藥型罩材料對(duì)三層串聯(lián)EFP成型影響研究*

史志鑫，尹建平，竇成彪

(中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051)

0 引言

三層串聯(lián)EFP利用成型裝藥的聚能原理和串聯(lián)藥型罩之間相對(duì)滑移運(yùn)動(dòng)的原理形成3個(gè)高速運(yùn)動(dòng)的爆炸成型彈丸。三層串聯(lián)EFP是近年來(lái)提出的一種新型的戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)，利用串聯(lián)藥型罩之間的聲阻抗不同，應(yīng)力波在串聯(lián)藥型罩之間的傳播產(chǎn)生折射、發(fā)射和透射，使得串聯(lián)藥型罩之間產(chǎn)生相對(duì)的滑移運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而形成3個(gè)高速運(yùn)動(dòng)的EFP[1]。三層串聯(lián)EFP能夠更加合理的利用戰(zhàn)斗部中炸藥爆炸產(chǎn)生的能量，比傳統(tǒng)的單層EFP具有更高的炸藥能量利用率[2]；三層串聯(lián)EFP能夠形成3個(gè)隨進(jìn)的高速運(yùn)動(dòng)的EFP，因此在反“反應(yīng)裝甲”和反水下目標(biāo)方面具有較大的優(yōu)勢(shì)，所以三層串聯(lián)EFP成為戰(zhàn)斗部研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。鄭宇[1，3]利用理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究三者相結(jié)合的方法研究了雙層藥型罩毀傷元的成型機(jī)理，分析了戰(zhàn)斗部的起爆方式、藥型罩的結(jié)構(gòu)和藥型罩的材料對(duì)雙層藥型罩毀傷元成型的影響。在第20屆國(guó)際彈道會(huì)議的會(huì)議論文中，R.Fong等[4]曾經(jīng)提出過關(guān)于探索雙層或者多層藥型罩形成兩個(gè)或者多個(gè)獨(dú)立飛行EFP的理論，探索在大炸高情況下，對(duì)靶板形成多次打擊，在小炸高情況下，增加對(duì)靶板的侵徹深度。但關(guān)于三層串聯(lián)EFP的研究在國(guó)內(nèi)外公開的報(bào)道中相對(duì)較少[5]。

前人對(duì)雙層串聯(lián)藥型罩毀傷元成型進(jìn)行過深入的研究，關(guān)于雙層串聯(lián)藥型罩毀傷元成型的相關(guān)理論也比較成熟。文中在雙層串聯(lián)藥型罩毀傷元理論的基礎(chǔ)上，研究了藥型罩材料對(duì)三層串聯(lián)EFP成型的影響。利用LS-DYNA有限元仿真軟件對(duì)不同藥型罩材料的三層串聯(lián)EFP成型性能進(jìn)行分析，獲得藥型罩材料對(duì)三層串聯(lián)EFP成型的影響規(guī)律，可為后續(xù)的三層串聯(lián)EFP戰(zhàn)斗部的設(shè)計(jì)提供參考。

1 計(jì)算模型

文中分析的三層串聯(lián)EFP戰(zhàn)斗部的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 三層串聯(lián)EFP戰(zhàn)斗部的二分之一有限元模型和結(jié)構(gòu)示意圖

研究的三層串聯(lián)EFP戰(zhàn)斗部的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)為：戰(zhàn)斗部的裝藥尺寸為Φ55 mm×80 mm；戰(zhàn)斗部殼體壁厚為1.2 mm；戰(zhàn)斗部三層藥型罩的曲率半徑均為45 mm，三層藥型罩的口徑均為45 mm，三層藥型罩的厚度均為1.2 mm；起爆方式采用戰(zhàn)斗部底部中心點(diǎn)起爆。數(shù)值模擬中三層串聯(lián)EFP戰(zhàn)斗部的炸藥采用8701炸藥，材料模型選用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，采用EOS_JWL狀態(tài)方程進(jìn)行描述；固定環(huán)采用金屬銅，材料模型選用MAT_JOHNSON_COOK，采用EOS_GRUNEISEN狀態(tài)方程進(jìn)行描述；藥型罩的材料分別選取碳鋼、銅、鉭和鋁，材料模型均采用JOHNSON_COOK，均采用GRUNEISEN狀態(tài)方程進(jìn)行描述。網(wǎng)格單元選取八節(jié)點(diǎn)六面體單元。材料的主要參數(shù)如表1所示。

