付 璐，尹建平，王志軍，劉 敏

（1中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，太原030051；2國營732廠，山東淄博255201）

0 引言

線性成型裝藥是聚能裝藥的一種。線性成型裝藥起爆后，金屬罩在爆轟產(chǎn)物作用下，形成高速的平面金屬射流切割刀，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的切割，故又稱為聚能切割器。這種技術(shù)從20世紀(jì)60年代開始被廣泛應(yīng)用于宇航和軍事領(lǐng)域，用于目標(biāo)的鏟除或精確破壞，如摧毀建筑物、反車輛、排雷等[1]。在戰(zhàn)場上，利用線性爆炸成型彈丸破壞并炸毀一定距離內(nèi)相互連接的帶刺鐵絲網(wǎng)、通電防護(hù)墻等防護(hù)設(shè)施達(dá)到削弱對方防御能力的目的[2]?；诖藨?yīng)用，文中開展了線性聚能裝藥結(jié)構(gòu)的研究，提出一種能夠?qū)崿F(xiàn)周向毀傷的戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)。

1 戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)

文中所述新型戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有5個(gè)，即藥型罩內(nèi)曲率半徑R1、外曲率半徑R2、裝藥高度h、裝藥長度b和裝藥寬度L。它是在傳統(tǒng)的線性成型裝藥的基礎(chǔ)上，通過改變裝藥結(jié)構(gòu)，由殼體通過釬焊、粘合或者邊緣嚙合而互鎖的方法將4個(gè)獨(dú)立的藥型罩沿著它們的邊緣裝配到一起組合而成。

文中討論的結(jié)構(gòu)模型參數(shù)：藥型罩采用變壁厚設(shè)計(jì)，內(nèi)曲率半徑R1＝52mm，外曲率半徑R2可變；裝藥高度h＝60mm；裝藥長度b＝60mm；裝藥寬度L＝14mm；起爆方式為裝藥中心線起爆。

圖1 戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)

2 仿真計(jì)算及算法

圖2為戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)的有限元模型，采用多物質(zhì)流固耦合格式來模擬裝藥的爆轟、藥型罩的壓垮和線性爆炸成型彈丸的形成過程，且Euler網(wǎng)格范圍足以覆蓋爆轟產(chǎn)物和爆炸成型彈丸流動的空間。網(wǎng)格單元選用Solid164八節(jié)點(diǎn)六面體單元，模型共劃分了343281個(gè)節(jié)點(diǎn)，323600個(gè)單元。單元算法采用多物質(zhì)ALE算法[3]，計(jì)算中采用的單位制為 mm－kg－ms。

圖2 戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)有限元模型

2.1 藥型罩和殼體的材料模型

藥型罩和殼體材料選用紫銅，采用Johnson－Cook模型和Gruneisen狀態(tài)方程來描述動態(tài)響應(yīng)過程以及高應(yīng)變下的材料變形問題。材料參數(shù)[4]見表1。

表1 藥型罩和殼體材料參數(shù)

2.2 炸藥材料模型及狀態(tài)方程

裝藥選用 HIGH＿EXPLOSIVE＿BURN高能炸藥材料模型和JWL狀態(tài)方程。JWL狀態(tài)方程精確描述了在爆炸驅(qū)動過程中爆轟氣體產(chǎn)物的壓力、體積、能量特性，表達(dá)式為：

式中：peos為來自于狀態(tài)方程的炸藥爆轟產(chǎn)物壓力；P為炸藥單元所釋放的壓力；F為炸藥燃燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)；V為爆轟產(chǎn)物相對體積；E為爆轟產(chǎn)物單位體積的內(nèi)能；A、B、R1、R2和w 為輸入?yún)?shù)。采用8701炸藥，材料參數(shù)[4]見表2。

表2 炸藥材料參數(shù)

2.3 空氣材料模型及狀態(tài)方程

空氣材料選用流體模型MAT＿NULL，狀態(tài)方程為線性多項(xiàng)式：EOS＿LINEAR＿POLYNOMIAL，并在邊界節(jié)點(diǎn)上施加壓力流出邊界條件，避免壓力在邊界上的反射。材料參數(shù)[4]見表3。

表3 空氣材料參數(shù)

3 數(shù)值模擬及方案優(yōu)化

3.1 線性EFP成型的數(shù)值模擬

當(dāng)主裝藥起爆以后，前進(jìn)的爆轟波陣面在炸藥外廓所提供的空穴處漸漸壓垮金屬藥型罩，隨后傳入藥型罩內(nèi)在其內(nèi)表面反射拉伸。t＝20μs時(shí)，空腔內(nèi)的材料相互擠壓、碰撞，使得它們的平均速度得到提高，促使罩體翻轉(zhuǎn)；t＝40μs時(shí)，罩體金屬向軸線聚集，出現(xiàn)徑向收縮；t＝60μs時(shí)，由于罩體上靠近軸線處與邊緣處部位存在著速度梯度，使罩體不斷變形，產(chǎn)生徑向收縮和軸向拉長。隨著爆轟波的繼續(xù)推進(jìn)，藥型罩兩端面繼續(xù)向軸向收攏，最終罩體在軸向拉伸及徑向擠壓作用下形成密實(shí)的線性爆炸成型彈丸，如圖3所示。

