孫遠(yuǎn)翔,胡皓亮,張之凡
(1. 北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081;2. 大連理工大學(xué)船舶工程學(xué)院,遼寧 大連 116024)
在炸藥爆轟驅(qū)動(dòng)下,較大開合角(一般為120°~160°)的錐形、球缺形等結(jié)構(gòu)的藥型罩發(fā)生翻轉(zhuǎn)閉合,進(jìn)而形成密實(shí)的高速彈丸,該彈丸稱為爆炸成型彈丸(Explosively formed projectiles,EFP)。相比傳統(tǒng)聚能射流,EFP 具有頭部質(zhì)量集中、速度梯度小、開口半徑大、炸高不敏感等優(yōu)勢,能夠有效完成戰(zhàn)場環(huán)境下的破甲穿甲任務(wù)。因此,深入研究EFP 的成型、運(yùn)動(dòng)及侵徹過程,對于提高武器戰(zhàn)斗部毀傷性能具有重要的指導(dǎo)意義。在這一軍事需求的牽引下,國內(nèi)外學(xué)者從多個(gè)角度對EFP 展開研究。Ahmed 等[1]通過數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方式進(jìn)行研究,采用FXR 技術(shù)捕捉彈丸成型及侵徹的完整圖像,并基于Autodyn 軟件對實(shí)驗(yàn)工況開展模擬,研究結(jié)果表明:8701 型不敏感炸藥驅(qū)動(dòng)形成的EFP 與高聚物黏結(jié)(PBX)炸藥運(yùn)動(dòng)速度基本相同,且具有更高的可靠性及穩(wěn)定性。曹兵[2]基于脈沖X 射線攝影技術(shù),捕捉了EFP 在不同介質(zhì)中的成型、運(yùn)動(dòng)及侵徹過程,對比研究了EFP 戰(zhàn)斗部在空氣和水中對艦船模擬靶板的毀傷效果,推導(dǎo)得出了彈道壓縮波超壓公式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在水介質(zhì)中,EFP 對靶板的破口半徑約為彈丸直徑的20 倍,顯著高于空氣中的1.85 倍。楊莉等[3]綜合利用脈沖X 射線高速攝影技術(shù)以及電探針測試技術(shù)開展了EFP 水下侵徹實(shí)驗(yàn),測得變壁厚球缺罩在侵徹含水復(fù)合裝甲過程中的速度曲線,分析了不同前靶厚度對EFP 速度衰減的影響規(guī)律。Markovic 等[4]通過仿真和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式,對比分析了裝藥殼體對EFP 成型形態(tài)和運(yùn)動(dòng)速度的影響,研究發(fā)現(xiàn):帶殼裝藥形成的EFP 速度提升了17.5%,動(dòng)能提升了55.8%,且尾翼無折疊現(xiàn)象。楊偉苓等[5]將VESF 起爆系統(tǒng)應(yīng)用于MEFP 裝藥中,在炸藥內(nèi)部獲得了理想的平面波波形,仿真結(jié)果顯示,VESF 起爆系統(tǒng)生成的彈丸速度為2 023 m/s,比單點(diǎn)起爆速度高出18.7%,且炸藥量僅需單點(diǎn)起爆的74.5%。王雅君等[6]利用LS-DYNA 有限元軟件對EFP 水下運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了仿真研究,詳細(xì)討論了彈丸尾裙長度、實(shí)心部厚度、藥型罩密度、入水初速度等不同參數(shù)的EFP 侵徹水介質(zhì)過程中的速度及質(zhì)量衰減情況。林加劍等[7]針對EFP 有效裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論分析,推導(dǎo)了平板運(yùn)動(dòng)的相對速度公式,并據(jù)此提出了一種能夠節(jié)省26.5%藥量的新型EFP 裝藥結(jié)構(gòu)。郭騰飛等[8]利用正交設(shè)計(jì)方法研究了鉭質(zhì)藥型罩各結(jié)構(gòu)參數(shù)對EFP 性能的控制規(guī)律,分析了藥型罩錐角、壁厚、圓弧半徑對EFP 成型形態(tài)的影響,并提出了一組鉭質(zhì)藥型罩的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)。