楊貴濤, 俞旸暉, 張 紅, 郭 銳

鉭合金EFP對(duì)含水復(fù)合裝甲毀傷仿真與試驗(yàn)

楊貴濤1, 俞旸暉1, 張 紅2, 郭 銳1

(1. 南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 江蘇 南京, 210094; 2. 江陽化工有限公司, 山西 太原, 030041)

為了研究鉭合金爆炸成型彈丸(EFP)對(duì)雙殼潛艇含水復(fù)合裝甲(由非耐壓殼、耐壓殼和水夾層組成)的毀傷效果, 文章對(duì)含水復(fù)合裝甲在鉭合金EFP作用下的毀傷效果進(jìn)行了數(shù)值仿真與試驗(yàn), 并與相同裝藥結(jié)構(gòu)形成的銅EFP數(shù)值毀傷結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明, 鉭合金EFP在穿透3 mm 45鋼非耐壓殼和680 mm水層后仍有剩余動(dòng)能作用于12 mm 45鋼耐壓殼, 使之產(chǎn)生隆起變形, 但未能穿透; 而銅EFP在穿透非耐壓殼后未能穿透水層。數(shù)值仿真與試驗(yàn)結(jié)果較吻合, 證明鉭合金相比銅更適合用作水下EFP戰(zhàn)斗部藥型罩材料。

鉭合金; 爆炸成型彈丸; 含水復(fù)合裝甲; 水下毀傷

0 引言

水中兵器戰(zhàn)斗部主要分為爆破型和聚能型。爆破型戰(zhàn)斗部通過裝藥爆轟形成水中沖擊波和氣泡毀傷目標(biāo), 毀傷效能受彈/目距離影響較大。聚能型戰(zhàn)斗部主要作用機(jī)理是通過起爆裝藥賦予藥型罩能量, 使藥型罩翻轉(zhuǎn)或壓垮形成高速侵徹體, 常見的有聚能射流、桿式射流和爆炸成型彈丸(explosively formed projectile, EFP), 當(dāng)侵徹體與目標(biāo)作用產(chǎn)生的壓力遠(yuǎn)大于目標(biāo)材料強(qiáng)度時(shí), 將對(duì)目標(biāo)造成致命毀傷。

水中兵器打擊的目標(biāo)主要是水面艦艇和水下潛艇, 艦艇舷側(cè)防護(hù)結(jié)構(gòu)由空艙、液艙和高強(qiáng)度外板組成, 潛艇外殼主要分為單殼和雙殼, 其中雙殼潛艇防護(hù)結(jié)構(gòu)由非耐壓殼體、水層和耐壓殼體組成, 防護(hù)結(jié)構(gòu)整體較厚。聚能射流對(duì)目標(biāo)的穿孔直徑最小, 且大炸高下容易拉伸斷裂, 難以實(shí)現(xiàn)有效毀傷; EFP則在大炸高下穩(wěn)定性好, 穿孔直徑最大; 桿式射流性能介于兩者之間。

對(duì)于水面艦艇和水下潛艇目標(biāo), 聚能戰(zhàn)斗部對(duì)其殼體造成的穿孔直徑越大, 進(jìn)水速率越大, 目標(biāo)失去作戰(zhàn)能力的可能性越大。以EFP為例, 國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)其在水中的運(yùn)動(dòng)特性展開了一系列研究。Janzon等[1]研究了銅和鉭EFP在水中的侵徹和失效問題, 結(jié)果表明銅EFP與水作用時(shí)速度衰減和變形程度均比鉭EFP大。Hussain等[2]對(duì)EFP水中飛行和侵徹水下靶板進(jìn)行數(shù)值仿真, 并利用X光進(jìn)行記錄, 結(jié)果表明EFP入水后速度迅速降低, 但在水中飛行一段距離后彈體速度趨于穩(wěn)定, 其在水中的有效炸高約為4倍裝藥直徑。曹兵[3]開展了EFP戰(zhàn)斗部水下運(yùn)動(dòng)特性研究, 可知EFP穿過水介質(zhì)對(duì)靶板的破壞能力大于在空氣中對(duì)靶板的破壞能力。步相東等[4]在魚雷聚能戰(zhàn)斗部自鍛彈丸水中運(yùn)動(dòng)特性仿真研究中發(fā)現(xiàn), EFP在不同階段其外形不同, 隨著侵徹距離的增加, 彈丸頭部被墩粗, 直徑隨時(shí)間不斷增大, 這個(gè)直徑?jīng)Q定了對(duì)靶板的侵徹孔徑大小。當(dāng)前研究都表明EFP在侵徹水介質(zhì)時(shí)頭部會(huì)隨著侵徹距離增加逐漸墩粗, EFP所受阻力增加, 有效侵徹距離減小。水下EFP性能變化與材料特性有關(guān), 鉭合金相對(duì)銅、鋁和鐵等密度更高, 屈服強(qiáng)度更大, 材料磨損和鐓粗程度更小, 在水中有更好的存速能力, 因此相對(duì)侵徹距離更長。

