破、侵彻或其他作战目的。随着新原理、新技术、新材料的出现，榴弹的射程、威力、密集度等战技指标在不断提高，种类不断增多，应用范围不断扩大1。榴弹主要由引信、弹体、弹带和炸药组成。战斗部是在弹道终点发挥作战效能的部件，作战目的和对象往往多样化，所以榴弹战斗部也有不同的类型

18、。目前榴弹战斗部常用类型包括：杀伤战斗部、爆破战斗部和杀伤爆破战斗部等。杀伤爆破战斗部同时具有杀伤和爆破的功能，通过高能炸药的爆炸，形成大量高速破片，利用破片的高速碰撞、引燃和引爆作用对目标实施打击。榴弹的打击目标包括有生力量、无装甲或轻型装甲车辆、飞机等。爆轰产生的高温高压气体以冲击波的方式产生超压，毁伤目标。在一定的条件下，战斗部的威力可以通过战斗部质量体现，但是单纯的以增加战斗部的质量来提高战斗部威力，将会使战斗部的射程和机动能力受到影响，从而给榴弹的设计工作带来很大的困难。在战斗部质量有限的条件下如何提高战斗部杀伤威力成为了战斗部研制人员需要解决的关键问题。破片式战斗部是榴弹中应用很广

19、泛的一种战斗部。结构形式多样性，各有特点。主要包括刻槽式、聚能刻槽式、预制破片式等2。破片式战斗部可以根据弹体和目标的不同特点进行调整。这种战斗部爆炸后，炸药释放出的能量一部分用于壳体的变形、破碎和破片的飞散，另一部分用于爆炸产物的膨胀和冲击波的形成。预制破片战斗部爆炸后， 形成一个高速密集的“破片群”，这些破片以一定的动能打击目标。预制破片战斗部是杀伤爆破战斗部的一种，其中预制破片用树脂粘合剂粘合在内衬外。该战斗部以杀伤目标为目的，在战斗部的改进中应以此为中心，采取各种有效的方法，尽可能提高杀伤力。在一定质量的前提下，采用新的理论、新的结构和新的材料， 改进战斗部类型、构造等，提高战斗部杀伤

20、效能，是今后一个时期榴弹战斗部的主要发60展途径3。自然破片的战斗部在爆炸后产生的破片大小是随机性的，这些不规则破片的质量不同，飞行轨迹也不规则，且每次爆炸的过程也不相同。半预制破片是在战斗部壳体上刻痕和开槽，可以降低壳体的强度，在战斗部爆炸时这些部位首先破裂。预制破片战斗部是将预制的球形或圆柱形破片粘合在战斗部内，在炸药爆炸后这些预制破片可以按一定规则的方向飞散出去。预制破片的质量通常情况下是相同的，现在有些国家正在研制不同质量的预制破片，这种破片在近距离打击下的打击密度和命中概率要高很多。对预制破片战斗部来说，炸药爆炸释放出来的能量 30%用来使壳体破裂， 并将给予破片一定的动能。其余能量

21、产生冲击波。其中，预制破片的初速与装药量和壳体质量，爆炸物的特性有关。英国国防评估研究局根据破片杀伤战斗部的概念提出一个所谓全导弹破坏概念，即采用爆炸罩切割索将整个导弹分裂成携带导弹能量的破片云，这些能量是一个战斗部的许多倍4。这一构想将使导弹不再需要战斗部，因此，它对小型导弹具有潜在价值。1.2 本课题研究目的和意义当今武器装备追求的三大目标是：远程压制、精确打击、高效毁伤。其中，高效毁伤是研究战斗部或弹药对打击目标造成最大毁伤效果的理论、方法和手段，是提高各类导弹武器终点毁伤效应、完成作战使命的关键，对增强武器装备作战能力和提高作战效费比具有重要作用。因此，为了准确认识各种战斗部的毁伤效能