魯忠寶等[9]選取不同炸藥品種及起爆方式的戰(zhàn)斗部裝藥,開展了水下爆炸全方位威力場參數(shù)測試,得到不同結(jié)構(gòu)戰(zhàn)斗部水中爆炸的能量輸出規(guī)律及其對艦船目標(biāo)的毀傷效果。此外,還有一些學(xué)者從侵徹著角[10]、小口徑EFP[11]、彈丸尾翼[12]等方面進(jìn)行了探索。然而,目前的研究主要集中于空氣環(huán)境中的EFP 運(yùn)動(dòng)侵徹過程,水下EFP 成型方面的成果相對欠缺。
為此,本研究以1 kg 裝藥EFP 為分析對象,基于AUTODYN 有限元仿真軟件,系統(tǒng)探究裝藥、藥型罩、彈前空氣罩等核心部分對水下環(huán)境EFP 成型的影響規(guī)律,進(jìn)而得出一組適用于水中EFP 的優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù),為水下常規(guī)武器的戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)提供一定的仿真參考。
仿真模型由水域、EFP 裝藥及彈前空腔3 個(gè)部分組成,其總體1/2 模型如圖1 所示。其中,彈前空腔設(shè)置為空氣域,對應(yīng)實(shí)彈頭部位置的空氣部分,空腔長度記為Lcavity。EFP 裝藥由炸藥和藥型罩組成,具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。炸藥總質(zhì)量為1 kg,整體呈圓柱形,通過裝藥半徑R、長徑比L/D兩個(gè)參量描述;藥型罩呈球缺形,罩壁厚度記為δ,藥型罩兩端邊緣處切線的夾角記為 α;炸藥采用多點(diǎn)起爆方式,起爆半徑為r;O為藥柱底面圓心,O1、O2為起爆點(diǎn),關(guān)于O點(diǎn)對稱。原始模型參數(shù)見表1。
圖1 總體1/2 模型Fig. 1 Overall 1/2 model
圖2 EFP 裝藥結(jié)構(gòu)Fig. 2 EFP charge structure
表1 原始模型參數(shù)Table 1 Original model parameters
由于仿真研究涉及水下爆炸、EFP 成型等高瞬態(tài)、大變形過程,模型網(wǎng)格可能出現(xiàn)畸變,導(dǎo)致計(jì)算終止。因此,仿真模型采用任意拉格朗日-歐拉算法(Arbitrary lagrangian eulerian,ALE)進(jìn)行計(jì)算。ALE 算法的核心思想:每隔一定的時(shí)間步長,便根據(jù)物質(zhì)區(qū)域的流動(dòng)邊界情況對計(jì)算網(wǎng)格進(jìn)行重分重構(gòu),進(jìn)而避免出現(xiàn)嚴(yán)重的網(wǎng)格變形。仿真模型共涉及4 類材料:空氣、水、炸藥及金屬藥型罩。
空氣采用Ideal Gas 方程
式中:pair為空氣壓力, ρa(bǔ)ir為空氣密度,絕熱常數(shù) γ = 1.4,比內(nèi)能eair= 2.068 × 105J/kg。
表2 Polynomial 方程的主要參數(shù)Table 2 Main parameters of Polynomial equation
炸藥采用JWL 方程
式中:V=ρb0/ρb, ρb、 ρb0為爆轟產(chǎn)物的密度及初始密度;E為單位體積炸藥的內(nèi)能;A、B、R1、R2、 ω為物質(zhì)常數(shù),數(shù)值根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)確定;e 為歐拉數(shù);pe為炸藥爆壓。不同炸藥種類的JWL 方程主要參數(shù)見表3,表中材料參數(shù)均來源于AUTODYN 材料庫[13],DCJ為炸藥爆速,pCJ為爆轟壓力。
表3 JWL 方程主要參數(shù)Table 3 Main parameters of Polynomial equation
