一種包覆式復(fù)合侵徹體的仿真研究*

劉亞昆,吳國(guó)東,王志軍,尹建平,王 超,孫加肖

(中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,太原 030051)

0 引言

傳統(tǒng)的金屬毀傷元存在著威力不足的狀況,為了提高彈藥的毀傷威力,人們積極發(fā)展新型活性毀傷元技術(shù)?；钚詺峭ㄟ^動(dòng)能侵徹和爆炸化學(xué)能釋放兩種毀傷機(jī)理的聯(lián)合作用,為大幅度提升常規(guī)彈藥戰(zhàn)斗部毀傷威力提供了新的技術(shù)途徑,被認(rèn)為是支撐下一代命中即摧毀彈藥戰(zhàn)斗部裝備研發(fā)的核心關(guān)鍵技術(shù)[1-2]。2010年,門建兵等人提出一種包覆式爆炸成型復(fù)合侵徹體(wrapping explosively formed compound penetrator,WEFCP)將活性材料預(yù)制在藥型罩前,在炸藥的爆炸驅(qū)動(dòng)下藥型罩包覆活性材料,從而獲得高速飛行的復(fù)合侵徹體[3-4]。國(guó)外研究了一種在聚能裝藥中加入引燃材料的裝藥技術(shù),引燃介質(zhì)為圓片形的鋯合金,安放在藥型罩前,裝藥起爆后,藥型罩?jǐn)D壓引燃材料使其自燃,形成一個(gè)明火燃燒破甲能力較強(qiáng)的爆炸成型彈丸。實(shí)驗(yàn)表明這種彈丸即使在-18 ℃大風(fēng)條件下,也能引燃15 m外裝有55加侖柴油的油桶[5]。

在此基礎(chǔ)上文中設(shè)計(jì)一種包覆式聚能裝藥結(jié)構(gòu),采用弧錐結(jié)合藥型罩[6],裝藥頂端面中心點(diǎn)起爆,藥型罩在爆轟波驅(qū)動(dòng)下得到3段侵徹體,其毀傷機(jī)理為:前端部分用來先行破甲和開孔,后端部分包裹有活性材料的復(fù)合侵徹體以較慢的速度在后運(yùn)行,待其碰撞靶板或進(jìn)入目標(biāo)后,復(fù)合侵徹體發(fā)生反應(yīng),從而提高對(duì)目標(biāo)的毀傷效應(yīng)[7]。針對(duì)裝藥長(zhǎng)徑比、包覆物與藥型罩間距和包覆物形狀,進(jìn)行了3段侵徹體成型影響因素分析,并將成型的3段侵徹體對(duì)兩間隔鋼靶進(jìn)行了侵徹模擬驗(yàn)證。

1 計(jì)算模型

1.1 結(jié)構(gòu)模型

包覆式聚能裝藥結(jié)構(gòu)的幾何模型如圖1所示。其中:D1為藥型罩直徑,D為裝藥直徑,L為裝藥長(zhǎng)度,A為包覆物和藥型罩內(nèi)表面間距。中心點(diǎn)起爆,起爆點(diǎn)在裝藥頂端面?；⌒尾糠炙幮驼譃榍蛉闭?球缺罩外曲率半徑R1=102 mm,球缺罩內(nèi)曲率半徑R2=137 mm,弧錐結(jié)合部光滑連接,錐形部分錐角2α=148°,等壁厚H=2 mm。

1.2 有限元模型

用AUTODYN軟件進(jìn)行仿真,包覆式聚能裝藥結(jié)構(gòu)有限元模型如圖2所示。

該結(jié)構(gòu)為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu),只需建立1/2模型。因?yàn)榫勰苎b藥爆炸及藥型罩壓垮、閉合均屬于大變形問題,所以殼體、炸藥、藥型罩以及空氣均采用Euler算法。為更好的模擬侵徹體成型過程及狀態(tài),在侵徹體成型的通道上采用網(wǎng)格加密的方式建立有限元模型,并通過在空氣邊界上添加“FLOWOUT”邊界來消除邊界效應(yīng)。殼體材料為鋁,炸藥為B炸藥,藥型罩材料為軟鋼,材料的狀態(tài)方程和強(qiáng)度模型見表1,材料參數(shù)取自AUTODYN材料庫,活性材料參數(shù)如表2所示。數(shù)值模擬中單位制為mm-mg-ms。