目前, 國內(nèi)對(duì)鉭合金EFP用于含水復(fù)合裝甲的毀傷問題尚未有較詳盡的研究。鑒于此, 文中通過AUTODYN-2D對(duì)鉭合金EFP的成型和侵徹含水復(fù)合裝甲過程進(jìn)行數(shù)值仿真, 并設(shè)計(jì)地面試驗(yàn)對(duì)鉭合金EFP侵徹含水復(fù)合裝甲的毀傷效果進(jìn)行研究。該工作可為水中高效聚能戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考。

1 數(shù)值仿真與分析

1.1 結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)

圖1 鉭合金EFP侵徹含水復(fù)合裝甲結(jié)構(gòu)布置示意圖(單位: mm)

戰(zhàn)斗部裝藥使用8701炸藥[5], 采用JWL狀態(tài)方程

鉭合金藥型罩材料采用Ta-2.5W[6], 含水復(fù)合裝甲靶板材料采用45鋼[7], 正火狀態(tài)下的45鋼抗侵徹性能與艦船用16Mn鋼板基本接近[8-9], Ta-2.5W藥型罩、紫銅藥型罩和45鋼靶板狀態(tài)方程使用Shock方程描述, 強(qiáng)度模型使用Johnson Cook方程描述, Johnson Cook本構(gòu)模型的表達(dá)式

水狀態(tài)方程使用Shock方程描述，該狀態(tài)方程表述為

5種材料參數(shù)見表1, 其中紫銅藥型罩和水參數(shù)取自AUTODYN材料庫。

表1 5種材料模型參數(shù)

1.2 仿真結(jié)果與分析

數(shù)值仿真得到的鉭合金與銅EFP形態(tài)及性能參數(shù)見表2。利用Remap技術(shù)將成型結(jié)束的EFP數(shù)據(jù)映射到含水復(fù)合裝甲侵徹模型中進(jìn)行計(jì)算, 可極大提高計(jì)算效率, 節(jié)省計(jì)算時(shí)間。

表2 鉭合金EFP和銅EFP性能參數(shù)

EFP侵徹含水復(fù)合裝甲過程中剩余速度隨侵徹距離變化曲線如圖2所示, 剩余質(zhì)量隨侵徹距離變化曲線如圖3所示。

由圖2可知, 鉭合金EFP和銅EFP在穿透非耐壓靶板后速度損失較小; 侵徹水介質(zhì)階段初期銅EFP速度衰減率大于鉭合金EFP, 后期衰減率趨于一致, 最終鉭合金EFP剩余速度大于銅EFP;銅EFP在5倍裝藥直徑位置處基本喪失侵徹能力, 而鉭合金EFP能穿透水介質(zhì)層并對(duì)耐壓靶有剩余毀傷能力。由圖3可知, 在整個(gè)侵徹階段, 初期銅EFP質(zhì)量損失率大于鉭合金EFP; 中期由于EFP速度降低磨損程度有所減小; 到末期時(shí)EFP質(zhì)量損失很小, 但由于鉭合金EFP還與耐壓靶作用, 因此其末期質(zhì)量會(huì)有突躍性的下降, 最終鉭合金EFP剩余質(zhì)量大于銅EFP。