表4 Johnson-Cook 方程的主要參數(shù)Table 4 Main parameters of Johnson-Cook equation
在數(shù)值模擬中,計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格密度的設(shè)置對仿真結(jié)果具有較大影響。具體建模時(shí),應(yīng)在保證結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下,合理規(guī)劃計(jì)算域并設(shè)定適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格數(shù)量,盡可能地提升計(jì)算效率?;谠撃康?,通過試算不同計(jì)算域、不同網(wǎng)格尺寸的模型,探索兼顧計(jì)算精度與計(jì)算效率的最佳設(shè)定組合。為了便于后期分析,先固定網(wǎng)格尺寸,試算不同計(jì)算域的工況,得到合理計(jì)算域后,再改變網(wǎng)格密度進(jìn)行計(jì)算。表5 整理了全部計(jì)算工況,其中工況3 和工況11 的計(jì)算域及網(wǎng)格尺寸相同,仿真設(shè)定時(shí)長不同。
表5 試算工況Table 5 Conditions of trial calculation
圖3 不同工況單位計(jì)算量用時(shí)Fig. 3 Unit calculation time for different conditions
為了探索各變量對水中EFP 成型過程的影響規(guī)律,采用單變量的方式進(jìn)行優(yōu)化,在每小節(jié)的優(yōu)化過程中,只分析一個(gè)變量的影響而固定其他參量的取值。各變量具體取值情況見表6( Δ代表取值間隔)。
表6 變量取值情況Table 6 Summary of variable values
2.1.1 長徑比
長徑比L/D會(huì)影響爆轟波在裝藥內(nèi)部的傳播,進(jìn)而導(dǎo)致EFP 在成型過程中的差異。分別選取L/D為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 共6 種工況進(jìn)行仿真。圖4 為不同長徑比裝藥對應(yīng)EFP 的速度曲線,圖5為L/D與EFP 最大速度之間的關(guān)系曲線。圖4 表明,隨著裝藥長徑比的增加,爆轟波傳播時(shí)間延長,EFP獲得速度的時(shí)刻也依次延遲。開始運(yùn)動(dòng)后,由于存在彈前空腔,運(yùn)動(dòng)阻力較小,EFP 的速度在約5 μs 內(nèi)迅速提升至最大速度的85%~90%,隨后平緩增長。當(dāng)EFP 到達(dá)空腔盡頭進(jìn)入水中時(shí),速度出現(xiàn)突變,隨后持續(xù)迅速下降。當(dāng)L/D≥ 1.5 時(shí),EFP 速度曲線在衰減段趨于一致。根據(jù)圖5 曲線可知:EFP 的最大速度隨著L/D的增加呈先上升后下降的趨勢;在L/D= 1.5 時(shí)取得極大值,此時(shí)vmax= 2 162 m/s。
圖4 不同裝藥長徑比EFP 的速度時(shí)間曲線Fig. 4 t-v curves of EFP with different L/D charges
圖5 長徑比與EFP 最大速度的關(guān)系Fig. 5 Variation of L/D with vmax of EFP
2.1.2 炸藥種類
不同類型裝藥由于其爆轟性能差異,在爆轟驅(qū)動(dòng)下的彈丸成型情況也不同。選取TNT、B 炸藥、PBX、H6、HMX 共5 種典型裝藥進(jìn)行仿真。圖6 為不同種類裝藥對應(yīng)的EFP 速度(v)曲線,圖7 為裝藥種類與EFP 最大速度(vmax)的關(guān)系曲線。計(jì)算結(jié)果表明,炸藥對EFP 的驅(qū)動(dòng)性能排列依次為:HMX >PBX > B 炸藥 > H6 > TNT。綜合圖6、圖7 及表2 可知,隨著裝藥爆速的提升,EFP 開始運(yùn)動(dòng)的時(shí)刻越早,獲得的最大速度也越高。因此,裝藥對EFP 的驅(qū)動(dòng)性能主要受爆速影響。若將戰(zhàn)斗部裝藥由TNT 更換為HMX,則裝藥爆速提升31.5%,對應(yīng)的EFP 最大速度提升29.7%。
