環(huán)形多點(diǎn)起爆精度對聚能桿式侵徹體成型的影響*

李偉兵,王曉鳴,李文彬,鄭 宇

（南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇南京 210094）

1 引 言

影響聚能侵徹體成型的關(guān)鍵因素主要是起爆方式、裝藥性質(zhì)、裝藥結(jié)構(gòu)、藥型罩材料性能和結(jié)構(gòu)參數(shù)等。就起爆方式而言,主要包括單點(diǎn)起爆、多點(diǎn)起爆、環(huán)形起爆等形式,其中多點(diǎn)起爆的各點(diǎn)裝藥是否同時起爆是影響聚能侵徹體成型的重要因素之一。對多點(diǎn)起爆網(wǎng)絡(luò)及起爆精度有大量的研究,如溫玉全等[1]對設(shè)計的剛性面同步起爆網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行同步時間分析、胡雙啟等[2]研究了環(huán)形傳爆藥多點(diǎn)同步起爆網(wǎng)絡(luò)、許碧英等[3]設(shè)計了平面多點(diǎn)同時起爆網(wǎng)絡(luò),等等,羅健等[4]在研究多點(diǎn)起爆起爆點(diǎn)數(shù)對EFP尾翼的影響時,提出多點(diǎn)起爆的同步性對EFP的飛行穩(wěn)定性有較大的影響,必須嚴(yán)格加以控制,但未對多點(diǎn)起爆的同步性對EFP成型參數(shù)的影響規(guī)律進(jìn)行研究。要使EFP在大炸高情況下仍能發(fā)揮很好的侵徹威力,彈丸需有較好的飛行穩(wěn)定性,通常要求起爆的同步性偏差小于100 ns[5-6]。如果在相對較小炸高情況下研究侵徹體的侵徹威力,則主要考慮起爆同步性對侵徹體的成型形態(tài)和參數(shù)的影響。

本文中,采用6點(diǎn)環(huán)形起爆網(wǎng)絡(luò),應(yīng)用LS-DYNA軟件研究多點(diǎn)起爆網(wǎng)絡(luò)起爆精度對聚能桿式侵徹體成型的影響,并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,找出起爆偏差對形成的聚能桿式侵徹體速度和長徑比的影響規(guī)律。

2 數(shù)值模擬方案及有限元模型

2.1 多點(diǎn)起爆網(wǎng)絡(luò)的布置

為了方便數(shù)值模擬,將6點(diǎn)環(huán)形起爆網(wǎng)絡(luò)在成型裝藥結(jié)構(gòu)的圓周面上布置成如圖1所示的2種形式,均為軸對稱分布,裝藥直徑為60 mm,起爆半徑為21 mm。

在實(shí)際中多點(diǎn)起爆網(wǎng)絡(luò)的起爆偏差是參差不齊的,有一定的隨機(jī)性,但是為了找出起爆偏差的影響規(guī)律,主要研究各點(diǎn)起爆偏差相同的情況下對聚能桿式侵徹體成型的影響,根據(jù)圖1起爆點(diǎn)的布置情況確定4種延遲起爆方案:方案1、2、3均采用單側(cè)起爆偏差方式,方案1延遲起爆位置為圖1（a）中點(diǎn)1,方案2為圖1（b）中點(diǎn)1、2,方案3為圖1（a）點(diǎn)中1、2、6,方案4采用對稱起爆偏差方式,延遲起爆位置為圖1（b）中點(diǎn)3、6。

2.2 有限元模型

采用LS-DYNA程序,用ALE算法來計算涉及網(wǎng)格大變形、材料流動問題的聚能侵徹體形成過程,炸藥、藥型罩、空氣選用多物質(zhì)流歐拉算法,炸藥、藥型罩、空氣與殼體的相互作用采用流固耦合算法[7]。為了減少計算量,建立如圖2所示的1/2模型圖。

