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        前艙干擾下錐弧藥型罩射流成型及侵徹性能研究?

        2022-01-11 08:57:56姚黃偉
        爆破器材 2022年1期
        關(guān)鍵詞:藥型罩靶板裝藥

        張 利 姚黃偉

        ①安徽東風(fēng)機(jī)電科技股份有限公司(安徽合肥,231202)②南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院(江蘇南京,210094)

        引言

        因具有速度快、能量密度高、穿透能力強(qiáng)等特點(diǎn),聚能戰(zhàn)斗部被廣泛地用于各種炮彈、魚(yú)雷和導(dǎo)彈等彈藥系統(tǒng)中。由于制導(dǎo)裝置經(jīng)常位于聚能裝藥戰(zhàn)斗部前艙,且距離藥型罩底部較近,當(dāng)聚能戰(zhàn)斗部起爆時(shí),射流在穿過(guò)前艙時(shí)未完全成型,射流頭部速度會(huì)被前艙消耗,嚴(yán)重影響射流破甲的威力[1]。

        藥型罩是聚能戰(zhàn)斗部的關(guān)鍵部件,藥型罩結(jié)構(gòu)對(duì)射流的拉伸性能、侵徹能力等有顯著的影響。肖強(qiáng)強(qiáng)等[1]設(shè)計(jì)了一種新型結(jié)構(gòu)的藥型罩,對(duì)比常規(guī)藥型罩,可以有效地減小制導(dǎo)艙對(duì)射流的干擾;邵彬等[2]通過(guò)LS-DYNA有限元軟件模擬得出,在導(dǎo)引頭的干擾下,大錐角藥型罩形成的射流破甲能力更強(qiáng);王志軍等[3]設(shè)計(jì)了一種星錐形藥型罩,通過(guò)射流的二次碰撞來(lái)提高射流的頭部速度,進(jìn)而提高裝藥結(jié)構(gòu)的侵徹能力;童宗保等[4]提出了一種M形藥型罩,該藥型罩能夠形成直徑較大的環(huán)形射流,射流穩(wěn)定。

        為了有效地降低前艙對(duì)聚能射流的干擾作用,提高聚能戰(zhàn)斗部侵徹混凝土靶的威力,本文中,設(shè)計(jì)了一種錐弧藥型罩。利用AUTODYN-2D動(dòng)力學(xué)仿真軟件數(shù)值模擬兩種小錐段不同壁厚的錐弧藥型罩和傳統(tǒng)藥型罩在前艙干擾情況下的射流成型情況,并進(jìn)行兩種小錐段不同壁厚藥型罩對(duì)混凝土靶板的靜態(tài)侵徹試驗(yàn)。通過(guò)分析錐弧藥型罩與傳統(tǒng)藥型罩侵徹性能的差異、錐弧藥型罩壁厚對(duì)聚能戰(zhàn)斗部威力的影響以及錐弧藥型罩對(duì)混凝土靶的侵徹性能,以期為聚能戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)提供一定參考。

        1 裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        設(shè)計(jì)的聚能裝藥和傳統(tǒng)聚能裝藥主要由藥型罩、藥柱和隔板組成。3種裝藥口徑均為174 mm,高度均為230 mm。藥柱采用JO-8炸藥。圖1(a)、圖1(b)分別為小錐段1.6、2.5 mm壁厚錐弧藥型罩;圖1(c)為相同裝藥結(jié)構(gòu)下的傳統(tǒng)藥型罩。

        圖1 藥型罩結(jié)構(gòu)(單位:mm)Fig.1 Structure of liners(unit:mm)

        2 數(shù)值模型建立及參數(shù)選擇

        2.1 模型建立

        數(shù)值仿真模型包括聚能裝藥和模擬前艙。其中,模擬前艙內(nèi)部電路板可等效為多層間隔靶板。聚能裝藥和模擬前艙為軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),因此,采用AUTODYN-2D程序進(jìn)行二維計(jì)算,且只需要建立1/2模型。聚能裝藥與模擬前艙的對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

        圖2 聚能裝藥與模擬前艙對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of structure of shaped charge and simulated forebay

