劉亞昆，吳國(guó)東，伊建亞

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

F裝藥形成包覆式復(fù)合侵徹體的仿真研究

劉亞昆，吳國(guó)東，伊建亞

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

利用非線性動(dòng)力學(xué)軟件AUTODYN-2D對(duì)包覆式復(fù)合侵徹體的形成過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析F裝藥內(nèi)外藥型罩密度和間距對(duì)復(fù)合侵徹體成型的影響。結(jié)果表明：F裝藥外罩材料為銅時(shí)，隨著內(nèi)罩密度的增大，復(fù)合侵徹體頭部速度增大，對(duì)靶板侵徹深度變大，內(nèi)罩密度小于外罩時(shí)，侵徹體性能弱于普通單罩裝藥；對(duì)PTFE/AL系活性材料包覆時(shí)，隨著內(nèi)外罩間距的增大，復(fù)合侵徹體長(zhǎng)度增大，頭部速度增大，間距過大時(shí)會(huì)導(dǎo)致復(fù)合侵徹體斷裂，成型不穩(wěn)定。

F裝藥；包覆；爆炸成型彈丸；數(shù)值模擬；活性材料

隨著工事防護(hù)和裝甲技術(shù)的發(fā)展，以及打擊目標(biāo)的多樣性，出現(xiàn)了一些聚能裝藥新技術(shù)，如分離式裝藥、多功能裝藥、多藥型罩裝藥和引燃射彈裝藥等[1-2]。F裝藥結(jié)構(gòu)類似于分離式裝藥，兩層藥型罩之間留有間隙，外罩受到爆轟載荷，高速壓垮內(nèi)罩使之形成侵徹體[3]。傳統(tǒng)的金屬毀傷元威力不足，為了提高彈藥的毀傷威力，國(guó)內(nèi)外積極發(fā)展活性毀傷元技術(shù)[4-5]。國(guó)內(nèi)，門建兵等人提出一種包覆式爆炸成型復(fù)合侵徹體，將活性材料預(yù)制在藥型罩前，在炸藥的爆炸驅(qū)動(dòng)下藥型罩包覆活性材料，獲得高速飛行的復(fù)合侵徹體[6]。國(guó)外研究了一種明火燃燒爆炸成型的彈丸，它將引燃介質(zhì)鋯合金放在藥型罩前，裝藥起爆后，藥型罩?jǐn)D壓引燃材料使其自燃，并隨成型彈丸飛行。實(shí)驗(yàn)表明這種明火燃燒彈即使在-18 ℃大風(fēng)條件下，也能引燃15 m外裝有55加侖柴油的油桶[7]。

本文講述了將F裝藥技術(shù)同活性毀傷元技術(shù)相結(jié)合，得到一種將活性毀傷元包覆在爆炸成型彈丸尾翼的復(fù)合侵徹體，并介紹了F裝藥下內(nèi)外藥型罩密度和間距對(duì)復(fù)合侵徹體成型的影響。

1 計(jì)算模型

1.1 結(jié)構(gòu)模型

F型聚能裝藥結(jié)構(gòu)如圖1所示，裝藥直徑D=80 mm，裝藥長(zhǎng)度L=100 mm，內(nèi)外藥型罩為等壁厚球缺罩，內(nèi)罩曲率半徑R1=75 mm，壁厚H1=2 mm，外罩曲率半徑R2=71 mm，壁厚H2=4 mm，內(nèi)外藥型罩之間空氣間隙A=1 mm。中心點(diǎn)起爆，起爆點(diǎn)在裝藥頂端面。

圖1 F裝藥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 材料模型

利用非線性動(dòng)力學(xué)軟件AUTODYN-2D建立有限元模型，進(jìn)行二維計(jì)算，模型為軸對(duì)稱型，只需建立1/2模型。炸藥和藥型罩采用歐拉算法，殼體采用拉格朗日算法。材料選用AUTODYN軟件庫(kù)中材料[8]，其中炸藥為octol，密度ρ=1.82 g/cm3，爆速8 480 m/s，爆壓34.2 GPa，藥型罩為紫銅，密度ρ=8.93 g/cm3，殼體為鋁，密度ρ=2.77 g/cm3，所選材料狀態(tài)方程和強(qiáng)度模型如表1所示。