裝藥JH-2炸藥采用JWL狀態(tài)方程;藥型罩材料為紫銅,殼體材料為45鋼,本構(gòu)方程采用Johnson-Cook模型,狀態(tài)方程為Gruneisen方程。對于多介質(zhì)ALE方法,還需建立覆蓋整個彈丸飛行范圍的空氣網(wǎng)格,并在邊界節(jié)點(diǎn)上施加壓力流出邊界條件,避免壓力在邊界上的反射?？諝獠捎昧黧w模型,狀態(tài)方程為線性多項(xiàng)式。計算中所使用的材料參數(shù)見文獻(xiàn)[8]。

圖1 起爆點(diǎn)的布置Fig.1 Layout of initiation points

圖2 三維有限元1/2模型圖Fig.2 Half of the three-dimensional finite element model

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 起爆偏差的影響

為了研究不同起爆偏差對形成的侵徹體速度v和長徑比L/D的影響規(guī)律,將4種研究方案的延遲起爆時間τ分別設(shè)定為50、100、150、200、300和500 ns。圖 3為起爆偏差為0即同步起爆時聚能桿式侵徹體成型過程的計算結(jié)果。

圖3 同步起爆時聚能桿式侵徹體成型過程Fig.3 The formation process of a jetting projectile charge when initiation windage is 0 ns

由于多點(diǎn)起爆對聚能侵徹體的影響主要體現(xiàn)在對主裝藥爆轟波形的控制上,圖4為起爆偏差引起主裝藥爆轟波形的變化,隨著延遲時間的增加,主裝藥傳遞的爆轟波對稱性越來越差,造成爆轟波對藥型罩的壓垮時間和空間不對稱,從而影響聚能侵徹體的形態(tài)和成型性能。

計算的聚能侵徹體形態(tài)結(jié)果見圖5,成型參數(shù)（速度、長徑比）隨延遲時間的變化曲線如圖6所示。如果延遲時間在200 ns以內(nèi),對形成的侵徹體尾翼有影響,大于200 ns以后侵徹體開始發(fā)生彎曲,特別是到了500 ns,侵徹體發(fā)生嚴(yán)重的彎曲變形,飛行穩(wěn)定性和侵徹能力都將大大降低。比較圖5中單側(cè)起爆偏差各方案侵徹體形態(tài),隨著延遲點(diǎn)數(shù)的增加,聚能侵徹體的尾翼破壞越來越嚴(yán)重,彎曲變形越來越明顯。而對稱起爆偏差所形成的侵徹體無彎曲變形,起爆偏差到300 ns后才對侵徹體尾翼有所影響。

從圖6可以看出,隨著延遲時間的增加,聚能侵徹體的頭部速度和長徑比都先稍微有所增加,然后又逐漸減小。當(dāng)延遲時間在200 ns以內(nèi)時,侵徹體的頭部速度和長徑比基本不變。綜合分析起爆偏差對侵徹體的形態(tài)和成型參數(shù)的影響,除了爆轟波不對稱對尾翼的影響外,主要還是引起了侵徹體的彎曲變形,這勢必影響侵徹體最后的侵徹威力。

因此,侵徹體存在橫向速度梯度是引起侵徹體最終彎曲變形的主要原因。圖7給出了單側(cè)起爆偏差情況下侵徹體頭尾橫向速度和由橫向速度引起的橫向位移,此橫向位移值指尾部中心相對于頭部中心的橫向偏移量,可以得出隨著延遲時間和延遲點(diǎn)數(shù)的增加,侵徹體橫向速度梯度逐漸增大,在100 ns時相對橫向位移在1 mm以內(nèi),200 ns時相對橫向位移增加到2 mm左右,到300 ns時相對橫向位移最大達(dá)到4.4 mm,將使侵徹體發(fā)生明顯彎曲變形。

圖4 t=3 μs時的爆轟波形狀Fig.4 The detonation wave figure at 3μs

圖5 t=102 μs時的聚能侵徹體成型形態(tài)Fig.5 The penetrator shape at 102 μs

圖6 t=102 μs時的聚能侵徹體成型參數(shù)Fig.6 The formation parameters of penetrator at 102 μs

圖7 t=102 μs時單側(cè)起爆偏差的聚能侵徹體橫向速度和位移Fig.7 The across velocities and displacements of penetrator of side initiation windage at 102 μs

