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        組合式成型裝藥數(shù)值模擬與分析*

        2012-12-10 05:45:48王志軍尹建平
        關(guān)鍵詞:紫銅藥型罩偏移量

        孫 華,王志軍,尹建平

        (中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,太原 030051)

        0 引言

        由于爆炸成型彈丸EFP[1]的密實(shí)性較好,動能較高,攻擊效果基本不受炸高的影響,從而得到廣泛應(yīng)用;然而環(huán)形藥型罩在環(huán)形裝藥起爆后,在爆轟波和爆炸產(chǎn)物的作用下,環(huán)形藥型罩?jǐn)D壓翻轉(zhuǎn),形成環(huán)形侵徹體,由于其開孔大、裝藥長徑比小等特點(diǎn),常用于為反艦導(dǎo)彈和魚雷等串聯(lián)隨進(jìn)戰(zhàn)斗部的前級裝藥[2]。文中提出了一種組合式裝藥結(jié)構(gòu),即用一級主裝藥能夠同時(shí)形成EFP和環(huán)形侵徹體,且二者之間存在一定的速度差,可以實(shí)現(xiàn)環(huán)形侵徹體先于EFP達(dá)到目標(biāo)完成開孔任務(wù),之后EFP隨進(jìn)對目標(biāo)進(jìn)行二次毀傷的目的。該結(jié)構(gòu)能夠應(yīng)用于防空、反導(dǎo)、反武裝直升機(jī)、反陸軍輕型裝甲和海軍輕型裝甲等領(lǐng)域。文中利用ANSYS/LS-DYNA軟件對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬,并研究了藥型罩材料組合和偏移量d對該結(jié)構(gòu)的影響。

        1 組合式成型裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        該結(jié)構(gòu)主要難點(diǎn)在于,等壁厚環(huán)形藥型罩形成環(huán)形侵徹體的過程中,由于內(nèi)外罩的質(zhì)量以及裝藥量的不對稱性[3],從而環(huán)形侵徹體會發(fā)生沿軸向的偏移,進(jìn)而影響其侵徹效果。為了有效降低環(huán)形侵徹體發(fā)生偏移,文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]借鑒的是等沖量設(shè)計(jì)原則,按一定比例分別對內(nèi)、外罩的厚度進(jìn)行調(diào)整,內(nèi)、外罩底至罩頂間的厚度均勻變化,內(nèi)罩底邊厚需增加一定厚度,外罩底邊厚需減少一定厚度,但是要使內(nèi)外罩的質(zhì)量和分別作用在其上的有效裝藥相等,從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)外罩的沖量相等,在工程實(shí)現(xiàn)上以及藥型罩加工過程中比較困難。為了能夠有效的解決該問題,文中所采用的方式是:中間藥型罩和環(huán)形藥型罩均為球缺型,從而便于藥型罩加工,僅僅使環(huán)形藥型罩的旋轉(zhuǎn)軸與環(huán)形裝藥的旋轉(zhuǎn)軸存在一定的偏移量d,如圖1所示,從而有效的減小環(huán)形侵徹體的偏轉(zhuǎn)角θ,得到穩(wěn)定的環(huán)形侵徹體。文中提出的組合式成型裝藥結(jié)構(gòu)如圖2所示。

        2 數(shù)值模擬

        2.1 有限元模型與材料

        文中采用Truegrid軟件建立組合式成型裝藥的有限元模型,模型中單元均為solid164三維實(shí)體單元,并在邊界上施加邊界條件無反射約束,避免壓力在邊界上的反射;然后通過與LS-DYNA軟件間的接口,將有限元模型導(dǎo)入求解器中進(jìn)行計(jì)算。全文使用的單位制為:mm-ms-kg-GPa。由于該結(jié)構(gòu)為軸對稱結(jié)構(gòu),所以模型采用1/4網(wǎng)格劃分,從而減少模型單元數(shù)量,以節(jié)省計(jì)算時(shí)間。數(shù)值仿真中簡化為藥型罩、炸藥、隔板和空氣四部分,其算法均采用Euler算法。

        國內(nèi)外對藥型罩材料[6]的研究及應(yīng)用進(jìn)行了大量的工作,對紫銅、鉭等材料都進(jìn)行了研究。文中在數(shù)值模擬中藥型罩材料選其中一種或兩種材料組合進(jìn)行對比,這兩種材料均采用Johnson-Cook材料模型和Gruneisen狀態(tài)方程來描述其在動力學(xué)作用下的響應(yīng)行為。文獻(xiàn)[7]中給出了紫銅和鉭的主要參數(shù),紫銅的主要參數(shù)有:ρ=8.96g/cm3,A=90MPa,B=292MPa,n=0.31,m=1.09,c=0.025;鉭的主要參數(shù)有:ρ=16.6 g/cm3,A=245MPa,B=493MPa,n=0.58,m=1.04,c=0.065。