        炸藥、空氣域、藥型罩和隔板采用Euler網(wǎng)格,為了獲得更好的射流形狀,采用局部加密的建模方式;模擬前艙采用Lagrange網(wǎng)格。空氣域在邊界節(jié)點(diǎn)上設(shè)置flow-out的邊界條件,初始條件設(shè)為still air,目的是為了模擬無(wú)限空氣域。利用裝藥底部端面中心點(diǎn)起爆。單位制為mm-mg-ms。

        2.2 材料模型

        炸藥的爆轟產(chǎn)物采用JWL狀態(tài)方程。該方程能夠精準(zhǔn)地描述爆轟氣體產(chǎn)物的體積、壓力、能量等特性。JO-8炸藥的材料參數(shù)見(jiàn)表1。

        表1 JO-8炸藥參數(shù)Tab.1 Material parameters of JO-8 explosive

        其他材料參數(shù)均來(lái)自AUTODYN自帶材料庫(kù)。藥型罩材料為鈦合金,選用Titanium材料,采用Shock狀態(tài)方程和Steinberg Guinan強(qiáng)度模型;隔板材料為膠木,選用Polyureth材料,采用Shock狀態(tài)方程;前艙材料為鋁合金,選用Al 2024-T4材料,采用Shock狀態(tài)方程和Steinberg Guinan強(qiáng)度模型。主要材料參數(shù)如表2所示。

        表2 主要材料參數(shù)Tab.2 Main material parameters

        3 仿真計(jì)算結(jié)果及分析

        3.1 聚能裝藥炸藥爆炸過(guò)程

        圖3為兩種不同壁厚的錐弧藥型罩和傳統(tǒng)藥型罩的射流成型過(guò)程。炸藥爆炸過(guò)程中,隔板起到調(diào)整爆轟波波形的作用。爆轟波在繞過(guò)隔板后,向軸線形成匯聚波,驅(qū)動(dòng)藥型罩變形、壓垮,提高了炸藥能量利用率。錐弧藥型罩的錐形部分首先被壓垮到軸線處,形成頭部高速射流;隨后,藥型罩的弧形部分開(kāi)始?jí)嚎宓捷S線處,形成粗大射流。40μs時(shí),1.6 mm壁厚錐弧藥型罩頭部速度為10 170 m/s;2.5 mm壁厚的錐弧藥型罩頭部速度為9 899 m/s;傳統(tǒng)藥型罩頭部速度為9 436 m/s。在相同時(shí)刻,壁厚小的錐弧藥型罩形成的射流頭部速度大。這是由于藥型罩壁厚小,炸藥作用在單位質(zhì)量上的能量大,射流頭部速度有所提高。

        圖3 藥型罩射流成型過(guò)程Fig.3 Jet forming process of liners

        3.2 射流侵徹模擬前艙過(guò)程

        錐弧藥型罩形成射流侵徹模擬前艙的過(guò)程中,由藥型罩錐形部分形成的頭部高速射流完成對(duì)模擬前艙的侵徹開(kāi)孔,后續(xù)射流沿開(kāi)孔穿過(guò)模擬前艙,對(duì)目標(biāo)進(jìn)行侵徹。

        小錐段不同壁厚錐弧藥型罩和相同裝藥結(jié)構(gòu)下傳統(tǒng)藥型罩形成的射流穿過(guò)模擬前艙的頭部速度和尾部干擾情況對(duì)比如圖4所示。

        圖4 射流侵徹模擬前艙過(guò)程Fig.4 Process of jet penetrating simulated forebay

        射流在穿過(guò)模擬前艙時(shí),除了頭部高速射流被前艙隔板消耗外,尾部粗大射流也受前艙中心孔的干擾。1.6 mm壁厚錐弧藥型罩的射流速度從10 160 m/s下降到8 189 m/s,下降了19.4%;2.5 mm壁厚錐弧藥型罩的射流速度從9 899 m/s下降到7 831 m/s,下降了20.9%;傳統(tǒng)藥型罩的射流速度從9 436 m/s下降到7 451 m/s,下降了21.0%。這說(shuō)明在聚能射流拉伸階段,模擬前艙對(duì)聚能射流頭部速度的消耗很大。