22、，并为未来新型战斗部的设计、战场作战运用提供依据，必须研究战斗部毁伤效能评估方法。所谓战斗部毁伤效能评估是综合考虑战场环境、战术目的、目标特性、火力力量等因素，对战斗部实际毁伤效果进行综合分析和评定的过程，是实施火力协调、火力分配的主要依据，是确保圆满完成毁伤战斗任务的基础5。图 1.1 给出了战斗部毁伤效能评估在毁伤任务中的定位。从图 1.1 可以看出，战斗部毁伤效能评估决定了战斗是否停止以及火力打击如何调整。图 1.1 战斗部毁伤效能评估在毁伤任务中的定位战斗部毁伤效应评估主要包括两种：（1）试验条件下的毁伤效果评估；（2）战场条件下的毁伤效果评估。试验条件下的毁伤评估是以有限的试验数据为

23、依据，使特定战斗部毁伤特定目标， 以此来建立一个毁伤评估指标体系，同时通过数学与力学手段对试验数据进行建模、分析和处理，得到各个毁伤评估指标的评估方法。战场条件下的毁伤效果评估，通俗地说也就是“看一看打的怎么样”，主要通过战场上的侦查手段即卫星、无人机、谍报人员等进行战场毁伤信息的获取、传输、分析和反馈的过程。这种方法在外军的相关研究中称为基于“归纳法”的毁伤评估。在现有的技术条件下，若想全面获取战场毁伤信息，不论是在我国还是其他军事强国，都还是一个比较困难的问题，需要在战场上布置大量的传感器才能实现（这也是美国的未来战斗系统（FCS）所需要关注的主要问题）。所以，除去基于“归纳法”的毁伤评估

24、外，基于“演绎法”的毁伤评估仍然是一种重要的手段。基于演绎法的毁伤评估是指，根据武器毁伤效能、目标易损性以及毁伤试验信息，对毁伤效果进行预测或推测。在现有的战场侦察手段条件下，基于“演绎法”的毁伤评估也是战斗毁伤评估的重要辅助手段。其实质就是将试验中的毁伤评估结果推广到战场上，并进行预测，因此其本质仍然是试验条件下的毁伤评估6。在实际战场上，战斗部大多是在动态飞行中爆炸，对目标进行毁伤，因此在现有的利用静态试验进行验收、考核就会与实际情况产生差距， 所以就很有必要对战斗部动爆的情况进行研究，以便得到现有的静爆与实际的动爆之间的对应关系，为战斗部各指标的评判验收提供依据。据此，本文主要讨论试验条

25、件下的毁伤评估。其主要目的是对战斗部的打击效果建立相应的工程化的毁伤函数或毁伤效应数据库，一方面能为战斗部的研制和定型提供依据，另一方面也可以通过建立的毁伤效应库对战斗部作战效果进行预测，从而为战场的火力运用和作战能力提供相应依据。毁伤效应的评估主要依据以下三种试验来完成：一是战斗部在定型过程中进行的多次实际飞行试验，二是战斗部在研制过程中进行的静爆试验，三是通过飞行试验校正过的数值模拟模型，模拟出大量的毁伤仿真实验。对这三种试验进行试验结果统计、分析和评估，即可建立相应的毁伤效应库。1.3 国内外研究现状毁伤效能的评估研究包括很多方面：毁伤评估的试验技术、建模与仿真技术、毁伤度量与定量计算、

26、毁伤效能优化等7。但是，从本质上看，毁伤评估的试验技术、数值建模与仿真技术属于获取数据源的层面，其目的是为工程化毁伤函数或毁伤效应库的建立提供充分多样的依据，从而解决试验小子样所带来的问题。毁伤效能优化是在试验评估的基础上进行的深化，属于战场应用层次。只有毁伤效果度量和定量计算才是试验条件下的毁伤评估。由于条件所限，很难在实战中在目标处安装大量传感器。因此，通过少量的静爆试验与适当的建模仿真技术推导出战斗部动爆下的毁伤效果参数，是目前既简单方便又经济适用的毁伤评估方法。针对不同的目标、不同的战斗部，毁伤效果的度量也有相应的研究，主要在以下三个方面：（1） 针对具体的物理效应进行刻画，如对侵彻弹