圖2 EFP侵徹含水復(fù)合裝甲過程中速度隨侵徹距離變化曲線

圖3 EFP侵徹含水復(fù)合裝甲過程中質(zhì)量隨侵徹距離變化曲線

EFP在穿透非耐壓靶后速度略有損失, 之后開始侵徹水介質(zhì)層, 初始階段由于EFP速度高, 動(dòng)能大, 穿透一定厚度水介質(zhì)后仍有較高剩余速度。隨著頭部被墩粗, 與水接觸面積增大, 受到水的阻力增加, EFP速度呈指數(shù)衰減, 質(zhì)量也不斷被磨損消耗, 使得EFP剩余動(dòng)能降低。隨著EFP動(dòng)能降低到一定值, 已經(jīng)難以使殘余EFP繼續(xù)變形, 此時(shí)殘余侵徹體外形基本不變, 在水的阻力下速度近似勻速下降。最后EFP在水中速度降至零或與耐壓靶作用后降至零, 侵徹過程結(jié)束。

由于銅和鉭合金EFP在材料屬性上的差異, 鉭合金相對(duì)銅密度更大, 屈服強(qiáng)度更高, 使得兩者在與水介質(zhì)作用時(shí)變形程度和質(zhì)量磨損程度不同, 最終表現(xiàn)為鉭合金EFP有更高的剩余速度和剩余質(zhì)量, 因此鉭合金EFP對(duì)含水復(fù)合裝甲有更高的毀傷能力, 鉭合金更適合用作水下EFP戰(zhàn)斗部藥型罩材料。同時(shí), 由于EFP高速?zèng)_擊水介質(zhì), 在侵徹體頭部產(chǎn)生激波[10]。彈前激波先于侵徹體作用于含水復(fù)合裝甲耐壓靶板。在彈前激波和水動(dòng)壓聯(lián)合作用下, 耐壓靶會(huì)產(chǎn)生一定形變, 因此侵徹體在水中實(shí)際飛行的距離要大于水層初始長度。從圖2和圖3可以發(fā)現(xiàn), 殘余侵徹體到達(dá)耐壓靶時(shí)與非耐壓靶之間距離大于初始水層厚度。

圖4和圖5分別是鉭合金EFP和銅EFP對(duì)含水復(fù)合裝甲毀傷的數(shù)值計(jì)算結(jié)果。鉭合金EFP在穿透非耐壓靶和水層后繼續(xù)與耐壓靶作用, 但剩余動(dòng)能不足以使其穿透耐壓靶, 最終耐壓靶在相互作用區(qū)域形成明顯鼓包。銅EFP穿透非耐壓靶后在水中繼續(xù)侵徹約5倍裝藥直徑后喪失侵徹能力, 耐壓靶幾乎沒有變形。

圖4 鉭合金EFP對(duì)含水復(fù)合裝甲毀傷數(shù)值計(jì)算結(jié)果

圖5 銅EFP對(duì)含水復(fù)合裝甲毀傷數(shù)值計(jì)算結(jié)果

鉭合金EFP對(duì)非耐壓靶穿孔直徑約為68 mm, 銅合金EFP對(duì)其穿孔直徑約為54 mm, 由于鉭合金EFP最大直徑大于銅EFP, 一定條件下薄靶穿孔直徑與侵徹體直徑正相關(guān), 且鉭合金EFP侵徹水形成的空腔體積大于銅EFP, 非耐壓靶板的變形程度更大。因此, 鉭合金EFP對(duì)非耐壓靶穿孔直徑更大。對(duì)比2種模型計(jì)算結(jié)果, 鉭合金EFP對(duì)含水復(fù)合裝甲毀傷能力更強(qiáng)。

2 試驗(yàn)分析

2.1 靶道布置

為了驗(yàn)證數(shù)值仿真結(jié)論, 采用與仿真模型相同的戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)加工了2枚鉭合金EFP戰(zhàn)斗部。含水復(fù)合裝甲使用相同尺寸和材料的密閉水箱代替, 頂部預(yù)留注水孔, 進(jìn)行10 m靶道試驗(yàn), 其中第1枚EFP發(fā)射試驗(yàn)水箱底部四角置于圓柱支撐上, 第2發(fā)試驗(yàn)水箱置于地面上。試驗(yàn)靶道布置如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)靶道布置示意圖

