馮 煒, 李 恒*, 劉海曉, 趙 江, 焦俊杰

基于夾層裝藥的水下EFP成型影響因素分析

馮 煒1, 李 恒1*, 劉海曉1, 趙 江1, 焦俊杰2

(1. 海軍研究院, 北京, 100073; 2. 南京理工大學 機械工程學院, 江蘇 南京, 210094)

為了研究夾層裝藥結(jié)構(gòu)對水下爆炸成型彈丸(EFP)成型過程的影響規(guī)律, 運用AUTODYN軟件對不同夾層裝藥結(jié)構(gòu)的EFP水下成型過程進行了數(shù)值仿真與分析, 分析結(jié)果表明: 隨著水介質(zhì)中空氣炸高的增大, 夾層裝藥的成型速度和長徑比逐漸增大, 隨著外層裝藥頂部寬度的增大, 藥型罩設(shè)置處各高斯點的壓垮速度差減小, 成型速度衰減較緩慢, 在水介質(zhì)的影響下, 其長徑比越來越小。在水介質(zhì)中采用夾層聚能裝藥可以減少水介質(zhì)對EFP成型過程的影響, 提高EFP的成型速度，改善成型姿態(tài)。文中工作可為提高EFP水中爆炸威力提供參考。

水下爆炸; 爆炸成型彈丸; 夾層裝藥; 數(shù)值仿真

0 引言

隨著海軍艦艇和潛艇的材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)的不斷發(fā)展, 其防護能力不斷增加, 普通魚雷已難以對這些目標造成重大毀傷。聚能戰(zhàn)斗部因其能量集中、裝藥利用率高的優(yōu)點, 在水中兵器領(lǐng)域的應(yīng)用研究越來越深入[1-3]。姜鑫圣[4]、步相東[5]、楊莉[6]和楊世昌[7]等分別從藥型罩類型、結(jié)構(gòu)、形狀和成型方式等方面對爆炸成型彈丸(explosi- vely formed projectile, EFP)在水中運動和對靶板的侵徹性能進行了仿真。周方毅等[8]近一步研究了不同藥型罩形成的射流在水中開辟的通道對后續(xù)彈丸阻力形成的影響。楊莉[9]和曹兵[10]等利用脈沖X光高速攝影技術(shù)獲得了不同結(jié)構(gòu)的EFP在水中的飛行特性。王海福等[11]通過數(shù)值仿真和實驗研究了聚能裝藥水下作用行為, 得出聚能裝藥的成型過程及其結(jié)構(gòu)是影響水下作用行為的決定性因素。張先鋒[12]、潘建[13]和李玉品[14]等研究得出夾層裝藥形成的超壓爆轟可大幅提高EFP的成型速度、長徑比和密實度, 并進一步增強EFP裝藥的侵徹威力。曹鑫等[15]對不同結(jié)構(gòu)夾層裝藥的EFP結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計及仿真分析, 研究結(jié)果表明, 夾層裝藥結(jié)構(gòu)可增大EFP的成型速度, 改善成型姿態(tài)并提高其長徑比, 但是對于水介質(zhì)對該裝藥結(jié)構(gòu)成型的影響缺乏研究。文中利用AUT- ODYN有限元軟件對不同夾層裝藥結(jié)構(gòu)的EFP成型過程進行分析, 獲得不同夾層裝藥結(jié)構(gòu)EFP水中成型影響規(guī)律, 為夾層裝藥EFP裝藥結(jié)構(gòu)在水中兵器的應(yīng)用設(shè)計提供理論和技術(shù)支持。

1 模型建立

1.1 裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計

為對比不同夾層裝藥結(jié)構(gòu)下水中EFP的成型過程, 使用與文獻[15]相同的夾層裝藥結(jié)構(gòu), 采用球缺型藥型罩, 藥型罩厚度3 mm, 裝藥口徑0=60 mm, 藥型罩口徑=50 mm, 并保持裝藥高度(50 mm)和外層裝藥的口部長度1=5 mm不變, 內(nèi)層采用低爆速炸藥, 外層采用高爆速炸藥, 依據(jù)外層裝藥頂部寬度的不同來改變夾層裝藥的裝藥結(jié)構(gòu), 并設(shè)置不同的起爆方式研究裝藥結(jié)構(gòu)對藥型罩成型過程的影響, 其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 EFP夾層裝藥結(jié)構(gòu)圖

1.2 仿真計算模型

EFP成型過程是一種多物質(zhì)相互作用的大變形運動過程, 文中采用非線性動力學仿真軟件AUTODYN-2D中的Euler算法仿真計算藥型罩的壓垮和成型過程。

藥型罩材料為高導(dǎo)無氧銅(CU-OHFC), 密度為8.96 g/cm3, 采用Shock狀態(tài)方程以及Steinberg- Guinan強度模型; 選用材料庫中HMX-TNT和HMX炸藥作為高爆速炸藥和低爆速炸藥, 其密度為分別為1.776 g/cm3和1.891 g/cm3, 采用JWL狀態(tài)方程。本構(gòu)關(guān)系為High_explosive_burn; 水選用材料庫中Shock狀態(tài)方程, 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, 在整個空氣計算域的外表面定義無反射邊界。為了對比不同夾層裝藥結(jié)構(gòu)水中成型過程, 具體的裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示, 仿真結(jié)構(gòu)如圖2所示。

表1 不同EFP夾層裝藥結(jié)構(gòu)及參數(shù)