表1 材料狀態(tài)方程和強(qiáng)度模型

2 3段侵徹體成型過程

在裝藥頂端面中心點(diǎn)起爆,藥型罩的炸藥裝藥被引爆后,爆轟波將從裝藥底部向前傳播,藥型罩在爆轟波驅(qū)動(dòng)下對(duì)活性材料進(jìn)行包覆,由于爆轟波波陣面作用于藥型罩的時(shí)間和藥型罩壁厚存在差異,藥型罩的壓垮速度也不同。3段侵徹體成型過程如圖3所示。

表2 活性材料參數(shù)

由圖3可知,在侵徹體成型過程中,主裝藥起爆32.6 μs時(shí)藥型罩在爆轟波驅(qū)動(dòng)下,整體形成壓垮型的EFP。在97.3 μs時(shí)藥型罩在弧錐結(jié)合處被拉斷,由弧形部分對(duì)活性材料進(jìn)行包覆,錐形部分在軸線處匯聚和擠壓,用于對(duì)目標(biāo)進(jìn)行先行破甲和開孔。在135 μs時(shí)藥型罩錐形部分匯聚擠壓存在速度差,逐漸形成兩段侵徹體。在172.4 μs時(shí)3段侵徹體成型并穩(wěn)定飛行,第三段侵徹體為包覆有活性材料的復(fù)合侵徹體。研究得到的3段侵徹體具有合理的速度梯度,第一段速度為2 580 m/s,第二段速度為2 390 m/s,第三段速度為2 180 m/s,且第三段侵徹體為包裹有活性材料的復(fù)合侵徹體。其毀傷機(jī)理為:前兩段侵徹體用于對(duì)目標(biāo)進(jìn)行破甲一次毀傷以保證復(fù)合侵徹體打入目標(biāo)內(nèi)部或?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行二次毀傷。

3 3段侵徹體成型影響因素

主要探討圖1提出的小長(zhǎng)徑比聚能裝藥結(jié)構(gòu)中在藥型罩結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化確定后,聚能裝藥長(zhǎng)徑比(L/D)、包覆物與藥型罩間距A和包覆物的形狀對(duì)3段侵徹體成型的影響。分別取長(zhǎng)徑比為0.5、0.42、0.36、0.31、0.29,包覆物與藥型罩間距A=0 mm、0.25 mm、0.5 mm、0.75 mm,包覆物形狀分別取球冠形、球缺形和半球形。

3.1 裝藥長(zhǎng)徑比對(duì)成型的影響

在討論長(zhǎng)徑比對(duì)成型的影響時(shí),藥型罩采用優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù),固定其他變量值,選取包覆物為球冠形,包覆間距A=0.5 mm,藥型罩直徑D1=100 mm,裝藥長(zhǎng)度L=50 mm,通過改變裝藥直徑來改變裝藥長(zhǎng)徑比(L/D),模擬3段侵徹體成型如表3所示。

表3 裝藥長(zhǎng)徑比對(duì)成型的影響

由表3可知,在保證活性材料被完整包覆的前提下,長(zhǎng)徑比為0.42～0.5時(shí),作用于藥型罩底部的裝藥量不足,3段侵徹體不能很好的成型,第一段侵徹體頭部不夠密實(shí)不利于形成大開孔;長(zhǎng)徑比為0.31～0.36時(shí),3段侵徹體成型良好,具有合理的速度梯度;裝藥長(zhǎng)徑比為0.29時(shí),第一段侵徹體氣動(dòng)外形不好,第二段侵徹體頭部出現(xiàn)頸縮,有斷裂趨勢(shì),整體速度并無明顯變化,且受限于實(shí)際應(yīng)用,裝藥直徑的增加意味著戰(zhàn)斗部口徑變大,同時(shí)裝藥直徑過大會(huì)造成炸藥的側(cè)向分散,造成資源浪費(fèi)。綜上分析,在實(shí)際運(yùn)用中對(duì)特定材料進(jìn)行包覆選用長(zhǎng)徑比約為0.31～0.36時(shí)即可,即裝藥長(zhǎng)度L=50 mm,裝藥直徑D=140～160 mm。

3.2 包覆物與藥型罩間距對(duì)成型的影響

在討論間距對(duì)成型的影響時(shí),藥型罩采用優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù),固定其他變量值,選取包覆物為球冠形,藥型罩直徑D1=100 mm,裝藥長(zhǎng)度L=50 mm,裝藥長(zhǎng)徑比L/D=0.36,改變包覆物與藥型罩間距A,模擬三段侵徹體成型如表4所示。