        炸藥選用8701,用HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型和JWL狀態(tài)方程來進(jìn)行描述,其主要參數(shù)參照文獻(xiàn)[8]:ρ=1.787 g/cm3,D=7.98Km/s,Pcj=29.5GP。

        2.2 組合式侵徹體成型過程的數(shù)值分析

        為了研究組合式侵徹體的成型過程,文中采用裝藥口徑D=140mm,裝藥高度H=40mm,中間藥型罩材料為鉭,曲率半徑為30mm,壁厚為3mm,偏移量d=2mm,環(huán)形藥型罩材料為紫銅為例進(jìn)行數(shù)值模擬。圖3為該組合裝藥結(jié)構(gòu)在不同時(shí)刻形成侵徹體的過程。

        圖3 組合式侵徹體的成型過程

        由圖3可以看出,在炸藥起爆條件下,爆轟波首先對中間藥型罩和環(huán)形藥型罩的罩頂進(jìn)行壓垮,隨著爆轟波的進(jìn)一步傳播以及爆炸產(chǎn)物的影響,藥型罩兩側(cè)也開始翻轉(zhuǎn),在40μs時(shí),中間藥型罩和環(huán)形藥型罩基本完成翻轉(zhuǎn),組合式侵徹體形態(tài)基本穩(wěn)定,由于所受爆轟波作用時(shí)間長短的差異,頭、尾部之間有一定的速度梯度,從而在40μs至60μs階段侵徹體繼續(xù)被拉伸,直至速度趨于一致。

        圖4 組合式侵徹體頭、尾部速度變化曲線

        結(jié)合圖3和圖4,可以看出 60μs 時(shí)中間EFP頭、尾速度達(dá)到一致,80μs時(shí)環(huán)形侵徹體頭、尾速度達(dá)到一致,且兩者之間存在較大的速度差,環(huán)形侵徹體的速度大于中間 EFP的

        速度,即可以實(shí)現(xiàn)環(huán)形侵徹體先于中間EFP達(dá)到目標(biāo)完成開孔任務(wù),之后中間EFP隨進(jìn)對目標(biāo)進(jìn)行二次毀傷的目的。

        2.2.1 藥型罩材料選取對結(jié)構(gòu)形成組合式侵徹體的影響

        為了研究藥型罩材料對結(jié)構(gòu)形成組合式侵徹體的影響,文中分別對:方案1,中間藥型罩和環(huán)形藥型罩均為銅;方案2,中間藥型罩和環(huán)形藥型罩均為鉭;方案3,中間藥型罩為鉭環(huán)形藥型罩為銅;方案4,中間藥型罩為銅環(huán)形藥型罩為鉭進(jìn)行了數(shù)值模擬。

        圖5 不同材料組合下侵徹體成型

        表1 不同方案結(jié)果對比

        結(jié)合圖5和表1可以看出:當(dāng)材料組合為中間藥型罩為鉭,環(huán)形藥型罩為紫銅時(shí)環(huán)形侵徹與中間EFP的速度差達(dá)到703m/s,EFP和環(huán)形侵徹體均有較高的長徑比,且環(huán)形侵徹體未發(fā)生軸向偏移;當(dāng)兩者材料一樣時(shí),中間EFP的速度大于環(huán)形侵徹體的速度,是因?yàn)榄h(huán)形炸藥起爆后,爆轟波雖然受到隔板的作用,但是有一部分爆轟波通過透射,在中心軸上形成透射波疊加,如圖6所示,使中間藥型罩受到爆轟時(shí)間延長,從而中間EFP的速度大于環(huán)形侵徹體的速度;當(dāng)中間藥型罩為銅環(huán)形藥型罩為鉭,中間EFP的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于環(huán)形侵徹體的速度,且環(huán)形侵徹體發(fā)生了沿軸向向外的偏移。

        綜上所述:要想實(shí)現(xiàn)環(huán)形侵徹體先于EFP達(dá)到目標(biāo)完成開孔任務(wù),之后EFP隨進(jìn)繼續(xù)銷毀目標(biāo)的目的,合理選擇兩者材料是一種有效的方式。在同一結(jié)構(gòu)中,當(dāng)中間藥型罩材料密度大于環(huán)形藥型罩材料密度時(shí),能夠使環(huán)形侵徹體的速度大于中間EFP的速度。