27、主要考虑其弹坑面积，对破片弹主要考虑其有效破片数，对爆破弹考虑其冲击波超压强度等8。（2） 对目标的毁伤指数进行定义，度量综合毁伤效果。这种方法的基本思路是， 将目标的部件组成和功能分区，建立目标毁伤树，进而得到毁伤指数的计算公式，从而完成毁伤等级的划分。（3） 建立具有一定层次的指标体系，如对预制破片战斗部的毁伤评估中，将单个破片的毁伤概率和破片的飞散角度定义为功能性指标，用于评估对目标的整体毁伤情况，将有效毁伤面积定义为对目标的物理毁伤，阐述了破片速度、飞散角度与破片分布密度和毁伤面积等参数之间的关系。这些研究为毁伤评估指标体系的建立奠定了良好的基础，但也存在着一个缺点：缺乏对层次化指标体

28、系建立上的系统描述。实际上，战斗部对目标的毁伤是一个复杂的过程，涉及到目标的材料性能、结构参数以及战斗部本身的有关性能参数，同时也与弹目的相互作用过程有关。美军在对毁伤评估级别定义时分成三个层次：“物理毁伤”、“功能毁伤”、“系统评估”。若单纯从一个层面来衡量毁伤效果，显然不能全面的描述其整体的毁伤情况。所以，还需要从体系化的角度使毁伤评估指标体系得到进一步的发展。世界上对于毁伤评估方法的研究，早在 1871 年俄罗斯提出过关于装备杀伤力的计算问题。后来，由于作战运用研究中多方的要求和武器装备发展的论证，普遍对武器杀伤效果展开了研究，提出一些计算方法，所考虑的主要因素有精度、威力、爆炸方式、目

29、标特性和一些其他相关参数。当时，对毁伤效果评估主要是通过一些简单的计算，从某些侧面比较不同型号的作战效果。所用到的指标包括：摧毁目标到预定程度的弹药消耗量、对目标的毁伤概率等。从 20 世纪 60 年代中期开始，针对武器作战效能分析问题，美国开展了大量的研究， 提出了各种不同的毁伤效能评估方法。比较典型的是美国工业界武器系统效能咨询委员会为美国空军提出的系统效能模型、杜佩的理论杀伤力指数及武器指数等9。综合来说，主要从两个方面对毁伤评估方法来进行研究：（1） 计算机仿真方法，即通过计算机的模拟仿真技术，模拟出子弹的抛撒、着靶的过程，并通过 Monte Carlo 仿真消除随机因素的影响，从而计

30、算出相关的指标。（2） 实际测量法，即通过测量子弹在目标靶上的毁伤面积和成坑深度，并把各个子弹的毁伤面积（或深度）相加的方法来获得毁伤总面积（或深度）。这两种方法各有优缺点：第一种方法的优点是可以通过多次计算，将单次试验中的随机影响因素排除，有利于反映出战斗部在多种作战条件下的整体性能，但是在每次模拟的计算过程中的结果都是由经验的统计分布得到的，在计算中忽略了很多实际误差， 过程过于简单，通常与真实的测量值存在较大的误差。第二种方法虽然能很好的反映单次测量结果，与战斗部的真实性能相符，但只能反映战斗部在特定条件下的毁伤结果， 不具有普遍适用性。因此，单纯依靠一种方法很难得到准确的评估结果。如何

31、将实测数据和仿真技术有机结合起来，既能获取复合实际的测量结果，又具有很好的普遍适用性的毁伤评估结果已成为新的研究趋势。其中的难点主要在于：在进行仿真模拟时，如何不依赖简单的经验统计分布，而是利用实际测量出的结果来获取单次模拟的面积与深度的计算结果，从而得到与真实测量值相吻合的评估结果10。P.H.Deitz 和 A.Ozolins 在 20 世界 80 年代提出了易损性分析空间的概念11，将易损性分析过程划分为四个空间层次，分别对应图 1.2 中的四个层面。图 1.2 易损性空间示意图其中，空间 1 为弹目交会初始参数空间，描述了炮弹和目标的交会情况；空间 2 为部件破坏状态，目标在遭受打击后其各个部件的物理毁伤情况；空间 3 为目标工程性能度量，描述了目标整体物理毁伤情况；空间 4 为目标作战性能度量，描述了目标的整体功能毁伤情况12。在毁伤