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        破片質(zhì)量對鎢合金破片侵徹威力的影響

        2020-05-25 11:41:10趙小峰
        科學(xué)技術(shù)與工程 2020年10期
        關(guān)鍵詞:戰(zhàn)斗部破片威力

        趙小峰

        (海軍裝備部,西安 710065)

        隨著作戰(zhàn)飛機與各種精確制導(dǎo)彈藥的飛速發(fā)展,防空反導(dǎo)技術(shù)的研究已迫在眉睫[1-3]。防空反導(dǎo)戰(zhàn)斗部所使用的毀傷元主要有多爆炸成型彈丸(MEFP)、多線性爆炸成型彈丸(MLEFP)及破片等。目前應(yīng)用最為廣泛的毀傷元為預(yù)制破片,其主要特點為:良好的成形性和加工優(yōu)勢;單枚破片質(zhì)量及形狀可控;飛散角以及空間分布可控。其中,預(yù)制破片以鎢合金破片應(yīng)用為主,其特點為密度高、存速能力好、對目標(biāo)的穿透性強、對戰(zhàn)斗部空間體積利用率高[4-6]。

        目前對破片的研究多集中于破片形狀對破片存速能力的影響、裝藥結(jié)構(gòu)對破片分布的影響等方面。經(jīng)研究,立方形破片具有集束優(yōu)、威力大和空氣阻力小、可形成較高的破片存速的特點,因此已被廣泛應(yīng)用于當(dāng)前殺傷型戰(zhàn)斗部中,因此研究立方體破片對靶板侵徹威力的影響具有重要意義[7-8]?,F(xiàn)有立方體破片對靶板侵徹威力的研究雖研究了質(zhì)量對破片威力的影響,但沒有研究不同破片質(zhì)量對其極限穿深的影響。

        通過理論計算、數(shù)值仿真及試驗等方法,對不同質(zhì)量的立方體鎢合金破片的極限穿深能力進行了研究。具體方法為不同質(zhì)量立方體破片戰(zhàn)斗部裝填比相同,及保證破片初速相同,對比理論計算、數(shù)值仿真以及試驗的結(jié)果,確定不同質(zhì)量立方體鎢合金破片的極限穿深,為立方體鎢合金破片戰(zhàn)斗部的設(shè)計提供指導(dǎo)。

        1 理論計算

        1.1 模型的建立

        為了探討單枚破片質(zhì)量對破片侵徹能力的影響,應(yīng)盡量減少其他參數(shù)對破片侵徹威力的影響因素,因此在進行設(shè)計時,破片均選用立方體結(jié)構(gòu),戰(zhàn)斗部裝填比相同為0.7,威力半徑相同為10 m。

        破片參數(shù)如表1所示。戰(zhàn)斗部模型如圖1所示。

        表1 破片參數(shù)

        圖1 破片戰(zhàn)斗部模型

        戰(zhàn)斗部由起爆裝置、端蓋、破片和主裝藥組成,破片布于內(nèi)襯上,由于內(nèi)襯材料為2A12鋁且厚度為1 mm,因此可以忽略內(nèi)襯對破片的影響,即可視破片布于主裝藥上。

        1.2 破片初速計算

        對于周向破片的平均初速的計算,一般采用格尼公式計算:

        (1)

        本文所使用主裝藥的格尼系數(shù)為2 780,根據(jù)式(1)可知,炸藥指定時,破片初速只與裝填比有關(guān),因此表1中三種破片初速相同,將裝填比代入式(1)中進行計算可得,三種破片的平均初速均為2 000 m/s。

        1.3 破片侵徹威力計算

        破片侵徹威力半徑為10 m,根據(jù)速度衰減計算公式:

        vx=v0e-αx

        (2)

        (3)

        式中:α為破片速度衰減系數(shù);A為修正系數(shù),取A=1.12;CD為破片迎面阻力系數(shù);ρa為當(dāng)?shù)乜諝饷芏龋籗為破片迎風(fēng)面積;mf為破片質(zhì)量。

        根據(jù)計算,三種破片在10 m處的剩余速度見表2。

        表2 破片剩余速度

        對破片侵徹靶板威力計算公式常用THOR方程進行計算:

        hmax=1.638 706×10-5-c11/c12S-1(15 432.1m)-c13/c12×

        (secθ)-c14/c12(3.280 84vx)(1-c15)/c12

        (4)

        式(4)中:hmax為破片能夠穿透的靶板最大厚度;S為破片碰撞面積即迎風(fēng)面積;m為破片初始質(zhì)量;θ為破片彈道與靶板法線的夾角(默認(rèn)垂直于靶板);c11、c12、c13、c14、c15為每種靶板材料分別定義的系數(shù)。

        根據(jù)式(4)進行計算,三種不同破片侵徹威力的理論計算結(jié)果如表3所示。

        表3 破片對靶板侵徹深度

        2 數(shù)值仿真

        2.1 模型的建立

        由于戰(zhàn)斗部模型比較大,對其進行仿真計算時用時較長,因此簡化模型,以理論計算破片在10 m處的存速為數(shù)值仿真破片的侵徹初始速度,采用AUTODYN軟件進行仿真,建立模型如圖2所示。

        模型中網(wǎng)格大小為1 mm,選用材料靶板為Q235鋼,破片為鎢合金,參數(shù)選用AUTODYN軟件自帶材料參數(shù)。為靶板添加邊界條件:沿破片速度方向速度為恒定值0;為破片添加初始條件:初速沿垂直于靶板上表面方向,大小為表2中存速。

