組合式成型裝藥數(shù)值模擬與分析*

孫 華，王志軍，尹建平

(中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051)

0 引言

由于爆炸成型彈丸EFP[1]的密實(shí)性較好，動能較高，攻擊效果基本不受炸高的影響，從而得到廣泛應(yīng)用;然而環(huán)形藥型罩在環(huán)形裝藥起爆后，在爆轟波和爆炸產(chǎn)物的作用下，環(huán)形藥型罩?jǐn)D壓翻轉(zhuǎn)，形成環(huán)形侵徹體，由于其開孔大、裝藥長徑比小等特點(diǎn)，常用于為反艦導(dǎo)彈和魚雷等串聯(lián)隨進(jìn)戰(zhàn)斗部的前級裝藥[2]。文中提出了一種組合式裝藥結(jié)構(gòu)，即用一級主裝藥能夠同時形成EFP和環(huán)形侵徹體，且二者之間存在一定的速度差，可以實(shí)現(xiàn)環(huán)形侵徹體先于EFP達(dá)到目標(biāo)完成開孔任務(wù)，之后EFP隨進(jìn)對目標(biāo)進(jìn)行二次毀傷的目的。該結(jié)構(gòu)能夠應(yīng)用于防空、反導(dǎo)、反武裝直升機(jī)、反陸軍輕型裝甲和海軍輕型裝甲等領(lǐng)域。文中利用ANSYS/LS-DYNA軟件對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并研究了藥型罩材料組合和偏移量d對該結(jié)構(gòu)的影響。

1 組合式成型裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計

該結(jié)構(gòu)主要難點(diǎn)在于，等壁厚環(huán)形藥型罩形成環(huán)形侵徹體的過程中，由于內(nèi)外罩的質(zhì)量以及裝藥量的不對稱性[3]，從而環(huán)形侵徹體會發(fā)生沿軸向的偏移，進(jìn)而影響其侵徹效果。為了有效降低環(huán)形侵徹體發(fā)生偏移，文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]借鑒的是等沖量設(shè)計原則，按一定比例分別對內(nèi)、外罩的厚度進(jìn)行調(diào)整，內(nèi)、外罩底至罩頂間的厚度均勻變化，內(nèi)罩底邊厚需增加一定厚度，外罩底邊厚需減少一定厚度，但是要使內(nèi)外罩的質(zhì)量和分別作用在其上的有效裝藥相等，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)外罩的沖量相等，在工程實(shí)現(xiàn)上以及藥型罩加工過程中比較困難。為了能夠有效的解決該問題，文中所采用的方式是:中間藥型罩和環(huán)形藥型罩均為球缺型，從而便于藥型罩加工，僅僅使環(huán)形藥型罩的旋轉(zhuǎn)軸與環(huán)形裝藥的旋轉(zhuǎn)軸存在一定的偏移量d，如圖1所示，從而有效的減小環(huán)形侵徹體的偏轉(zhuǎn)角θ，得到穩(wěn)定的環(huán)形侵徹體。文中提出的組合式成型裝藥結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 數(shù)值模擬

2.1 有限元模型與材料

文中采用Truegrid軟件建立組合式成型裝藥的有限元模型，模型中單元均為solid164三維實(shí)體單元，并在邊界上施加邊界條件無反射約束，避免壓力在邊界上的反射;然后通過與LS-DYNA軟件間的接口，將有限元模型導(dǎo)入求解器中進(jìn)行計算。全文使用的單位制為:mm-ms-kg-GPa。由于該結(jié)構(gòu)為軸對稱結(jié)構(gòu)，所以模型采用1/4網(wǎng)格劃分，從而減少模型單元數(shù)量，以節(jié)省計算時間。數(shù)值仿真中簡化為藥型罩、炸藥、隔板和空氣四部分，其算法均采用Euler算法。

國內(nèi)外對藥型罩材料[6]的研究及應(yīng)用進(jìn)行了大量的工作，對紫銅、鉭等材料都進(jìn)行了研究。文中在數(shù)值模擬中藥型罩材料選其中一種或兩種材料組合進(jìn)行對比，這兩種材料均采用Johnson-Cook材料模型和Gruneisen狀態(tài)方程來描述其在動力學(xué)作用下的響應(yīng)行為。文獻(xiàn)[7]中給出了紫銅和鉭的主要參數(shù)，紫銅的主要參數(shù)有:ρ=8.96g/cm3，A=90MPa，B=292MPa，n=0.31，m=1.09，c=0.025;鉭的主要參數(shù)有:ρ=16.6 g/cm3，A=245MPa，B=493MPa，n=0.58，m=1.04，c=0.065。