2 三層串聯(lián)EFP成型性能分析

2.1 三層串聯(lián)EFP成型過程

三層串聯(lián)EFP利用爆轟波對(duì)串聯(lián)藥型罩驅(qū)動(dòng)和爆轟波在藥型罩之間的折射、反射和透射，使得三層串聯(lián)藥型罩產(chǎn)生相對(duì)的滑移運(yùn)動(dòng)，最終形成高速運(yùn)動(dòng)的三層串聯(lián)EFP；當(dāng)爆轟波經(jīng)過藥型罩微元時(shí)，爆轟波的沖擊壓力對(duì)藥型罩微元進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。同時(shí)，爆轟波也會(huì)在藥型罩之間發(fā)生透射和反射，透射的爆轟波將會(huì)驅(qū)動(dòng)下一層藥型罩，反射的爆轟波將繼續(xù)作用于上一層藥型罩，所以中間一層的藥型罩將會(huì)受到復(fù)雜的應(yīng)力波驅(qū)動(dòng)。藥型罩材料的沖擊阻抗不同將會(huì)影響應(yīng)力波在藥型罩之間的傳播，藥型罩的材料選取將會(huì)直接影響到三層串聯(lián)EFP的成型。

表1 數(shù)值模擬中主要材料參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)有的應(yīng)力波理論[1,5-6]，應(yīng)力波在三層串聯(lián)藥型罩微元之間的傳播遵循應(yīng)力波在不同介質(zhì)分界面?zhèn)鞑サ墓?，即?/p>

式中：PI為入射壓力；PT為透射壓力；PR為反射壓力；α為前后材料的聲阻抗比。應(yīng)力波在三層串聯(lián)藥型罩微元之間的傳播如圖2所示。

圖2 三層串聯(lián)藥型罩微元受力示意圖

戰(zhàn)斗部起爆后，爆轟波到達(dá)藥型罩并壓垮藥型罩的底部，使藥型罩的底部產(chǎn)生一個(gè)軸向的速度，藥型罩從底部開始拉伸并翻轉(zhuǎn)；藥型罩在拉伸過程中，尾部將會(huì)向戰(zhàn)斗部的軸線方向進(jìn)行收攏；同時(shí)，三層串聯(lián)藥型罩在拉伸過程中會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑移，外部藥型罩與中部藥型罩分離后最先形成EFP并繼續(xù)加速運(yùn)動(dòng)，中部藥型罩繼續(xù)拉伸，尾部收攏形成EFP，最后內(nèi)部藥型罩形成EFP的成型效果最差，速度也最低，3個(gè)串聯(lián)的EFP相距一段距離并以穩(wěn)定的速度向前飛行。三層串聯(lián)EFP的成型過程如圖3所示。

圖3 三層串聯(lián)EFP成型的數(shù)值模擬仿真

2.2 材料對(duì)三層串聯(lián)EFP成型的影響

分析材料對(duì)三層串聯(lián)EFP成型的影響，首先分析三層藥型罩均為一種材料的情況，改變藥型罩的材料，分析材料對(duì)三層串聯(lián)EFP成型的影響。選取碳鋼、鉭、銅和鋁四種不同特性的材料作為藥型罩的材料，進(jìn)行三層串聯(lián)EFP成型的數(shù)值仿真研究。碳鋼、鉭、銅和鋁四種材料形成的三層串聯(lián)EFP的速度、長(zhǎng)徑比和成型效果如表2所示。

從表2中的數(shù)據(jù)和成型效果圖可以看出，碳鋼、銅和鉭藥型罩均能分離形成三層串聯(lián)EFP，但是鋁藥型罩不能很好的分離形成串聯(lián)EFP。碳鋼形成的三層串聯(lián)EFP的速度最高；銅材料因?yàn)榫哂休^好的延展性，外層藥型罩形成的EFP產(chǎn)生明顯的頸縮和部分?jǐn)嗔眩~藥型罩形成的串聯(lián)EFP具有最大的長(zhǎng)徑比；鉭的密度較大，鉭藥型罩在爆轟波的驅(qū)動(dòng)下不能很好的拉伸，所以形成的三層串聯(lián)EFP的長(zhǎng)徑比較??；鋁材料較軟而且延展性較差，所以在爆轟波的驅(qū)動(dòng)下不能分離形成三層串聯(lián)EFP。綜合分析可知，碳鋼的三層串聯(lián)藥型罩形成的三層串聯(lián)EFP效果較好。