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

2枚聚能戰(zhàn)斗部形成的鉭合金EFP對(duì)含水復(fù)合結(jié)構(gòu)裝甲的毀傷結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 第1枚鉭合金EFP對(duì)含水復(fù)合裝甲的毀傷效果

第1枚鉭合金EFP發(fā)射試驗(yàn)中, 靶板整體毀傷情況如圖7(a)所示, 在EFP侵徹水過程中會(huì)產(chǎn)生空化效應(yīng)形成空腔, 由于試驗(yàn)水箱相對(duì)密閉, 水極難壓縮, 導(dǎo)致空腔膨脹過程中水產(chǎn)生強(qiáng)大的動(dòng)壓作用于水箱靶板上, 隨后反射稀疏波在靶板表面與不斷從空腔界面上傳來的入射稀疏波疊加再次出現(xiàn)空化, 形成水錘效應(yīng), 對(duì)靶板造成了更強(qiáng)烈的破壞[11]。由于靶板之間采用焊接工藝, 水箱整體在動(dòng)壓作用下沿著焊接位置撕裂, 非耐壓靶和耐壓靶在EFP穿透或撞擊侵徹開坑后產(chǎn)生缺陷, 形成應(yīng)力集中區(qū)域, 加上靶板未進(jìn)行退火處理而發(fā)生脆性剪切破壞。非耐壓靶其中一塊碎塊破孔形狀如圖7(b)所示, 破孔形狀基本呈圓形。耐壓靶毀傷情況如圖7(c)所示, 殘余侵徹體撞擊靶板形成了明顯的鼓包, 但未能穿透靶板。

圖8 第2枚鉭合金EFP對(duì)含水復(fù)合裝甲的毀傷效果

第2枚鉭合金EFP發(fā)射試驗(yàn)中, 靶板整體毀傷結(jié)果如圖8(a)所示, 毀傷機(jī)理和第1枚EFP發(fā)射試驗(yàn)相似, 非耐壓靶在強(qiáng)大的水動(dòng)壓作用下沿焊縫撕裂脫離箱體向EFP飛行反方向拋擲, 整體結(jié)構(gòu)保存完整, 如圖8(b)所示。經(jīng)測(cè)量非耐壓靶穿孔平均直徑48 mm, 形狀近似圓形, 由于脫離水箱較早, 孔徑主要受EFP外徑影響, 故試驗(yàn)值小于數(shù)值計(jì)算結(jié)果。耐壓靶毀傷情況如圖8(c)所示, 整體沿對(duì)角線發(fā)生剪切撕裂, 中心有圓形開坑, 但未完全穿透耐壓靶。試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)在后效靶左下角位置有較淺凹坑, 如圖8(d)所示, 推測(cè)應(yīng)是侵徹體在耐壓靶撕裂后穿過耐壓靶撞擊到后效靶上產(chǎn)生的。

試驗(yàn)結(jié)果表明, 該鉭合金EFP能穿透非耐壓靶和水層作用于耐壓靶上, 并使耐壓靶在撞擊區(qū)域產(chǎn)生較大形變形成鼓包。對(duì)比兩發(fā)試驗(yàn)結(jié)果, 水箱置于地面時(shí)整體毀傷效果更好, 第1發(fā)試驗(yàn)中耐壓靶毀傷效果與數(shù)值仿真結(jié)果更吻合, 但由于非耐壓靶撕裂無法對(duì)比穿孔直徑。從定性角度看, 數(shù)值仿真與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好, 都說明鉭合金EFP能穿透非耐壓靶和水層作用于耐壓靶, 但不能穿透耐壓靶。該結(jié)果一定程度上說明數(shù)值仿真方法的正確性, 表明鉭合金相比銅更適合作為水下EFP戰(zhàn)斗部藥型罩材料。