炸藥選用8701，用HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型和JWL狀態(tài)方程來進(jìn)行描述，其主要參數(shù)參照文獻(xiàn)[8]:ρ=1.787 g/cm3，D=7.98Km/s，Pcj=29.5GP。

2.2 組合式侵徹體成型過程的數(shù)值分析

為了研究組合式侵徹體的成型過程，文中采用裝藥口徑D=140mm，裝藥高度H=40mm，中間藥型罩材料為鉭，曲率半徑為30mm，壁厚為3mm，偏移量d=2mm，環(huán)形藥型罩材料為紫銅為例進(jìn)行數(shù)值模擬。圖3為該組合裝藥結(jié)構(gòu)在不同時刻形成侵徹體的過程。

圖3 組合式侵徹體的成型過程

由圖3可以看出，在炸藥起爆條件下，爆轟波首先對中間藥型罩和環(huán)形藥型罩的罩頂進(jìn)行壓垮，隨著爆轟波的進(jìn)一步傳播以及爆炸產(chǎn)物的影響，藥型罩兩側(cè)也開始翻轉(zhuǎn)，在40μs時，中間藥型罩和環(huán)形藥型罩基本完成翻轉(zhuǎn)，組合式侵徹體形態(tài)基本穩(wěn)定，由于所受爆轟波作用時間長短的差異，頭、尾部之間有一定的速度梯度，從而在40μs至60μs階段侵徹體繼續(xù)被拉伸，直至速度趨于一致。

圖4 組合式侵徹體頭、尾部速度變化曲線

結(jié)合圖3和圖4，可以看出 60μs 時中間EFP頭、尾速度達(dá)到一致，80μs時環(huán)形侵徹體頭、尾速度達(dá)到一致，且兩者之間存在較大的速度差，環(huán)形侵徹體的速度大于中間 EFP的

速度，即可以實(shí)現(xiàn)環(huán)形侵徹體先于中間EFP達(dá)到目標(biāo)完成開孔任務(wù)，之后中間EFP隨進(jìn)對目標(biāo)進(jìn)行二次毀傷的目的。

2.2.1 藥型罩材料選取對結(jié)構(gòu)形成組合式侵徹體的影響

為了研究藥型罩材料對結(jié)構(gòu)形成組合式侵徹體的影響，文中分別對:方案1，中間藥型罩和環(huán)形藥型罩均為銅;方案2，中間藥型罩和環(huán)形藥型罩均為鉭;方案3，中間藥型罩為鉭環(huán)形藥型罩為銅;方案4，中間藥型罩為銅環(huán)形藥型罩為鉭進(jìn)行了數(shù)值模擬。

圖5 不同材料組合下侵徹體成型

表1 不同方案結(jié)果對比

結(jié)合圖5和表1可以看出:當(dāng)材料組合為中間藥型罩為鉭，環(huán)形藥型罩為紫銅時環(huán)形侵徹與中間EFP的速度差達(dá)到703m/s，EFP和環(huán)形侵徹體均有較高的長徑比，且環(huán)形侵徹體未發(fā)生軸向偏移;當(dāng)兩者材料一樣時，中間EFP的速度大于環(huán)形侵徹體的速度，是因為環(huán)形炸藥起爆后，爆轟波雖然受到隔板的作用，但是有一部分爆轟波通過透射，在中心軸上形成透射波疊加，如圖6所示，使中間藥型罩受到爆轟時間延長，從而中間EFP的速度大于環(huán)形侵徹體的速度;當(dāng)中間藥型罩為銅環(huán)形藥型罩為鉭，中間EFP的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于環(huán)形侵徹體的速度，且環(huán)形侵徹體發(fā)生了沿軸向向外的偏移。

綜上所述:要想實(shí)現(xiàn)環(huán)形侵徹體先于EFP達(dá)到目標(biāo)完成開孔任務(wù)，之后EFP隨進(jìn)繼續(xù)銷毀目標(biāo)的目的，合理選擇兩者材料是一種有效的方式。在同一結(jié)構(gòu)中，當(dāng)中間藥型罩材料密度大于環(huán)形藥型罩材料密度時，能夠使環(huán)形侵徹體的速度大于中間EFP的速度。