        2.2.2 偏移量d對結(jié)構(gòu)形成組合式侵徹體的影響

        圖6 各時(shí)刻爆轟波云圖

        為了研究偏移量d對結(jié)構(gòu)形成組合式侵徹體的影響,文中分別對 d=0mm、d=1mm、d=2mm、d=3mm、d=4mm這5種情況進(jìn)行了數(shù)值模擬。

        圖7 不同偏移量時(shí)組合侵徹體成型

        圖8 不同偏移量下環(huán)形侵徹體頭部偏轉(zhuǎn)角曲線

        從圖7可以看出,當(dāng)偏移量d在0~1mm之間時(shí),環(huán)形藥型罩外壁出現(xiàn)了大量的“崩落環(huán)”,材料利用率較低,侵徹能力將受到影響。從圖8可以看出,當(dāng)偏移量 d在 0~1mm之間時(shí),環(huán)形侵徹體頭部偏轉(zhuǎn)角θ為正,且隨著偏移量d的增大,偏轉(zhuǎn)角逐漸減小;當(dāng)偏移量d在3~4mm之間時(shí),環(huán)形侵徹體頭部偏轉(zhuǎn)角θ為負(fù),且隨著偏移量d的增大,偏轉(zhuǎn)角θ絕對值逐漸增大;當(dāng)偏移量d=2mm時(shí),環(huán)形侵徹體頭部偏轉(zhuǎn)角θ幾乎為0°。從圖9可以看出,隨著偏移量 d的增大,環(huán)形侵徹體的速度逐漸增大,中間 EFP的速度幾乎不變。綜合圖7、圖8和圖9可以得出:當(dāng)偏移量 d=2mm時(shí),環(huán)形藥型罩內(nèi)外罩所受到的有效裝藥相等,實(shí)現(xiàn)了等沖量原則,所以偏轉(zhuǎn)角θ幾乎為0°;當(dāng)偏移量d在0~1mm之間時(shí),環(huán)形藥型罩內(nèi)罩受到的有效裝藥多于外罩,所以環(huán)形侵徹體發(fā)生了遠(yuǎn)離中心軸的偏轉(zhuǎn);當(dāng)偏移量d在3~4mm之間時(shí),環(huán)形藥型罩內(nèi)罩受到的有效裝藥少于外罩,所以環(huán)形侵徹體發(fā)生了靠近中心軸的偏轉(zhuǎn)。

        圖9 不同偏移量下組合侵徹體的速度曲線

        3 結(jié)論

        通過數(shù)值模擬表明,該組合式成型裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是可行的,能夠按照預(yù)先方案在炸藥爆轟以及爆轟反應(yīng)物的作用下形成中間EFP和環(huán)形侵徹體兩者組合式毀傷元素。并對其影響因素進(jìn)行了分析,得出以下結(jié)論:

        1)當(dāng)中間藥型罩材料密度大于環(huán)形藥型罩材料密度時(shí),能夠使環(huán)形侵徹體的速度大于中間EFP的速度,從而實(shí)現(xiàn)環(huán)形侵徹體先于中間EFP達(dá)到目標(biāo)完成開孔任務(wù),之后EFP隨進(jìn)對目標(biāo)進(jìn)行二次毀傷的目的;

        2)當(dāng)偏移量d=2mm時(shí),環(huán)形藥型罩內(nèi)外罩所受到的有效裝藥相等,環(huán)形侵徹體頭部偏轉(zhuǎn)角θ幾乎為0°,其形態(tài)較好,侵徹能力較強(qiáng)。

        [1]寧俊生.成型裝藥和爆炸成型彈丸的研究進(jìn)展[J].兵器材料科學(xué)與工程,2004,27(6):65 -67.

        [2]黃群濤,李鐵鵬,錢建平,等.環(huán)形EFP成型及侵徹過程的數(shù)值模擬[J].火炸藥學(xué)報(bào),2009,32(5):50-53.

        [3]黃群濤.環(huán)形EFP成型機(jī)理研究[D].南京:南京理工大學(xué),2008.

        [4]李永勝,王偉力,姜濤.用于串聯(lián)戰(zhàn)斗部的環(huán)形切割器優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),2010,30(2):93 -94.

        [5]吳成,曾艷春,張向榮,等.環(huán)型聚能藥型罩的設(shè)計(jì)新方法與實(shí)驗(yàn)[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2007,27(4):291-294.

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