表1 材料狀態(tài)方程和強(qiáng)度模型

2 F型裝藥

F型裝藥由內(nèi)外兩個(gè)藥型罩組成，兩藥型罩之間留有空氣間隙，內(nèi)罩作為驅(qū)動(dòng)體，裝藥起爆后，爆炸所產(chǎn)生的爆轟波和爆轟產(chǎn)物驅(qū)動(dòng)內(nèi)罩和外罩向軸線處運(yùn)動(dòng)，內(nèi)罩的壓垮速度大于外罩，內(nèi)罩追上外罩并進(jìn)行壓垮和擠壓。研究中內(nèi)外罩皆采用大曲率的球缺罩，在爆炸載荷作用下將形成向后翻轉(zhuǎn)尾翼型EFP，與射流相比EFP對(duì)藥型罩利用率更高，且適用于長(zhǎng)距離飛行。本文中將內(nèi)罩作為包覆物研究，在成型的復(fù)合侵徹體中，內(nèi)罩被包覆在外罩形成的EFP尾翼中向前飛行，對(duì)F型裝藥和普通單罩裝藥形成的侵徹體進(jìn)行對(duì)比。為方便研究這里將內(nèi)外罩材料都采用銅，如圖2所示。

圖2 侵徹體對(duì)比

由圖2可知，內(nèi)罩形成的侵徹體被包覆在外罩中形成復(fù)合侵徹體向前飛行。普通單罩裝藥形成的侵徹體頭部速度2 556 m/s，尾部速度1 480 m/s，長(zhǎng)度為96 mm；F型裝藥形成的復(fù)合侵徹體頭部速度2 856 m/s，尾部速度1 524 m/s，長(zhǎng)度為133 mm。受內(nèi)罩的壓垮擠壓，復(fù)合侵徹體頭部較細(xì)，頭尾速度略有提升，同時(shí)由于內(nèi)罩形成的侵徹體緊隨在尾部，又增加了侵徹體的長(zhǎng)度。將兩種侵徹體對(duì)半無限靶進(jìn)行侵徹模擬，靶板材料取為AUTODYN材料庫(kù)中4340鋼，靶板采用拉格朗日算法，密度為7.83 g/cm3，剪切模量為77 GPa，屈服應(yīng)力為792 MPa，如圖3所示。

圖3 侵徹靶板對(duì)比

由圖3可知，普通單罩裝藥侵徹靶板開口孔徑18 mm，侵徹深度97 mm；F型裝藥侵徹靶板開口孔徑20 mm，侵徹深度127 mm，F(xiàn)型裝藥在侵徹深度上優(yōu)于普通單罩裝藥。在開口孔徑上二者相差不大，單罩裝藥侵徹通道開口窄中間寬，這是由于侵徹體的侵徹能力急劇下降后在此處大量堆積，造成擴(kuò)孔效應(yīng)，F(xiàn)型裝藥形成的侵徹通道更規(guī)整。

3 不同材料對(duì)成型影響

與分離式裝藥不同的是，F(xiàn)裝藥的內(nèi)罩和外罩之間沒有裝藥，它是利用不同的內(nèi)外罩材料、厚度和間隔的匹配關(guān)系獲得不同性能的侵徹體。因此外罩的壓垮速度不僅與炸藥的爆速有關(guān)，還與藥型罩幾何形狀和藥型罩材料等因素有關(guān)[9-11]。研究中將外罩材料選為銅，內(nèi)罩材料按密度從小到大依次選為鋁、銅、鉬和鉭，材料參數(shù)如表2所示，內(nèi)外藥型罩組合分別為鋁-銅、銅-銅、鉬-銅和鉭-銅，侵徹體成型以及侵徹鋼靶結(jié)果如圖4所示，性能參數(shù)如表3所示。

表2 藥型罩材料參數(shù)