表4 間距對(duì)成型的影響

由表4可知,當(dāng)包覆間距為0時(shí),包覆物受力較早,速度提升較快,造成包覆物溢出,不能完整包覆;當(dāng)包覆間距為0.25 mm時(shí),與包覆物接觸的藥型罩中心部分過早受到包覆物的反沖力,不利于錐形部分藥型罩進(jìn)行壓垮,使得第一段侵徹體不具有良好的氣動(dòng)外形;與此對(duì)應(yīng),當(dāng)包覆間距為0.75 mm時(shí),與包覆物接觸時(shí)藥型罩中心部分受到包覆物的反沖力的時(shí)間較晚,錐形部分藥型罩在壓垮的過程中,沒有形成合理的速度梯度,不利于侵徹。綜上分析,包覆物與藥型罩間距取A=0.5 mm,即0.005D1。

3.3 包覆物形狀對(duì)成型的影響

在討論包覆物形狀對(duì)成型的影響時(shí),藥型罩采用優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù),固定其他變量值,選用藥型罩直徑D1=100 mm,裝藥長(zhǎng)度為50 mm,裝藥長(zhǎng)徑比L/D=0.36,包覆間距為0.5 mm,在包覆物質(zhì)量相同的前提下,改變包覆物的形狀,模擬3段侵徹體的成型如表5所示。

表5 包覆物形狀對(duì)成型的影響

由表5可知,包覆物的形狀對(duì)成型影響較大,當(dāng)包覆物形狀為球缺型和半球型時(shí),包覆物中心較為密實(shí),使得包覆物對(duì)藥型罩反作用力較大,包覆物邊緣受力較晚,藥型罩包覆時(shí),藥型罩邊緣與包覆物之間速度差較大,在短時(shí)間被拉斷,不利于3段侵徹體的形成。包覆物形狀為球冠型時(shí),3段侵徹體具有合理的速度梯度,且包覆效果更好,因此,包覆物形狀選用球冠形。

4 侵徹威力驗(yàn)證

將成型的3段侵徹體對(duì)間隔為70 mm、厚度為20 mm的鋼靶進(jìn)行侵徹模擬,鋼靶材料為材料庫中4340鋼,如表6所示,計(jì)算模型如圖4所示。

表6 4340鋼參數(shù)

炸藥和藥型罩等采用多物質(zhì)Euler算法,靶板采用拉格朗日算法,二者之間的相互作用通過流固耦合來模擬,聚能裝藥頂端面中心點(diǎn)起爆,炸高為400 mm,侵徹靶板結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知,在172.4 μs時(shí),成型的3段侵徹體接觸靶1開始侵徹。起爆后212.5 μs,靶1被前兩段侵徹體完全貫穿,為第三段包裹有活性材料的復(fù)合侵徹體開辟通道。起爆后232 μs,復(fù)合侵徹體開始侵徹靶2,此時(shí)靶1開孔直徑為42 mm,復(fù)合侵徹體速度為2 092 m/s。起爆后300 μs,靶2被完全貫穿,開孔直徑為49 mm,形成的沖塞塊速度為442 m/s。結(jié)果表明,前兩段侵徹體可以為第三段侵徹體開辟無能耗通道,保證包裹有活性材料的復(fù)合侵徹體打入目標(biāo)內(nèi)。

5 結(jié)論

1)研究得到具有合理速度梯度的3段侵徹體,第3段為包覆有活性材料的復(fù)合侵徹體。分析三段侵徹體成型的影響因素,結(jié)果表明:對(duì)于包覆式聚能裝藥存在一個(gè)最優(yōu)長(zhǎng)徑比范圍,且包覆物與藥型罩的間距過小或過大都會(huì)造成侵徹體成型較差,本研究中長(zhǎng)徑比范圍為0.31～0.36,間距取0.5 mm,即為0.005藥型罩直徑,包覆物形狀為邊緣薄中間略厚的球冠形時(shí),包覆物受力最佳,侵徹體整體成型較好。

2)驗(yàn)證3段侵徹體的侵徹能力,對(duì)厚度為20 mm,間隔為70 mm的鋼靶進(jìn)行侵徹模擬,結(jié)果表明:包覆式聚能裝藥結(jié)構(gòu)可對(duì)間隔靶目標(biāo)造成有效毀傷。