圖6 不同類型裝藥EFP 的速度-時(shí)間曲線Fig. 6 v-t curves of EFP with different charge types
圖7 裝藥種類與EFP 最大速度的關(guān)系Fig. 7 Variation of vmax of EFP with charge types
2.2.1 藥型罩材料
選取紫銅、鋼、鉭及鎢合金4 種典型藥型罩材料進(jìn)行仿真。圖8 為不同藥型罩材料對應(yīng)的EFP 速度曲線,圖9 為材料種類與EFP 最大速度關(guān)系曲線。計(jì)算結(jié)果表明:鐵質(zhì)EFP 的最大速度分別高出紫銅、鉭、鎢合金EFP 7.4%、63.3%和65.3%,但其速度衰減也最快。鉭、鎢合金兩種材質(zhì)EFP 對應(yīng)的速度曲線非常接近:點(diǎn)火后約24 μs,EFP 加速至最大速度,而后呈緩慢衰減趨勢,76 μs 內(nèi)速度衰減幅度約為19.4%;紫銅EFP 最大速度為2 805.6 m/s,與鐵質(zhì)EFP 接近,但衰減速度遠(yuǎn)低于后者;100 μs 時(shí),紫銅EFP 剩余速度分別高出鐵、鉭、鎢合金585.6、58.2、31.9 m/s。綜合圖9 材料密度數(shù)據(jù)可知:密度越大,EFP 在水中的最大速度越低,但速度衰減也越緩慢。綜合以上分析,選擇紫銅作為水中EFP 的藥型罩材料比較合適。
圖8 不同藥型罩材料EFP 的速度-時(shí)間曲線Fig. 8 v-t curves of EFP with different liner material
圖9 藥型罩材料與EFP 最大速度的關(guān)系Fig. 9 Variation of vmax of EFP with liner material
2.2.2 切向錐角
如圖2 所示,當(dāng)裝藥半徑R確定時(shí),切向錐角 α決定了藥型罩的圓弧半徑。由于水的巨大阻力,不同錐角的藥型罩在成型后形狀差異較大。因此,在選擇合適的 α值時(shí),不僅要考慮EFP 的運(yùn)動(dòng)速度,還要結(jié)合EFP 成型形狀進(jìn)行綜合分析。EFP 藥型罩結(jié)構(gòu) α值的區(qū)間通常為120°~160°,在該區(qū)間內(nèi)等分選取9 組α值工況進(jìn)行仿真。圖10 為不同錐角對應(yīng)的EFP 速度曲線,圖11 為錐角α與EFP 最大速度關(guān)系曲線。計(jì)算結(jié)果表明,隨著錐角 α增大,EFP 能夠達(dá)到的最大速度不斷提高,但峰值過后的衰減幅度也不斷擴(kuò)大。以 α = 120°和 α = 160°為例,后者最大速度高出前者17.2%,100 μs 時(shí)速度衰減幅度高出前者19.5%。因此,僅從速度方面考慮,α值較大的藥型罩更有利于提升EFP 在水中的毀傷性能。
圖10 不同α 值EFP 的速度-時(shí)間曲線Fig. 10 v-t curves of EFP with different α values
圖11 α值與EFP 最大速度的關(guān)系Fig. 11 Variation of α values with vmax of EFP
圖12 為 α值在140°~160°區(qū)間時(shí),EFP 在水中穩(wěn)定成型后的形狀。由圖12 可以清楚看出,隨著 α值的增大,彈丸形狀呈“蜷縮化”趨勢,越來越接近于球狀。當(dāng) α ≥ 150°時(shí),EFP 頭部扁平化,導(dǎo)致速度方向的受力面過大,非常不利于在水中的運(yùn)動(dòng)及侵徹,這也解釋了圖10 中 α值越大則速度衰減幅度越大的現(xiàn)象。綜合以上分析, α值取145°能夠較好地兼顧EFP 的速度與形狀,實(shí)現(xiàn)性能的優(yōu)化。
圖12 不同α 值對應(yīng)的EFP 形狀Fig. 12 EFP shapes corresponding to different α values