        圖2 侵徹模型

        2.2 仿真結(jié)果

        判斷破片對靶板侵徹深度不再增加的判斷依據(jù)為破片速度發(fā)生反向的現(xiàn)象,本研究中破片侵徹靶板過程中破片的速度變化如圖3所示。

        圖3 不同質(zhì)量破片侵徹靶板時速度變化

        由圖3可以看出,在10 m處破片尺寸越大,剩余速度越大。隨著侵徹深度的增大,三種破片速度均逐漸減小,在某時刻速度變?yōu)?后速度發(fā)生反向,此時侵徹結(jié)束。

        不同質(zhì)量破片對靶板侵徹的仿真結(jié)果如圖4所示。

        圖4 不同質(zhì)量破片對靶板侵徹結(jié)果

        由圖4可以看出,鎢合金破片在侵徹靶板過程中會發(fā)生變形,同時隨之破片質(zhì)量的增大,立方體鎢合金破片對靶板的侵徹深度逐漸增大,侵徹深度見表4。

        表4 破片對靶板侵徹深度

        由表3、表4可以看出,不同質(zhì)量鎢合金立方體破片對靶板的侵徹,數(shù)值仿真結(jié)果與理論計算結(jié)果存在誤差,且質(zhì)量越大誤差越小。

        2.3 破片侵徹威力計算公式修正

        利用數(shù)值仿真計算結(jié)果對破片侵徹威力計算公式進行修正,修正形式如下:

        hmax=1.638 706×10-5-c11/c12S-1(15 432.1m)-c13/c12×

        (secθ)-c14/c12(3.280 84vx)(1-c15)/c12-(am2+bm)

        (5)

        將數(shù)值仿真計算結(jié)果代入式(5)中,得到破片侵徹威力修正公式如下:

        hmax=1.638 706×10-5-c11/c12S-1(15 432.1m)-c13/c12×

        (secθ)-c14/c12(3.280 84vx)(1-c15)/c12-

        (-0.076m2+2.3m)

        (6)

        由于仿真結(jié)果小于理論計算結(jié)果,因此式(6)中-0.076m2+2.3m≥0,因此式(6)適用范圍為0≤m≤30.4 g。

        驗證破片侵徹威力修正公式的正確性,應(yīng)進行靜爆試驗進行驗證。

        3 實驗研究

        將戰(zhàn)斗部豎直置于平臺上(圖5),Q235靶板豎直放置在距戰(zhàn)斗部10 m處,靶板厚度從左到右依次為12、14、16、22、24、26 mm。

        試驗用戰(zhàn)斗部共三發(fā),裝填比均為0.7,三發(fā)戰(zhàn)斗部所用破片與表1對應(yīng)。試驗測得三發(fā)戰(zhàn)斗部破片對不同厚度靶板穿透效果如圖6所示,穿透率如表5所示,柱形圖如圖7所示。

        圖5 靜爆試驗布局

        圖6 不同質(zhì)量破片對不同厚度靶板的侵徹結(jié)果

        圖7 不同質(zhì)量破片對不同厚度靶板的穿透率

        表5 威力半徑10 m處破片對靶板侵徹結(jié)果

        每種破片最大侵徹深度以靶板穿透率50%為判斷依據(jù),即靶板穿透率為50%時,判定為破片最大侵徹深度。

        對表5進行線性插值求取不同質(zhì)量破片穿透率為50%時靶板的厚度,公式如下:

        (7)

        式(7)中:a為破片穿透率小于50%時最小靶板厚度;b為破片穿透率大于50%時最大靶板厚度;c為破片穿透率小于50%時最小靶板厚度的穿透率;d為破片穿透率大于50%時最大靶板厚度的穿透率。

        根據(jù)式(7)計算得到靜爆試驗破片最大侵徹深度如表6所示。

        表6 威力半徑10 m處破片最大侵徹深度

        由表6可以看出,3.0 g破片最大侵徹深度試驗值為13 mm,與修正公式計算結(jié)果誤差為0.8%;3.5 g破片最大侵徹深度試驗值為14.8 mm,與修正公式計算結(jié)果誤差為3.5%;8.0 g破片最大侵徹深度試驗值為24.8 mm,與修正公式計算結(jié)果誤差為2%。

        將理論計算結(jié)果、修正公式計算結(jié)果、試驗結(jié)果進行對比分析,破片最大侵徹深度hmax隨質(zhì)量變化曲線如圖8所示。

        圖8 破片最大穿深隨質(zhì)量變化曲線

        由圖8可以看出,隨著破片質(zhì)量的增大,破片最大侵徹深度逐漸增加,但增大率逐漸變緩,說明破片質(zhì)量在一定范圍內(nèi)增大有利于提高破片最大穿深,當(dāng)增大到一定值時,破片最大穿深不再明顯增加;同時,試驗結(jié)果與修正公式計算結(jié)果及數(shù)值方真結(jié)果基本一致,誤差小于3.5%。

        4 結(jié)論

        研究破片質(zhì)量與最大穿深關(guān)系的條件是,破片均為立方體破片,戰(zhàn)斗部裝填比相同且為0.7,威力半徑為10 m。

        隨著破片質(zhì)量的增大,破片最大侵徹深度逐漸增加,但增大率減小,試驗結(jié)果表明,破片最大侵徹深度隨破片質(zhì)量的增大,與理論計算結(jié)果的誤差越小。

        對破片最大侵徹深度理論計算公式進行了修正,修正后計算結(jié)果與實驗結(jié)果誤差小于3.5%。

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