        由表3可知:經(jīng)過(guò)模擬前艙的干擾后,小錐段1.6 mm壁厚錐弧藥型罩形成的射流頭部速度更高,比2.5 mm壁厚藥型罩形成的射流高4.5%,比傳統(tǒng)藥型罩形成的射流高9.0%,故小錐段1.6 mm壁厚錐弧藥型罩形成的射流速度梯度更大。小錐段1.6 mm壁厚錐弧藥型罩比小錐段2.5 mm壁厚錐弧藥型罩形成的射流長(zhǎng)3.3%,比傳統(tǒng)藥型罩形成的射流長(zhǎng)3.1%,故小錐段1.6 mm壁厚錐弧藥型罩形成的射流延展性更好。射流依靠動(dòng)能來(lái)侵徹靶板,射流的質(zhì)量和速度是影響侵徹性能的重要因素。因此,小錐段1.6 mm壁厚錐弧藥型罩形成的射流侵徹性能更好。

        表3 藥型罩侵徹模擬前艙后參數(shù)Tab.3 Parameters of liners after penetrating simulated forebay

        3.3 射流侵徹混凝土開(kāi)孔直徑

        數(shù)值模擬中,混凝土RHT本構(gòu)參數(shù)有35個(gè),難以得到可靠性數(shù)值仿真結(jié)果。本文中,數(shù)值仿真只進(jìn)行射流侵徹模擬前艙分析,并根據(jù)侵徹模擬前艙后的頭部速度,通過(guò)理論計(jì)算得到聚能射流侵徹混凝土靶板的開(kāi)孔直徑。

        文獻(xiàn)[5]中,剛性彈丸侵徹靶板開(kāi)孔直徑為

        式中:Dc為彈丸侵徹目標(biāo)靶板的開(kāi)孔直徑;DP為彈丸直徑;ρP和ρt分別為彈丸和目標(biāo)靶板的密度;vD為彈丸的侵徹速度;σ=2Y/3,Y為目標(biāo)靶板強(qiáng)度。

        研究射流侵徹靶板開(kāi)孔直徑時(shí),射流的侵徹速度為

        類(lèi)似式(1),射流侵徹靶板的開(kāi)孔直徑為

        式中:D′c為射流侵徹目標(biāo)靶板的開(kāi)孔直徑;D′P為射流的頭部直徑;ρ′p為射流的密度。

        根據(jù)式(3)計(jì)算可得:1.6 mm壁厚藥型罩侵徹混凝土的開(kāi)孔直徑為112 mm;2.5 mm壁厚藥型罩侵徹混凝土的開(kāi)孔直徑為92 mm;傳統(tǒng)藥型罩侵徹混凝土的開(kāi)孔直徑為90 mm。故小錐段1.6 mm壁厚錐弧藥型罩形成的射流侵徹混凝土靶的開(kāi)孔直徑最大。

        4 侵徹性能試驗(yàn)

        研究發(fā)現(xiàn),在相同裝藥情況下,傳統(tǒng)藥型罩的侵徹能力與錐弧藥型罩的侵徹能力相差甚遠(yuǎn)。本文中,只針對(duì)兩種小錐段不同壁厚的錐弧藥型罩在模擬前艙的干擾下對(duì)C40鋼筋混凝土靶板的靜爆威力進(jìn)行試驗(yàn),對(duì)比分析錐弧藥型罩的小錐段壁厚對(duì)鋼筋混凝土靶侵徹性能的影響。鋼筋混凝土靶板的迎彈面尺寸為2 000 mm×2 000 mm,厚度為1 200 mm。靶板按照《防護(hù)工程防常規(guī)武器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]中的相關(guān)要求進(jìn)行修建。靶板養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行試驗(yàn)。

        試驗(yàn)布置示意圖如圖5所示。模擬前艙、聚能裝藥和靜爆引信組裝后放置在試驗(yàn)架上。調(diào)整試驗(yàn)架位置,使得模擬前艙前端面和鋼筋混凝土靶板的迎彈面接觸,并保證模擬前艙與靶板中心對(duì)正。