2.2.3 壁 厚
在2~6 mm 區(qū)間內(nèi)每隔0.5 mm 選取一組壁厚 δ值,對這9 種工況展開仿真。圖13 為不同壁厚對應(yīng)的速度曲線,圖14 為壁厚 δ與EFP 最大速度關(guān)系曲線。計(jì)算結(jié)果表明,不同 δ值對應(yīng)的EFP 在速度方面具有較大差異,總體規(guī)律表現(xiàn)為:隨著厚度 δ的增加,EFP 的最大速度不斷降低,但速度衰減幅度也相應(yīng)減小。根據(jù)圖14 可以看出,在 δ值增加的初始階段,vmax迅速下降,說明此階段 δ值對EFP 速度具有較強(qiáng)的影響力。當(dāng)δ > 3.0 mm 時(shí),vmax衰減幅度趨于平緩。δ = 2.0 mm 與δ = 3.0 mm 兩種工況相比,最大速度差值為1 009.5 m/s,前者高出后者49.7%;而δ = 5.5 mm 與δ = 6.0 mm 兩種工況相比,最大速度差值為83.1 m/s,前者僅高出后者6.4%。因此,選擇δ = 2.0 mm 作為藥型罩壁厚較為合適。
圖13 不同δ 值EFP 的速度-時(shí)間曲線Fig. 13 v-t curves of EFP with different δ values
圖14 δ值與EFP 最大速度的關(guān)系Fig. 14 Variation of δ values with vmax of EFP
空氣域?yàn)镋FP 的加速運(yùn)動(dòng)過程提供了空間條件,若空氣域過短,則EFP 無法充分成型提速;反之,則會(huì)造成武器內(nèi)部空間的浪費(fèi)。因此,選擇合適的空氣域長度對EFP 的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。在空氣域長度R~4R范圍內(nèi)等份選取7 組工況進(jìn)行仿真(此處空氣域長度通過Lcavity/R刻畫,即裝藥半徑倍數(shù))。圖15 為不同空氣域長度對應(yīng)的EFP 速度曲線,圖16 為空氣域長度與EFP 最大速度的關(guān)系曲線。計(jì)算結(jié)果表明:不同Lcavity/R值的工況,速度曲線在前0.025 ms 內(nèi)的變化趨勢相同;當(dāng)EFP 進(jìn)入水中后,速度開始急劇下降,衰減規(guī)律也近似。隨著空氣域長度的增加,EFP 速度衰減的時(shí)間點(diǎn)不斷推遲,其能夠達(dá)到的最大速度也有所提升。由圖16 可知,當(dāng)Lcavity/R< 3 時(shí),隨著空氣域長度變大,EFP 最大速度不斷增加,但增幅減緩;當(dāng)Lcavity/R≥ 3 后,EFP 最大速度趨于穩(wěn)定,此時(shí)空氣域長度不再是限制速度提升的因素。因此,選取空氣域長度為3 倍的裝藥半徑比較合適。
圖15 不同Lcavity/R 值EFP 的速度-時(shí)間曲線Fig. 15 v-t curves of EFP with different Lcavity/R values
圖16 Lcavity/R 值與EFP 最大速度的關(guān)系Fig. 16 Variation of Lcavity/R values with vmax of EFP
多點(diǎn)起爆對EFP 成型具有較大影響,合理設(shè)置起爆半徑能夠有效提升EFP 性能。r在0~0.8R范圍內(nèi)等份選取5 組工況開展仿真研究(r= 0 時(shí)為單點(diǎn)中心起爆)。圖17 為不同起爆半徑r對應(yīng)的EFP 速度曲線,圖18 為起爆半徑r與EFP 最大速度的關(guān)系曲線。由圖17 可知,起爆半徑r對EFP 速度的影響主要表現(xiàn)在加速階段,在該階段中,起爆半徑r較大的曲線位于上方;而當(dāng)EFP 進(jìn)入水中后,5 條速度曲線呈現(xiàn)相似的衰減規(guī)律。0.18 ms 時(shí),不同r值的EFP 速度均處于600 m/s 附近。根據(jù)圖18 可得,隨著起爆半徑r的增加,EFP 的最大速度不斷提升。因此,根據(jù)速度指標(biāo),應(yīng)盡量選用較大的r值。