由于侵徹體橫向速度和位移隨著飛行時間不同是變化的,以方案2為例分析各延遲時間下侵徹體橫向速度和位移隨飛行時間的變化規(guī)律,如圖8所示。發(fā)現(xiàn)橫向速度隨著時間的增大逐漸變小,而頭尾相對橫向位移隨著時間的增大逐漸增大,到了某一時間點(diǎn)基本上趨向平緩變化。

圖8 方案2聚能侵徹體橫向速度和位移Fig.8 The across velocities and displacements of penetrator of project 2

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

采用與數(shù)值模擬同樣的成型裝藥結(jié)構(gòu),圖1（a）中起爆點(diǎn)1～6延遲起爆時間分別為500、300、200、0、200和300 ns。采用HP公司產(chǎn)的2臺450 kV脈沖X光機(jī)組合進(jìn)行拍攝,以獲得侵徹體的長度、直徑、頭部速度和尾部速度等參數(shù)。

6點(diǎn)環(huán)形起爆網(wǎng)絡(luò)如圖 9所示,通過控制輸入端到擴(kuò)爆頭之間的導(dǎo)爆索距離設(shè)定延遲時間。測定導(dǎo)爆索爆速為6 896.5 m/s,導(dǎo)爆索基準(zhǔn)長度為10 mm,則起爆點(diǎn)1～6導(dǎo)爆索長度分別為13.45、12.07、11.38、10.00、11.38 和 12.07 mm 。每一根導(dǎo)爆索的長度由精度為0.01 mm的游標(biāo)卡尺保證。6點(diǎn)環(huán)形起爆網(wǎng)絡(luò)在成型裝藥結(jié)構(gòu)上的布置如圖10所示。

圖9 6點(diǎn)起爆網(wǎng)絡(luò)Fig.9 Six points initiation circuit

圖10 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.10 Experiment setup

從所形成的侵徹體的外部形狀及侵徹體彎曲變形和侵徹體參數(shù)的比較[9]（見圖11）來看,數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較吻合。由于底片問題,X光照片在90 μs時未能得到侵徹體尾翼部分,但是長徑比是取未斷裂部分侵徹體長度與最大直徑之比,所以不受影響。其中,為90～120 μs之間的平均速度。

圖11 模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較Fig.11 Comparison between experimental and numerical results

4 結(jié) 論

（1）6點(diǎn)環(huán)形起爆網(wǎng)絡(luò)起爆同步性偏差使得侵徹體橫向速度梯度遞增,而橫向速度梯度的存在引起了侵徹體的橫向位移,在60 mm口徑裝藥情況下,100 ns時尾部相對于頭部的橫向偏移量在1 mm以內(nèi),200 ns時相對橫向位移增加到2 mm左右,到300 ns時相對橫向位移最大達(dá)到4.4 mm,將使侵徹體發(fā)生明顯彎曲變形。從侵徹體形態(tài)來分析,在200 ns以內(nèi)對侵徹體尾翼有影響,從200 ns到300 ns侵徹體開始發(fā)生彎曲變形,到500 ns時侵徹體已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重的彎曲,將嚴(yán)重影響侵徹體的飛行穩(wěn)定性和侵徹能力。

（2）針對60 mm口徑的成型裝藥結(jié)構(gòu),最好能保證6點(diǎn)環(huán)形起爆網(wǎng)絡(luò)的起爆偏差,即各起爆點(diǎn)的延遲時間在200 ns內(nèi),此時所形成的侵徹體不發(fā)生彎曲變形,侵徹體速度、長徑比等參數(shù)基本保持不變。

（3）對于單側(cè)起爆偏差,隨著延遲點(diǎn)數(shù)的增加,聚能侵徹體的尾翼破壞越來越嚴(yán)重,彎曲變形越來越明顯;侵徹體的頭部速度和長徑比都隨著延遲時間的增加先稍微增大,后又逐漸減小。而對稱起爆偏差對形成的侵徹體形態(tài)和侵徹體參數(shù)影響比單側(cè)起爆偏差小。因此,在實(shí)驗(yàn)中如果有些誤差避免不了,則盡量使這些誤差分布在2個對稱位置上。

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