圖3 線性爆炸成型彈丸成型過程仿真結(jié)果

從圖4可以清楚看出藥型罩內(nèi)壁質(zhì)點(diǎn)先于藥型罩外壁質(zhì)點(diǎn)被加速，而后者速度幅值比前者大，速度的變化反應(yīng)了擠壓與拉伸共同作用過程。在t＝80μs以后內(nèi)外壁質(zhì)點(diǎn)速度趨于一致，線性爆炸成型彈丸成型過程基本結(jié)束。形成的線性爆炸成型彈丸能夠完成預(yù)期設(shè)想，沿著4個(gè)方向穩(wěn)定飛行，達(dá)到周向毀傷的目的，如圖5所示。

圖4 藥型罩內(nèi)外壁質(zhì)點(diǎn)速度歷程曲線

3.2 線性爆炸成型彈丸的優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖5 戰(zhàn)斗部成型整體結(jié)果

文中在固定藥型罩內(nèi)曲率半徑、裝藥長度、裝藥高度和裝藥寬度的條件下，對藥型罩罩頂厚和外曲率半徑參數(shù)進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算。數(shù)值仿真計(jì)算得到了藥型罩外曲率半徑、罩頂厚兩參數(shù)對爆炸成型彈丸速度影響規(guī)律，從中獲得5個(gè)線性爆炸成型彈丸方案，將仿真計(jì)算得到的線性爆炸成型彈丸速度和動能作為優(yōu)化設(shè)計(jì)評定指標(biāo)。表4給出了5個(gè)線性爆炸成型彈丸方案的結(jié)構(gòu)參數(shù)和速度穩(wěn)定時(shí)刻（t＝80μs）的結(jié)果數(shù)據(jù)。

表4 戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)參數(shù)及結(jié)果數(shù)據(jù)表

對于爆炸成型彈丸在裝藥長度、裝藥高度和裝藥寬度一定時(shí)，爆炸成型彈丸對目標(biāo)的侵徹威力主要由其自身動能大小決定[5]，由上表可以看到，隨著外曲率半徑的增大，藥型罩頂厚在增加，同時(shí)線性爆炸成型彈丸的速度在減小，動能在降低。方案1中，形成的線性爆炸成型彈丸頭部和尾部由于速度梯度的原因，出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，如圖6所示，影響了對目標(biāo)的毀傷效能；方案2～5中，形成的線性爆炸成型彈丸均未出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，飛行穩(wěn)定時(shí)速度相比方案1有所降低。綜合考慮線性爆炸成型彈丸成型和動能最大準(zhǔn)則，確定方案2為優(yōu)化方案，如圖7所示。

圖6 方案1線性爆炸成型彈丸飛行姿態(tài)

圖7 方案2線性爆炸成型彈丸飛行姿態(tài)

從計(jì)算結(jié)果可以看出藥型罩曲率半徑、壁厚與線性爆炸成型彈丸成型之間的關(guān)系：

1）藥型罩曲率半徑的變化將引起爆轟波陣面作用于藥型罩位置的改變，導(dǎo)致藥型罩材料流動方向的變化，從而影響線性爆炸成型彈丸的成型。

2）對于藥型罩壁厚，直接影響線性爆炸成型彈丸頭部速度大小，而且罩壁厚不宜太薄或太厚，太薄會使線性爆炸成型彈丸出現(xiàn)拉斷現(xiàn)象，太厚會使藥型罩翻轉(zhuǎn)困難，速度降低，得不到形態(tài)良好的線性爆炸成型彈丸，這些在設(shè)計(jì)時(shí)需要加以重視。

4 結(jié)論

1）與傳統(tǒng)的線性聚能裝藥相比，在爆炸載荷作用下，該新型戰(zhàn)斗部形成線性爆炸成型彈丸的破壞效應(yīng)可以作用到相同距離的四個(gè)方向，實(shí)現(xiàn)周向毀傷，進(jìn)而提高了目標(biāo)的破壞率。該戰(zhàn)斗部可用來摧毀建筑物、破壞防護(hù)網(wǎng)、反車輛等目標(biāo)，并具有一定的毀傷效果。

2）綜合考慮線性爆炸成型彈丸成型和動能最大準(zhǔn)則，該戰(zhàn)斗部在爆炸載荷作用下形成的線性爆炸成型彈丸形態(tài)良好，具有很好的氣動性且穩(wěn)定時(shí)具有一定的速度，有利于侵徹目標(biāo)。

3）藥型罩曲率半徑、壁厚對線性爆炸成型彈丸的成型和速度影響較大。在內(nèi)曲率半徑一定的情況下，隨著外曲率半徑的增大，藥型罩頂厚在增加，形成的線性爆炸成型彈丸的速度在減小，動能在降低。

[1]A C Robinson，M G Vigil.An analytical－experimental comparison of 150and 220grain per foot liner shaped charge performance，DE87－014217[R].1987.

[2]Alford Roland，Alford Sidney.Explosive charge，US 2010／0018427A1[P].2010.

[3]時(shí)黨勇，李裕春，張勝明.基于 ANSYS／LS－DYNA 8.1進(jìn)行顯示動力分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[4]閆玉鳳，陳智剛，周迪鋒，等.不同爆轟波形對串聯(lián)聚能射流影響的數(shù)值模擬[J].測試技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，24（2）：157－160.

[5]王樹有，蔣建偉，門建兵.準(zhǔn)球形爆炸成形彈丸形成過程的仿真計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009，21（15）：4863－4865.