圖17 不同r/R 值EFP 的速度-時(shí)間曲線Fig. 17 t-v curves of EFP with different r/R values
圖18 r/R 值與EFP 最大速度的關(guān)系Fig. 18 Variation of r/R values with vmax of EFP
圖19 展示了r為0.4R、0.6R、0.8R時(shí)EFP 的成型過程。同一組工況下,EFP 在前50 μs 內(nèi)長徑比不斷增大,成型過程與空氣中相似;到60 μs 時(shí),EFP 受到水的阻力,開始出現(xiàn)坍縮現(xiàn)象,頭部變得扁平。對比不同r值的圖像可以發(fā)現(xiàn),隨著r值的增加,EFP 頭部逐漸出現(xiàn)撕裂,且在60 μs 時(shí)刻彈體出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象(見r= 0.6R和r= 0.8R圖像),而r= 0.4R時(shí)則保持了較好的形態(tài)。綜合以上分析,r取0.4R比較合適。
圖19 不同r 值對應(yīng)的EFP 形狀Fig. 19 EFP shapes corresponding to different r values
經(jīng)過以上仿真分析,得到了一組優(yōu)化后的EFP 設(shè)計(jì)參數(shù),具體數(shù)據(jù)見表7。
表7 優(yōu)化后的EFP 參數(shù)Table 7 Optimized EFP parameters
表8 展現(xiàn)了優(yōu)化前后EFP 的速度v、長徑比L/D及動(dòng)能Ek3 項(xiàng)指標(biāo)的具體值,并與文獻(xiàn)[2]中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。結(jié)果表明:優(yōu)化前,藥型罩在爆轟波和水的雙重作用下,中心區(qū)域出現(xiàn)撕裂,整體形態(tài)不利于克服水的阻力,嚴(yán)重降低了運(yùn)動(dòng)速度,其最大速度僅為1 947.7 m/s,長徑比為0.39,動(dòng)能為1.50 × 105J;經(jīng)過優(yōu)化的藥型罩能夠形成穩(wěn)定的錐狀頭部,有效克服了水中的阻力效應(yīng),最大速度可達(dá)3 204.6 m/s,長徑比為0.73,動(dòng)能為3.64 × 105J。相比優(yōu)化前,速度提升了64.5%,長徑比增加0.87,動(dòng)能提升142.7%。說明優(yōu)化過程使EFP 在速度、形態(tài)及能量方面均得到了一定的提升。
表8 優(yōu)化前后效果對比Table 8 Effect comparison before and after optimization
基于AUTODYN 有限元軟件,對水下EFP 聚能裝藥設(shè)計(jì)開展優(yōu)化,重點(diǎn)針對裝藥及藥型罩兩處核心部件進(jìn)行了仿真研究,分析了裝藥種類及長徑比、藥型罩材料、切向錐角、壁厚空氣域長度、起爆半徑等因素對EFP 水下成型的影響。
(1)裝藥質(zhì)量一定的情況下,EFP 最大速度隨著長徑比的增加呈先增后減的趨勢,當(dāng)L/D取1.5 時(shí),EFP 能夠獲得較高的運(yùn)動(dòng)速度;裝藥的爆速能夠有效提升彈丸速度,在設(shè)計(jì)時(shí)可以通過選用HMX 等高能炸藥提升EFP 性能。
(2)選取紫銅作為藥型罩材料,EFP 能夠獲得較高的運(yùn)動(dòng)速度,且速度衰減幅度較小;切向錐角 α越大,EFP 最大速度越高,當(dāng) α = 145°時(shí),能夠兼顧運(yùn)動(dòng)速度與彈丸形狀;增加藥型罩壁厚δ,會(huì)導(dǎo)致EFP 最大速度下降,當(dāng)δ = 2 mm 時(shí),EFP 速度顯著提升;空氣域長度選取3 倍裝藥半徑、起爆半徑選取0.4 倍裝藥半徑比較合適。
(3)優(yōu)化后的EFP 最大速度、長徑比及動(dòng)能相比原設(shè)計(jì)均有顯著提升,說明仿真優(yōu)化手段在EFP 設(shè)計(jì)方面能夠起到一定的借鑒意義。