圖2 EFP夾層裝藥成型仿真模型

2 仿真結(jié)果及分析

為對比不同炸高、裝藥結(jié)構(gòu)及起爆方式對EFP成型的影響, 對不同結(jié)構(gòu)進行了仿真, 70 μs的仿真結(jié)果見表2所示。

由表2可知, 當EFP在水中成型時, 由于水介質(zhì)的影響, EFP的速度、長徑比和成型過程有很大的改變。當采用不同的起爆方式(結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2)時, 點起爆的聚能裝藥成型速度小于面起爆的成型速度, 并且在水中不同空氣炸高下面起爆聚能裝藥的成型姿態(tài)優(yōu)于點起爆的成型姿態(tài)。而對于不同夾層裝藥的外層裝藥頂部寬度不同時(結(jié)構(gòu)2、結(jié)構(gòu)3和結(jié)構(gòu)4)在空氣中的成型速度大于水中1倍空氣炸高的速度, 小于水中2倍空氣炸高的速度, 同時EFP在水中的長徑比明顯小于空氣中的長徑比, 并隨水中空氣炸高的增大而增大。在所有結(jié)構(gòu)中, 結(jié)構(gòu)2在水中的飛行速度、長徑比和成型姿態(tài)優(yōu)于其他結(jié)構(gòu), 這與空氣中EFP的成型過程有很大的不同, 在水介質(zhì)的影響下, 改變了EFP的成型過程，為了進一步說明水介質(zhì)對EFP成型過程的影響, 對結(jié)構(gòu)2藥型罩中不同藥型罩的部位設(shè)置高斯點觀測其成型速度, 如圖3所示。

表2 不同夾層裝藥結(jié)構(gòu)EFP成型仿真結(jié)果

從圖3可知, 在空氣中, EFP成型過程中受到的阻力較小, 藥型罩設(shè)置的高斯點4、5和6速度衰減比較慢, 導(dǎo)致長徑比相對于水中較大。而對于在水中1倍空氣炸高EFP成型時, 由于炸高相對較小, 藥型罩設(shè)置的高斯點4、5和6在成型過程中受水的阻力影響較大, 速度衰減較快, 影響了EFP的拉伸過程, 使其長徑比相對較小。隨著炸高的增大, EFP的成型時間變長, 水介質(zhì)對其成型過程的影響會減小, 使得水中2倍空氣炸高EFP的長徑比介于EFP在空氣中成型和水中1倍空氣炸高之間。結(jié)構(gòu)3和結(jié)構(gòu)4由于頭部成型的速度和尾部成型的速度差相對較小(見圖4), 在水介質(zhì)的影響下不能完全成型, 導(dǎo)致其成型姿態(tài)和長徑比與空氣中有很大差別。因此, 在設(shè)計水中EFP 戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)時, 需要考慮水介質(zhì)對其成型過程的影響, 尤其是頭尾部的成型速度是重點考慮因素。

圖3 夾層裝藥結(jié)構(gòu)2 EFP成型過程高斯點的速度曲線

圖4 夾層裝藥結(jié)構(gòu)3和結(jié)構(gòu)4的EFP在空氣中成型過程中高斯點的速度曲線

3 結(jié)束語

文中針對不同夾層裝藥結(jié)構(gòu)在空氣和水中不同炸高下的EFP成型過程進行了仿真, 結(jié)果表明: 隨著水介質(zhì)中空氣炸高的增大, 夾層裝藥的成型速度和長徑比增大; 對于不同的夾層裝藥結(jié)構(gòu), 在水介質(zhì)的影響下, EFP設(shè)置的高斯點速度差減小, 改變其EFP的壓垮和拉伸過程; 在水介質(zhì)中, 采用夾層聚能裝藥結(jié)構(gòu)可以減少水介質(zhì)對EFP成型過程的影響, 提高EFP成型速度, 改善EFP成型姿態(tài), 可為提高EFP在水中的毀傷威力提供參考。

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Analysis of Influencing Factors of Underwater EFP Forming Based on Sandwich Charge

FENG Wei1, LI Heng1*, LIU Hai-xiao1, ZHAO Jiang1, JIAO Jun-jie2

(1. Naval Equipment Research Institute, Beijing 100073, China; 2. School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

To study the influence of a sandwich charge structure on the underwater explosively formed projectile(EFP) forming process, a numerical simulation and analysis of an underwater EFP forming process of different sandwich charge structures were conducted using AUTODYN. With an increase in the air blast height in water, the forming speed and aspect ratio of the composite charge increased, and with an increase in the top width of the outer charge, the crushing speed difference at each Gaussian point of the charge hood decreased and the forming speed dropped gradually. Under the influence of water, the aspect ratio became increasingly smaller. A sandwich charge in water can reduce the influence of water on the EFP forming process and improve the EFP forming speed and posture. This study provides guidance for improving the power of EFPs in water.

underwater explosion; explosively formed projectile; sandwich charge; numerical simulation

馮煒, 李恒, 劉海曉, 等. 基于夾層裝藥的水下EFP成型影響因素分析[J]. 水下無人系統(tǒng)學報, 2022, 30(3): 338-341.

TJ630; TJ410.3; O385

A

2096-3920(2022)03-0338-04

10.11993/j.issn.2096-3920.2022.03.009

2022-02-28;

2022-05-05.

馮 煒(1988-), 男, 博士, 助理研究員, 主要研究方向為武器系統(tǒng)與運用工程.

通信作者簡介:李 恒(1982-), 男, 博士, 副研究員, 主要研究方向為武器系統(tǒng)與運用工程.

(責任編輯: 楊力軍)