圖4 不同材料組合對(duì)比

表3 不同材料組合性能參數(shù)

分析上述圖表可知，藥型罩內(nèi)外罩材料的不同組合，對(duì)侵徹體的成型有較大影響。隨著內(nèi)罩密度的提高，侵徹體的長(zhǎng)度增加，頭部變細(xì)且速度提高。當(dāng)內(nèi)罩材料為鋁時(shí)，其形成的侵徹體與單罩裝藥相比并無優(yōu)勢(shì)；當(dāng)內(nèi)罩材料為鉭時(shí)，其侵徹體頭部速度與單罩裝藥相比提高了30.7%。各種侵徹體對(duì)靶板侵徹，開口孔徑相差不大，內(nèi)罩密度越高，其侵徹深度越大。當(dāng)內(nèi)罩材料為鉭時(shí)，其對(duì)靶板的侵徹深度與單罩裝藥相比提高了82.5%。分析原因，大曲率的球缺罩形成EFP，其對(duì)炸藥的能量利用率隨著藥型罩密度的提高而增大。內(nèi)罩選用高密度的鉭材料，其在爆轟載荷作用形成的侵徹體具有較大的動(dòng)能。在擠壓外罩時(shí)，對(duì)外罩形成的侵徹體有推進(jìn)作用，侵徹體成型過程內(nèi)罩材料動(dòng)能對(duì)比如圖5所示。

圖5 動(dòng)能對(duì)比

綜上分析，當(dāng)內(nèi)外罩間隙為1 mm時(shí)，F(xiàn)裝藥形成的爆炸成型彈丸，內(nèi)外罩密度存在一定的匹配關(guān)系。當(dāng)作為驅(qū)動(dòng)體的內(nèi)罩密度小于外罩時(shí)，F(xiàn)裝藥形成侵徹體性能弱于普通單罩裝藥，當(dāng)內(nèi)罩密度大于或等于外罩時(shí)，F(xiàn)裝藥形成的侵徹體性能強(qiáng)于普通單罩裝藥；且內(nèi)罩密度越大，侵徹體性能越強(qiáng)。實(shí)際應(yīng)用中，可將鉭-銅作為內(nèi)外罩材料考慮。

4 包覆式復(fù)合侵徹體

將內(nèi)罩作為包覆物，內(nèi)罩材料為活性材料，內(nèi)外罩都采用大曲率的球缺罩。復(fù)合侵徹體成型時(shí)，由內(nèi)罩形成的含能侵徹體依附在由外罩形成的向后翻轉(zhuǎn)型EFP尾翼中飛行。其毀傷機(jī)理與文獻(xiàn)[7]的明火燃燒破甲彈類似。與文獻(xiàn)[7]不同的是，將引燃材料作為內(nèi)罩，裝藥起爆后其尾隨爆炸成型彈丸，對(duì)油類和能源類目標(biāo)造成毀傷。侵徹體對(duì)目標(biāo)的侵徹深度與藥型罩的密度和聲速密切相關(guān)。密度和聲速越高，其穿透深度越大。但活性材料密度和聲速大都很低，侵徹深度不夠理想。采用包覆式復(fù)合侵徹體，在保證侵徹體穿深的同時(shí)又能發(fā)揮活性材料的含能特性。與將活性材料壓垮成射流相比，內(nèi)罩翻轉(zhuǎn)形成的爆炸成型彈丸，其內(nèi)部壓力相對(duì)較低，活性材料不易破裂，使其含能特性得到最大程度的發(fā)揮。研究中外罩材料為銅，內(nèi)罩采用PTFE/AL體系活性材料[12]，其參數(shù)如表4所示。

表4 活性材料參數(shù)

作者還研究了F裝藥內(nèi)外罩間距對(duì)包覆式復(fù)合侵徹體成型的影響。其他參數(shù)不變，內(nèi)外罩間距分別為0、1 mm、2 mm和3 mm，復(fù)合侵徹體和包覆物形態(tài)如圖6所示。