分析三層藥型罩為不同材料時(shí)，材料對(duì)三層串聯(lián)EFP成型的影響。根據(jù)沖擊波在藥型罩之間傳播的相關(guān)理論[7-10]，若設(shè)置中間層藥型罩的材料沖擊阻抗介于內(nèi)外兩層藥型罩材料沖擊阻抗之間，即可增大爆轟波作用在外層罩上的透射壓力。選取碳鋼、銅和鉭分析材料對(duì)三層串聯(lián)EFP成型的影響，三種材料的沖擊阻抗的大小關(guān)系為：銅<碳鋼<鉭。

表2 不同材料串聯(lián)EFP成型參數(shù)

1)三層藥型罩其中兩層為碳鋼，另一層為低沖擊阻抗材料銅時(shí)三層串聯(lián)EFP成型效果如表3所示。

2)三層藥型罩其中兩層為碳鋼，另一層為高沖擊阻抗材料鉭時(shí)三層串聯(lián)EFP成型效果如表4所示。

3)三層藥型罩材料分別為銅(內(nèi))、碳鋼(中)、鉭(外)時(shí)三層串聯(lián)EFP成型效果如表5所示。

由表3、表4、表5中的數(shù)據(jù)和三層串聯(lián)EFP的成型效果可知，三層藥型罩為不同材料與三層均為碳鋼的串聯(lián)藥型罩相比，某一層藥型罩材料被改變時(shí)，不能增加三層串聯(lián)EFP的總速度和總動(dòng)能。從表3可知，銅作為外層藥型罩的材料形成的三層串聯(lián)EFP出現(xiàn)明顯的頸縮，銅作為中層藥型罩的材料形成三層串聯(lián)EFP之間的距離比較均勻。從表4可知，鉭作為內(nèi)層藥型罩形成三層串聯(lián)EFP的成型效果較好。從表5可知，將內(nèi)層藥型罩、中層藥型罩、外層藥型罩分別由銅、碳鋼、鉭(沖擊阻抗由小到大)制成，此種方案不能提高三層串聯(lián)EFP的總速度和總動(dòng)能，最終的成型效果也欠佳。

表4 不同材料三層串聯(lián)EFP成型參數(shù)

表5 不同材料三層串聯(lián)EFP成型參數(shù)

3 結(jié)論

文中運(yùn)用LS-DYNA有限元仿真軟件對(duì)三層串聯(lián)EFP成型的成型過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，選取碳鋼、銅、鋁和鉭研究藥型罩材料對(duì)三層串聯(lián)EFP成型的影響。

1)對(duì)于所研究的裝藥結(jié)構(gòu)，當(dāng)三層串聯(lián)EFP每層藥型罩均采用同一種材料時(shí)，碳鋼藥型罩形成的三層串聯(lián)EFP的成型效果較好，且具有最大的速度和適中的長(zhǎng)徑比；銅藥型罩形成的三層串聯(lián)EFP具有最大長(zhǎng)徑比，但最外層的EFP出現(xiàn)明顯的頸縮現(xiàn)象；鉭藥型罩形成的三層串聯(lián)EFP成型效果較差；鋁藥型罩不能分離形成三層串聯(lián)EFP。

2)當(dāng)改變?nèi)龑哟?lián)EFP某一層串聯(lián)EFP的材料時(shí)，并不能增加三層串聯(lián)EFP的總動(dòng)能和總速度，且成型效果欠佳；如果基于材料的沖擊阻抗匹配的原則來(lái)選用三層串聯(lián)EFP的材料時(shí)，形成的三層串聯(lián)EFP的總速度和總動(dòng)能比三層藥型罩均采用單一材料時(shí)低，總速度降低3.0%～4.9%，總動(dòng)能降低1.7%～2.3%。