        圖5 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置圖(單位:mm)Fig.5 Layout of test(unit:mm)

        試驗(yàn)時(shí),將雷管置于裝藥底部端面中心點(diǎn)起爆,聚能裝藥形成高速射流并侵徹混凝土靶板。聚能射流頭部首先與混凝土靶板開(kāi)始接觸,接觸的瞬間向靶板內(nèi)部傳入瞬時(shí)沖擊波,雖然響應(yīng)區(qū)域較小,但壓力的驟然變化使得靶板發(fā)生壓縮和剪切變形,產(chǎn)生橫向擴(kuò)孔效應(yīng),形成混凝土漏斗坑破壞過(guò)程;當(dāng)射流頭部侵徹進(jìn)入靶板后,聚能射流進(jìn)入穩(wěn)定侵徹過(guò)程,形成粗細(xì)相間的柱形侵徹孔;在聚能射流向靶板內(nèi)傳入沖擊波的同時(shí),靶板也反作用于聚能射流一個(gè)沖擊波,隨著聚能射流侵徹深度的增加,射流頭部速度快速降低,加之聚能射流梯度,在侵徹過(guò)程會(huì)出現(xiàn)堆積現(xiàn)象;當(dāng)聚能射流頭部速度小于靶板的臨界侵徹速度時(shí),侵徹過(guò)程基本結(jié)束,靶板侵徹深度達(dá)到最大[7]。

        圖6、表4為兩種不同壁厚錐弧藥型罩形成的射流侵徹混凝土靶板的毀傷結(jié)果。可以看出:

        表4 兩壁厚射流靜破甲試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Tab.4 Result comparison of static armor breaking test of jet with two wall thickness

        圖6 聚能戰(zhàn)斗部對(duì)混凝土靶板的毀傷效果Fig.6 Damage outcome of shaped charge warhead on concrete target

        1)通過(guò)理論計(jì)算的開(kāi)孔直徑與試驗(yàn)所得到的開(kāi)孔直徑對(duì)比,誤差分別為3.5%和2.1%,證明了仿真計(jì)算和理論計(jì)算的可靠性;

        2)1.6 mm和2.5 mm壁厚錐弧藥型罩形成的射流都能穿透1 200 mm的C40鋼筋混凝土靶板;

        3)1.6 mm壁厚錐弧藥型罩形成的射流的開(kāi)孔直徑和出孔直徑比2.5 mm壁厚的射流大2 0%和27%,故1.6 mm壁厚藥型罩形成的射流的侵徹能力更好。

        5 結(jié)論

        1)在爆轟壓力作用下,錐弧藥型罩的錐形部分形成頭部高速射流,減少在前艙的射流消耗,增加侵徹深度;弧形部分形成的射流質(zhì)量利用率高,可形成粗大射流,提高侵徹能力。在經(jīng)過(guò)模擬前艙干擾后,小錐段1.6 mm壁厚錐弧藥型罩形成的射流與傳統(tǒng)藥型罩形成的射流相比:射流速度提高了9.0%,射流長(zhǎng)度提高了3.1%。

        2)小錐段1.6 mm壁厚錐弧藥型罩形成的射流在穿過(guò)模擬前艙后,射流頭部速度更高,射流速度梯度更明顯:射流頭部速度比小錐段2.5 mm壁厚錐弧藥型罩形成的射流提高了4.5%,射流長(zhǎng)度提高了3.3%。

        3)靜破甲試驗(yàn)表明:兩種壁厚的錐弧結(jié)構(gòu)藥型罩均能夠侵徹1 200 mm厚的鋼筋混凝土靶板,且1.6 mm壁厚錐弧藥型罩形成的射流開(kāi)孔直徑和出孔直徑比2.5 mm壁厚錐弧藥型罩形成的射流大20%和27%,即小錐段1.6 mm壁厚錐弧藥型罩形成的射流侵徹性能更好。該結(jié)論與數(shù)值模擬結(jié)果相吻合。

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