2.4.5 不同硬度刻槽壳体形成破片过程仿真及试验分析
沙箱回收破片试验只回收了一定角度范围内的破片，并且只能得到3种不同硬度刻槽壳体爆轰加载下部分破片质量分布的最终结果，并不能直观地了解刻槽壳体形成破片全过程。蒋建伟等利用AutoDYN里的Stochastic应力破坏模型对破片形成全过程进行仿真计算，给出了包括破片初速等相关参数较准确。本节采用AutoDYN-3D软件Stochastic模型模拟刻槽壳体在炸药爆轰作用下破裂运动加速过程，通过Stochastic模型中“Output fragment analysis”可以统计破片的质量分布。考虑所受载荷、边界条件及结构的对称特性，因此建立战斗部结构的1/2模型，建立的仿真模型与试验战斗部结构保持一致。图2.4.7为仿真模型图，由于刻槽壳体中V形槽角度很小，因此建模时建立矩形槽近似代替V形槽，运用Lagrange/Euler结合的方法计算刻槽壳体爆炸驱动形成破片全过程，炸药和空气的网格用Euler划分，壳体、雷管座、底端盖的网格用Lagrange划分，优选网格大小为0.5mm。
图2.4.7 仿真模型
（a）模型示意图；（b）网格划分
雷管座及底端盖均选用2A12铝，壳体材料为3种不同硬度的D60钢，运用Johnson-Cook模型描述其在爆炸驱动下动态力学行为，Johnson-Cook本构方程为
式中，σ为von Misses等效应力（MPa）；εp为等效塑性应变；
为参考应变率；
为有效塑性应变率；Tr为参考温度；Tm为熔点；σ0为准静态下的屈服应力；B为输入常量；C为应变率相关系数；n1为加工硬化指数；m1为温度相关系数。
通过准静态及动态力学性能试验，经过拟合获得σ0、B、n、C材料参数。经过拟合得到的主要参数见表2.4.4。材料模型见表2.4.5。
表2.4.4 刻槽壳体主要材料参数
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表2.4.5 数值模拟中的材料模型
HRC36刻槽壳体形成破片过程如图2.4.8所示。由图可知，当起爆至5μs时，接近起爆点端面处的刻槽壳体发生径向膨胀，起爆后8μs时，径向膨胀逐渐传播至整个壳体；至起爆9.5μs时，周向断裂发生在壳体的薄弱环节上，14μs时刻槽壳体在起爆端开始沿轴向破裂，同时向周向延伸；16μs时，壳体周向已完全破裂，轴向破裂在底部出现，基本形成预控破片；17μs时，刻槽壳体形成以轴向裂纹为主，大小均匀的预控破片。3种不同硬度刻槽壳体膨胀断裂直径如图2.4.9所示。随着硬度的降低，刻槽壳体断裂直径增加，HRC20比HRC36刻槽壳体断裂直径增大了10.9%，膨胀断裂时间由9.5μs延长到10.5μs。说明爆轰产物作用于刻槽壳体上的时间随硬度的降低而增加，膨胀程度较大，破片初速增大。
图2.4.8 HRC36刻槽壳体形成破片过程
（a）5μs；（b）8μs；（c）9μs；（d）9.5μs；（e）14μs；（f）5μs；（g）16μs；（h）17μs
图2.4.9 3种不同硬度刻槽壳体膨胀断裂直径
（a）HRC36；（b）HRC32；（c）HRC20
