曲率半徑對爆炸復合侵徹體性能的影響

韓陽陽，尹建平，陳 杰，孫家肖

(中北大學 機電工程學院， 山西 太原 030051)

橫向效應增強型侵徹體(penetrator with enhanced lateral effect，PELE)是一種基于新型毀傷機理的彈藥[1-2]，主要由彈體和內(nèi)部低密度惰性裝填物組成。PELE擊中目標后，外殼侵徹靶板，惰性彈芯被擠壓在彈坑與外殼之間，彈芯所受壓力不斷升高，對外殼產(chǎn)生徑向作用力使周圍外殼膨脹，最終達到擴孔效果。目前PELE研究熱點主要集中在影響其橫向效應的填充材料、著靶參數(shù)以及彈靶參數(shù)上[3-5]。Paulus[6]等人對彈芯填充材料對PELE橫向效應影響進行了研究。姬鵬遠[7]利用數(shù)值模擬和實驗驗證相結(jié)合的方法，對PELE侵徹體侵徹靶板的過程進行了研究。張洪成[8]在 PELE的基礎(chǔ)上，提出了半預制破片PELE彈丸的概念，分析了刻槽深度和刻槽長度對內(nèi)槽、外槽式半預制破片 PELE彈丸毀傷性能的影響。

因受橫向效應增強型侵徹體作用原理的啟發(fā)，在傳統(tǒng)戰(zhàn)斗部形成爆炸成型彈丸毀傷元基礎(chǔ)上，作者設(shè)計了一種外鋼內(nèi)鋁新型復合戰(zhàn)斗部，旨在通過侵徹體的橫向效應達到增大開孔口徑，有效提高戰(zhàn)斗部毀傷效果。通過改變藥型罩的曲率半徑，研究其對戰(zhàn)斗部成型及終點毀傷效應的影響規(guī)律。

1 模型建立

1.1 戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)設(shè)計

戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)示意圖如圖1，為形成具有類似于PELE侵徹體毀傷機理的包覆式復合侵徹體，該戰(zhàn)斗部變壁厚藥型罩中間夾層部分材料選為鋁，外部罩材為鋼，兩罩之間不存在自由面。裝藥直徑D1為60 mm，裝藥長徑比H/D1為1，罩頂厚5 mm，罩底厚1 mm。

圖1 戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 有限元模型的建立

根據(jù)戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)特點，運用Truegrid前處理軟件建立的復合戰(zhàn)斗部侵徹裝甲鋼的1/2有限元模型，如圖2所示。進行毀傷元侵徹鋼靶過程數(shù)值模擬研究時，起爆方式選取裝藥底端面中心點起爆，算法選取拉格朗日算法[4-5]，該算法簡單快速，能夠清晰地對材料邊界和界面的變化進行描述，所呈侵徹體的成型過程與現(xiàn)實實際情況非常接近。靶板尺寸為100 mm×100 mm×20 mm，炸高為6倍裝藥口徑。

圖2 戰(zhàn)斗部侵徹靶板有限元模型

1.3 料模型選擇及參數(shù)選取

炸藥采用*MAT_ HIGH_EXPLOSIVE_BU-RN材料模型、JWL狀態(tài)方程。藥型罩和靶板均采用*MAT_JONSON_COOK材料模型，*EOS_GRUNEISEN狀態(tài)方程。表1為戰(zhàn)斗部各部分材料基本參數(shù)。

表1 戰(zhàn)斗部材料基本參數(shù)

2 曲率半徑對侵徹體性能的影響分析

2.1 曲率半徑對復合侵徹體成型的影響

藥型罩曲率半徑是戰(zhàn)斗部設(shè)計的重要參數(shù)之一。在分析藥型罩曲率半徑的影響時，固定其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，在端部中心點起爆的情況下，數(shù)值模擬藥型罩外曲率半徑R為50～60mm(每種方案增加2.5mm)時復合侵徹體性能變化。毀傷元的終點效應與其接觸靶板時刻的狀態(tài)有直接關(guān)系，不同曲率半徑形成的侵徹體到達靶板時(炸高6倍口徑)成型狀態(tài)如圖3所示。

圖3 復合侵徹體著靶時成型狀態(tài)

由圖3可以看出：隨著藥型罩曲率半徑R的增大，戰(zhàn)斗部均形成了向前壓攏型的復合EFP。圖4、圖5表示EFP速度與長徑比分別隨曲率半徑變化曲線?？梢缘玫剑簭秃锨謴伢w的速度與曲率半徑近似呈反比關(guān)系；曲率半徑在50～52.5 mm時，曲率半徑的變化對形成的EFP長徑比影響較大，EFP長徑比隨著曲率半徑的增大而增大；曲率半徑在52.5～60 mm時，隨著藥型罩曲率半徑逐漸增大，EFP長徑比基本維持在2.1附近，變化不大。

2.2 曲率半徑對侵徹體毀傷效應的影響

圖6表示不同曲率半徑時，復合侵徹體對靶板的侵徹壓力云圖。分別取侵徹體剛開始著靶、剛開始穿透靶板以及完全貫穿靶板三個典型時刻進行對比分析。可以看出，復合侵徹體對靶板的侵徹主要有兩個明顯的作用區(qū)域：一是EFP對靶板正面的壓縮剪切區(qū)域；二是靶板背面材料的拉伸破壞區(qū)域。

復合EFP對靶板的侵徹孔徑隨著侵徹深度增加而增大，這是由于侵徹體內(nèi)部為低密度材料，外部為高密度材料時，內(nèi)外材料物理特性差異大，隨著復合EFP對靶板的侵徹，鋼材部分EFP受到靶板作用面積越來越大，所受壓力不斷增大，內(nèi)部鋁材受到約束與壓縮，產(chǎn)生高壓，在此壓力作用下，外層的鋼材質(zhì)毀傷元產(chǎn)生徑向膨脹，進而達到對靶板的擴孔，即橫向效應。

不同曲率半徑形成的毀傷元對靶板的侵徹效果仿真如圖7所示，曲線如圖8。曲率半徑R越大，侵徹體對靶板的侵徹入孔越??；復合罩形成的EFP對靶板侵徹的出孔直徑相對入孔直徑增加了12～23 mm；相同戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)，當藥型罩為銅時，曲率半徑對銅罩成型無影響；復合EFP對靶板的侵徹入孔直徑比銅材質(zhì)EFP大4～8 mm，出孔直徑大10～22 mm。由因此設(shè)計的新型復合藥型罩戰(zhàn)斗部毀傷效果較普通純銅藥型罩戰(zhàn)斗部更好。

圖4 毀傷元速度隨外曲率半徑變化曲線

圖6 不同曲率半徑時靶板破壞過程

圖7 不同曲率半徑時靶板最終破壞效果(正視圖、1/2側(cè)視圖)

圖8 不同毀傷元對靶板侵徹結(jié)果曲線

3 結(jié)論

1) 不同曲率半徑的藥型罩形成的毀傷元均呈向前壓攏狀態(tài)，隨著曲率半徑逐漸增大，復合EFP速度逐漸減小，長徑比先增大然后幾乎保持不變。

2) 復合EFP對靶板的侵徹具有橫向效應。相比銅材質(zhì)藥型罩，復合藥型罩對靶板侵徹的入孔直徑增大4～8 mm，出孔直徑大10～22 mm。

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