圖6 間距對(duì)復(fù)合侵徹體成型影響

由圖6可知，隨著內(nèi)外罩間距的增大，復(fù)合侵徹的長(zhǎng)度增大。當(dāng)間距為2 mm時(shí)，侵徹體尾部開始出現(xiàn)空腔，爆炸成型彈丸不再密實(shí)；當(dāng)間距為3 mm時(shí)侵徹體頭部出現(xiàn)頸縮，有被拉斷的趨勢(shì)。分析原因，隨著內(nèi)外罩間距的增大，內(nèi)罩向外罩壓垮時(shí)所獲得的加速越充分，對(duì)外罩的壓垮速度越大，使侵徹體整體拉長(zhǎng)。當(dāng)間距為0時(shí)，包覆物頭部擠入侵徹體內(nèi)，使得包覆物頭部局部壓力過大，不利于保證包覆物的穩(wěn)定性；同時(shí)內(nèi)外罩之間無間隙，相當(dāng)于在外罩與炸藥之間加入一層介質(zhì)，與外罩接觸時(shí)內(nèi)罩得不到充分加速，導(dǎo)致外罩壓垮速度小于單罩裝藥，造成復(fù)合侵徹體的頭部速度偏低。當(dāng)間距為1 mm時(shí)，文中所設(shè)計(jì)的F裝藥對(duì)PTFE/AL系活性材料具有較好的包覆效果，在實(shí)際應(yīng)用中可將此種包覆式復(fù)合侵徹體用于打擊油類和能源類目標(biāo)。

5 結(jié)論

1) F裝藥內(nèi)外罩密度存在一定的匹配關(guān)系，外罩材料為銅時(shí)，內(nèi)罩密度越大，侵徹體頭部速度越大，對(duì)靶板的侵徹深度越大。內(nèi)外罩材料組合為鉭-銅時(shí)，相比普通單罩裝藥，頭部速度提高30.7%，侵徹深度提高82.5%。當(dāng)內(nèi)罩材料密度小于外罩時(shí)，其侵徹體性能弱于普通單罩裝藥。

2) 隨著內(nèi)外罩間距的增大，復(fù)合侵徹體長(zhǎng)度增大，頭部速度增大，間距存在最優(yōu)取值范圍。間距過大導(dǎo)致復(fù)合侵徹體頭部斷裂，成型不穩(wěn)定；間距過小復(fù)合侵徹體頭部速度偏低。

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(責(zé)任編輯周江川)

SimulationstudyontheFormationofCladCompositePenetratorwithFCharge

LIU Yakun, WU Guodong， YI Jianya

(School of Mechatronics Engineering， North University of China， Taiyuan 030051， China)

Numerical simulation of the forming process of the coated composite projectile by using nonlinear dynamics software AUTODYN-2D is processed to analyze the effect of F in charge of liner density and spacing the composite penetrator forming. The results show that the F charge cover material for copper, with the cover of the increase of the density, compound penetrator head velocity change of penetration depth, and when the inner cover density is less than the cover, penetrator forming is weaker than ordinary single cover charge; and on line coated PTFE/AL active material, with the external cover spacing increases, the composite penetrator length increases, the head speed increases, and the spacing is too large, and it will lead to composite penetrator forming unstable fracture.

F charging; cladding; explosively formed projectile; numerical simulation; active material

2017-07-20；

2017-08-10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11572291);山西省研究生聯(lián)合培養(yǎng)基地人才培養(yǎng)資助項(xiàng)目(20160033)

劉亞昆(1993—)，男，碩士研究生，主要從事彈藥毀傷技術(shù)研究。

裝備理論與裝備技術(shù)

10.11809/scbgxb2017.11.011

本文引用格式：劉亞昆，吳國(guó)東，伊建亞.F裝藥形成包覆式復(fù)合侵徹體的仿真研究[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(11):51-54.

formatLIU Yakun, WU Guodong， YI Jianya.Simulation study on the Formation of Clad Composite Penetrator with F Charge[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(11):51-54.

TJ413

A

2096-2304(2017)11-0051-04