曹 鑫，崔東華，馮 煒，焦俊杰

(1.海軍工程大學(xué) 兵器工程學(xué)院，武漢 430033；2.中國(guó)人民解放軍91054部隊(duì)，北京 102442；

3.南京理工大學(xué)，南京 210094)

1 引言

隨著目標(biāo)防護(hù)能力的不斷增強(qiáng)，迫切需要設(shè)計(jì)侵徹威力更大的爆炸成型彈丸(EFP)，以滿足武器系統(tǒng)威力設(shè)計(jì)的要求。現(xiàn)有提高EFP侵徹威力的方式主要是通過增加裝藥的長(zhǎng)徑比、改變起爆方式、改變殼體厚度和殼體材料、藥型罩結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)來提高EFP的著靶速度、EFP密實(shí)度和EFP的長(zhǎng)徑比等。為了進(jìn)一步提高聚能裝藥的侵徹威力，張先鋒利用夾層裝藥形成的超壓爆轟對(duì)聚能裝藥射流的侵徹性能進(jìn)行了研究。隨后潘建利用帶隔板裝藥形成的超壓爆轟對(duì)EFP成型過程進(jìn)行了數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)研究，可以大幅度提高EFP的成型速度和長(zhǎng)徑比。李玉品在綜合復(fù)合裝藥的沖擊波特性和能量輸出規(guī)律的基礎(chǔ)上，分析了不同藥型罩結(jié)構(gòu)下，單層裝藥與夾層聚能裝藥2種結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的爆轟波波形以及壓垮驅(qū)動(dòng)形成EFP的過程和侵徹過程，但是對(duì)于夾層裝藥EFP成型過程，夾層裝藥的結(jié)構(gòu)直接影響著爆轟波的傳播規(guī)律，進(jìn)一步影響EFP的成型規(guī)律，而現(xiàn)有的研究對(duì)此研究較為缺乏。

本研究利用AUTODYN有限元軟件對(duì)不同夾層裝藥結(jié)構(gòu)的EFP成型過程進(jìn)行分析，獲得不同夾層裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)EFP成型參數(shù)的影響規(guī)律，為夾層裝藥EFP裝藥結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支持。

2 模型建立

2.1 裝藥結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為了對(duì)比不同夾層裝藥結(jié)構(gòu)下爆炸成型彈丸的成型過程，本研究采用球缺型藥型罩，其中藥型罩的厚度為3 mm，裝藥口徑取為60 mm，藥型罩的口徑為50 mm，并保持裝藥高度(50 mm)和外層裝藥的口部長(zhǎng)度(5 mm)不變，通過改變頂部的尺寸來改變夾層裝藥的裝藥結(jié)構(gòu)，并設(shè)置不同的起爆方式，來觀察裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)藥型罩的成型過程的影響，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 夾層裝藥EFP裝藥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 EFP structure diagram of sandwich charge

2.2 仿真計(jì)算模型

EFP成型過程是一種多物質(zhì)相互作用的大變形運(yùn)動(dòng)過程，本文中采用非線性動(dòng)力學(xué)仿真軟件AUTODYN-2D中Euler算法模擬計(jì)算藥型罩的壓垮和成型過程。

藥型罩材料為CU-OHFC高導(dǎo)無氧銅，密度為8.96 g/cm，狀態(tài)方程為Shock，強(qiáng)度模型為Steinberg-Guinan；炸藥選用材料庫(kù)中HMX-TNT和HMX炸藥作為高爆速速炸藥和低爆速炸藥，其密度為分別為1.776 g/cm和1.891 g/cm，采用JWL狀態(tài)方程。本構(gòu)關(guān)系為High_explosive_burn；空氣采用Null本構(gòu)方程和Gruneisen狀態(tài)方程，避免壓力在邊界面反射，在整個(gè)空氣計(jì)算域的外表面定義無反射邊界。為了對(duì)比不同夾層裝藥結(jié)構(gòu)下對(duì)EFP成型過程，設(shè)置如圖1所示6個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，具體的裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 夾層裝藥結(jié)構(gòu)及參數(shù)Table 1 Structure and parameters of sandwich charge

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 內(nèi)外層裝藥對(duì)EFP成型的影響過程分析

為了對(duì)比單一裝藥、不同裝藥結(jié)構(gòu)以及起爆方式對(duì)EFP成型的影響，對(duì)結(jié)構(gòu)編號(hào)1～4進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果見表2。

表2 單一裝藥和夾層裝藥的仿真結(jié)果Table 2 Simulation results of single charge and sandwich charge

由表2可知，對(duì)于單一裝藥結(jié)構(gòu)1形成的EFP速度和長(zhǎng)徑比明顯低于其他復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)，當(dāng)采用點(diǎn)起爆時(shí)外層為低爆速炸藥(結(jié)構(gòu)編號(hào)3)EFP的速度和密實(shí)度低于外層為高爆速炸藥(結(jié)構(gòu)編號(hào)2)，但是長(zhǎng)徑比差別不大。而外層為低爆速炸藥時(shí)(結(jié)構(gòu)3)與單一裝藥的成型結(jié)構(gòu)類似，速度介于結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2之間，長(zhǎng)徑比稍微較高。而對(duì)于面起爆時(shí)，復(fù)合裝藥的結(jié)構(gòu)4與點(diǎn)起爆復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)2的EFP成型結(jié)構(gòu)相似，速度明顯高于結(jié)構(gòu)2的速度，密實(shí)度下降，但是長(zhǎng)徑比提高了一倍。從成型結(jié)構(gòu)來看，采用復(fù)合裝藥時(shí)，可以改變EFP的成型結(jié)構(gòu)，主要是由于其波形傳播過程發(fā)生了變化，單一裝藥和復(fù)合裝藥的爆轟波傳播過程如圖2所示。