2.2.2 偏移量d對結(jié)構(gòu)形成組合式侵徹體的影響

圖6 各時刻爆轟波云圖

為了研究偏移量d對結(jié)構(gòu)形成組合式侵徹體的影響，文中分別對 d=0mm、d=1mm、d=2mm、d=3mm、d=4mm這5種情況進(jìn)行了數(shù)值模擬。

圖7 不同偏移量時組合侵徹體成型

圖8 不同偏移量下環(huán)形侵徹體頭部偏轉(zhuǎn)角曲線

從圖7可以看出，當(dāng)偏移量d在0～1mm之間時，環(huán)形藥型罩外壁出現(xiàn)了大量的“崩落環(huán)”，材料利用率較低，侵徹能力將受到影響。從圖8可以看出，當(dāng)偏移量 d在 0～1mm之間時，環(huán)形侵徹體頭部偏轉(zhuǎn)角θ為正，且隨著偏移量d的增大，偏轉(zhuǎn)角逐漸減小;當(dāng)偏移量d在3～4mm之間時，環(huán)形侵徹體頭部偏轉(zhuǎn)角θ為負(fù)，且隨著偏移量d的增大，偏轉(zhuǎn)角θ絕對值逐漸增大;當(dāng)偏移量d=2mm時，環(huán)形侵徹體頭部偏轉(zhuǎn)角θ幾乎為0°。從圖9可以看出，隨著偏移量 d的增大，環(huán)形侵徹體的速度逐漸增大，中間 EFP的速度幾乎不變。綜合圖7、圖8和圖9可以得出:當(dāng)偏移量 d=2mm時，環(huán)形藥型罩內(nèi)外罩所受到的有效裝藥相等，實(shí)現(xiàn)了等沖量原則，所以偏轉(zhuǎn)角θ幾乎為0°;當(dāng)偏移量d在0～1mm之間時，環(huán)形藥型罩內(nèi)罩受到的有效裝藥多于外罩，所以環(huán)形侵徹體發(fā)生了遠(yuǎn)離中心軸的偏轉(zhuǎn);當(dāng)偏移量d在3～4mm之間時，環(huán)形藥型罩內(nèi)罩受到的有效裝藥少于外罩，所以環(huán)形侵徹體發(fā)生了靠近中心軸的偏轉(zhuǎn)。

圖9 不同偏移量下組合侵徹體的速度曲線

3 結(jié)論

通過數(shù)值模擬表明，該組合式成型裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計是可行的，能夠按照預(yù)先方案在炸藥爆轟以及爆轟反應(yīng)物的作用下形成中間EFP和環(huán)形侵徹體兩者組合式毀傷元素。并對其影響因素進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論:

1)當(dāng)中間藥型罩材料密度大于環(huán)形藥型罩材料密度時，能夠使環(huán)形侵徹體的速度大于中間EFP的速度，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)形侵徹體先于中間EFP達(dá)到目標(biāo)完成開孔任務(wù)，之后EFP隨進(jìn)對目標(biāo)進(jìn)行二次毀傷的目的;

2)當(dāng)偏移量d=2mm時，環(huán)形藥型罩內(nèi)外罩所受到的有效裝藥相等，環(huán)形侵徹體頭部偏轉(zhuǎn)角θ幾乎為0°，其形態(tài)較好，侵徹能力較強(qiáng)。

[1]寧俊生.成型裝藥和爆炸成型彈丸的研究進(jìn)展[J].兵器材料科學(xué)與工程，2004，27(6):65 －67.

[2]黃群濤，李鐵鵬，錢建平，等.環(huán)形EFP成型及侵徹過程的數(shù)值模擬[J].火炸藥學(xué)報，2009，32(5):50－53.

[3]黃群濤.環(huán)形EFP成型機(jī)理研究[D].南京:南京理工大學(xué)，2008.

[4]李永勝，王偉力，姜濤.用于串聯(lián)戰(zhàn)斗部的環(huán)形切割器優(yōu)化設(shè)計[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2010，30(2):93 －94.

[5]吳成，曾艷春，張向榮，等.環(huán)型聚能藥型罩的設(shè)計新方法與實(shí)驗[J].北京理工大學(xué)學(xué)報，2007，27(4):291－294.

[6]胡忠武，李中奎，張廷杰，等.藥型罩材料的發(fā)展[J].稀有金屬材料與工程，2004，33(10):1010 －1013.

[7]宋梅利，李偉兵，王曉鳴，等.藥型罩材料影響EFP成型的數(shù)值計算研究[J].火工品，2009(4):16－19.

[8]高靖，王志軍，范晨陽，等.中心孔對聚能裝藥成型的影響[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2011，31(1):110－112.