3 結(jié)論

文中對(duì)鉭合金和銅EFP侵徹含水復(fù)合裝甲的毀傷過程進(jìn)行了數(shù)值仿真, 并對(duì)鉭合金EFP組進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證, 數(shù)值仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合: 1) 鉭合金EFP在穿透3 mm 45鋼非耐壓靶和680 mm水層后仍有剩余動(dòng)能作用于12 mm 45鋼耐壓靶, 使之產(chǎn)生隆起變形但無法穿透; 2) 相同裝藥結(jié)構(gòu)形成的銅EFP在侵徹同一結(jié)構(gòu)含水復(fù)合裝甲后剩余速度和質(zhì)量都低于鉭合金EFP, 對(duì)含水復(fù)合裝甲的毀傷程度更低, 表明鉭合金更適合用作水下EFP戰(zhàn)斗部藥型罩材料; 3) 試驗(yàn)中將水箱直接置于地面, 相比放置于支撐上有更好的毀傷效果。

文中對(duì)比了鉭合金和銅EFP對(duì)含水復(fù)合裝甲的毀傷效果, 但從結(jié)果看, 即使是毀傷效果更好的鉭合金EFP也未能穿透耐壓靶, 說明文中使用的戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)有待改進(jìn)。結(jié)合當(dāng)前戰(zhàn)斗部發(fā)展趨勢(shì), 可從以下幾個(gè)角度對(duì)戰(zhàn)斗部性能進(jìn)行提高: 1) 提高戰(zhàn)斗部裝藥長徑比, 充分利用有效裝藥高度; 2) 使用裝藥密度和爆速更高的炸藥, 提高炸藥爆轟驅(qū)動(dòng)能量, 使EFP初始動(dòng)能更高; 3) 采用雙層藥型罩或其他新結(jié)構(gòu)藥型罩, 使戰(zhàn)斗部能形成多個(gè)前后串聯(lián)的EFP, 前級(jí)EFP在穿透非耐壓靶后侵徹水時(shí)形成空腔供后級(jí)EFP在其中無阻礙飛行, 后級(jí)EFP在前級(jí)侵徹距離的基礎(chǔ)上進(jìn)行接力侵徹, 最終以足夠大的剩余動(dòng)能穿透耐壓靶并形成一定尺寸的破孔, 有效毀傷含水復(fù)合裝甲; 4) 藥型罩添加含能材料, 使成型EFP撞擊目標(biāo)時(shí)除了具有動(dòng)能侵徹作用外, 還同時(shí)釋放化學(xué)能, 增強(qiáng)毀傷效果。

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Simulations and Experiments on the Damage of Tantalum Alloy EFP to Water-Partitioned Armor

YANG Gui-tao1, YU Yang-hui1, ZHANG Hong2, GUO Rui1

(1. School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China; 2. Shanxi Jiangyang Chemical Co., Ltd., Taiyuan 030041, China)

To study the damage effects of tantalum alloy explosively formed projectiles(EFPs) on the water-partitioned armor of submarines with double-layer armor(composed of a non-pressure-resistant hull, pressure-resistant hull, and water interlayer), numerical simulations and experiments were conducted, and the results were compared to numerical damage results for copper EFPs formed using the same charge structure. The results demonstrate that after penetrating a 3 mm non-pressure-resistant hull made of #45 steel and a 680 mm water layer, the tantalum alloy EFP still had residual kinetic energy acting on a 12 mm pressure-resistant shell made of #45 steel, which caused uplift deformation, but failed to penetrate. The copper EFP failed to penetrate the water layer after penetrating the non-pressure-resistant hull. The numerical simulation results are in good agreement with the experimental results, which proves that tantalum alloy is more suitable than copper as a liner material for underwater EFP warheads.

tantalum alloy; explosively formed projectile; water-partitioned armor; underwater damage

楊貴濤, 俞旸暉, 張紅, 等. 鉭合金EFP對(duì)含水復(fù)合裝甲毀傷仿真與試驗(yàn)[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2022, 30(3): 332- 337.

TJ410.3; U764.7; O385

A

2096-3920(2022)03-0332-006

10.11993/j.issn.2096-3920.2022.03.008

2021-09-13;

2021-10-02.

國家自然科學(xué)基金(11972197).

楊貴濤(1998-), 男, 在讀碩士, 主要從事水下戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)及終點(diǎn)毀傷效應(yīng)研究.

(責(zé)任編輯: 楊力軍)