圖2 單一裝藥和復(fù)合裝藥的爆轟波傳播過程云圖(上圖為5 μs，下圖為10 μs)Fig.2 Detonation wave propagation process of single charge and composite charge(the Fig.above is 5 μs，the Fig.below is 10 μs )

由圖2可以看出，當(dāng)采用單一裝藥時(shí)，炸藥的爆轟波沒有匯聚的現(xiàn)象，而采用復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)時(shí)，在外層裝藥和內(nèi)層裝藥的連接處，出現(xiàn)了爆轟波匯聚的現(xiàn)象，匯聚的壓力明顯高于單一裝藥球形波陣面的壓力。除此之外，對(duì)于外層裝藥為高爆速炸藥時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)爆轟波在裝藥的中軸線匯聚的現(xiàn)象，導(dǎo)致藥型罩的頂部會(huì)出現(xiàn)壓力增高，二次對(duì)藥型罩進(jìn)行壓垮的過程，使得EFP的密實(shí)度增大。

由上分析可見，當(dāng)外層為高爆速炸藥時(shí)，可以改變EFP的成型過程，因此對(duì)外層為高爆速炸藥的結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步分析。

3.2 內(nèi)層外層裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)EFP成型的影響過程分析

為了研究外層為高爆速炸藥的不同夾層裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)EFP成型的影響，對(duì)結(jié)構(gòu)編號(hào)5～7進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果見表2。

表2 不同復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果

由表2可知，保持夾層裝藥和起爆方式相同前提下，隨著夾層裝藥結(jié)構(gòu)的不同，對(duì)于裝藥結(jié)構(gòu)5、6和7，密實(shí)度隨著的增大而增大，長(zhǎng)徑比和EFP的速度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，但是EFP的成型形狀越來越好，其爆轟波的傳播圖形如圖3所示。

圖3 同復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)面起爆的爆轟波傳播過程云圖(上圖為5 μs，下圖為10 μs)Fig.3 Detonation wave propagation process of initiation of structural plane of different composite charges(the Fig.above is 5 μs，the Fig.below is 10 μs )

由圖3可以看出，當(dāng)采用不同的時(shí)，其內(nèi)外層裝藥連接處的爆轟波的波陣面的長(zhǎng)度越來越長(zhǎng)，并且壓力越來越高，導(dǎo)致其藥型罩邊緣的壓垮速度也越來越高，并且波正面還會(huì)出現(xiàn)二次匯聚的現(xiàn)象，其藥型罩的中部也會(huì)由二次壓垮的現(xiàn)象，為了進(jìn)一步分析不同夾層結(jié)構(gòu)的成型過程，各個(gè)高斯點(diǎn)在成型過程中的速度如圖4所示。

圖4 不同結(jié)構(gòu)成型過程中各個(gè)高斯點(diǎn)速度曲線Fig.4 Velocity law of each gauss point in the forming process of different structures

從圖4可以看出，由于裝藥結(jié)構(gòu)的不同導(dǎo)致爆轟波壓力的不同，藥型罩各個(gè)高斯點(diǎn)的速度呈現(xiàn)梯度分布。相對(duì)于單一裝藥，由于藥型罩邊緣的壓力遠(yuǎn)小藥型罩頭部的壓力，使高斯點(diǎn)5和6的速度遠(yuǎn)高于高斯點(diǎn)2的速度，并且各個(gè)高斯點(diǎn)的之間的速度分布不均勻。當(dāng)復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)變化，導(dǎo)致爆轟波壓垮壓力的變化，隨著的增大，高斯點(diǎn)的壓垮速度也隨著增大，并且各個(gè)高斯點(diǎn)之間的速度差也在20 μs時(shí)減小，尤其是對(duì)于結(jié)構(gòu)6，各個(gè)高斯點(diǎn)的速度差幾乎相等。復(fù)合裝藥除了影響壓垮速度，對(duì)于拉伸速度也有很大影響，隨著的增大，高斯點(diǎn)5和6速度達(dá)到相同的時(shí)間越來越晚，使裝藥結(jié)構(gòu)7長(zhǎng)徑比達(dá)到最大。因此整體的EFP的成型結(jié)構(gòu)、密實(shí)度和長(zhǎng)徑比隨著裝藥結(jié)構(gòu)的改變而改變。

4 結(jié)論

1)本文對(duì)單一裝藥和不同復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)的EFP成型過程進(jìn)行了仿真研究，研究結(jié)果表明，復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)可以改變EFP 的成型過程，并且提高EFP的速度、長(zhǎng)徑比和密實(shí)度。

2)對(duì)于不同的復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)，可以改變EFP的壓垮和拉伸過程，從而改變其拉伸速度，其中隨著的增大，各個(gè)高斯點(diǎn)的之間的速度差減小，并且高斯點(diǎn)5和6速度達(dá)到相同的時(shí)間越來越晚。