新型聚能裝藥球缺藥型罩的優(yōu)化設(shè)計

徐夢林,印立魁,盛 鵬,馬 林,楊 芮,付建平 ,王維占

(1.中北大學 機電工程學院, 太原 030051; 2.中北大學 地下目標毀傷技術(shù)國防重點學科實驗室, 太原 030051; 3.南陽北方紅宇機電制造有限公司, 河南 南陽 474675; 4.中國兵器工業(yè)試驗測試研究院, 陜西 華陰 714200)

0 引言

聚能裝藥作為一種產(chǎn)生高能量密度的技術(shù),在軍事領(lǐng)域得到了廣泛的應用[1-2]。現(xiàn)代戰(zhàn)場軍事目標復雜多樣,通過適當技術(shù)途徑使一種戰(zhàn)斗部具有多種毀傷模式,并根據(jù)目標類別可選擇地以最佳方式進行毀傷具有重要的應用價值[3]。

基于此,多模聚能裝藥結(jié)構(gòu)成為很多學者的研究對象。徐斌等[4]提出一種新型聚能裝藥結(jié)構(gòu),通過添加直線型輔助裝置改變射流碰撞區(qū)域,分析了該輔助裝置對形成桿式射流的可行性;徐文龍等[5-6]針對其提出的超聚能射流裝藥結(jié)構(gòu)進行分析,研究了相關(guān)侵徹體的成型及侵徹機理,能兼顧高穿深和大開孔;王一凡等[7]基于文獻[4]的輔助裝置進行改進,探究了輔助裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)對侵徹體成型的影響。

新型聚能裝藥結(jié)構(gòu)中的輔助裝置和藥型罩對聚能侵徹體的成型都有重要影響。本文中針對文獻[7]的裝藥結(jié)構(gòu),對藥型罩材料、結(jié)構(gòu)參數(shù)對新型裝藥侵徹體的性能影響進行了深入的仿真研究,得到相關(guān)規(guī)律,能為該型聚能裝藥藥型罩的設(shè)計優(yōu)化提供參考。

1 戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)

新型聚能裝藥結(jié)構(gòu)是由傳統(tǒng)裝藥結(jié)構(gòu)和外接輔助裝置組成,具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。由殼體、B炸藥、藥型罩、輔助裝置等組成。裝藥直徑D=60 mm,罩頂裝藥高度H=50 mm,藥型罩為等壁厚球缺罩,壁厚為h,球缺曲率半徑為R。輔助裝置內(nèi)外半徑均為69.08 mm,橫向?qū)挾葹? mm,開口直徑為7 mm。

2 數(shù)值模擬

2.1 有限元模型、材料模型和參數(shù)

用LSDYNA-2D對新型聚能裝藥進行仿真。仿真模型如圖2所示。仿真模型是軸對稱結(jié)構(gòu),采用軸對稱模型。模型中炸藥、藥形罩、空氣采用ALE算法,殼體和輔助裝置采用lagrange算法,它們之間采用流固耦合算法[8],網(wǎng)格尺寸為1 mm。單位制采用cm-g-μs,起爆方式采用端面中心點起爆。

圖1 新型聚能裝藥幾何模型示意圖

圖2 裝藥結(jié)構(gòu)1/2仿真模型

炸藥為8701,采用HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型和JWL狀態(tài)方程來描述;

其中:E為單位初始體積內(nèi)能;v為比體積;A、B、R1、R2、ω為常數(shù),其中,方程式右端第1項在高壓段起作用,第2項在中壓段起主要作用,第3項在低壓段起主要作用[9]。炸藥為8701主要參數(shù)值如表1所示,取自文獻[10]。

表1 8701材料參數(shù)

藥型罩主要參數(shù)值見表2[11-12];殼體材料為鋼,材料參數(shù)見表3,空氣為NULL模型和GRUNEISEN狀態(tài)方程共同描述[13];輔助裝置材料選用高密度鎢,選用PLASTIC_KINEMATIC材料模型,參數(shù)見表4,取自文獻[14];靶板材料為45#鋼,具體參數(shù)見表5[15-16]。

表2 銅、鉭、鐵3種藥型罩材料參數(shù)

表3 鋼殼體材料參數(shù)

表4 鎢材料參數(shù)

表5 45#鋼靶材料參數(shù)

為了驗證模型參數(shù)的可靠性,進行了數(shù)值模擬驗證,將數(shù)值模擬數(shù)據(jù)與文獻[17]中的試驗數(shù)據(jù)進行對比,具體對比結(jié)果見圖3。

圖3 數(shù)值模擬與試驗數(shù)據(jù)對比Fig.3 Comparison of numerical simulation and experimental data

從圖3可知,仿真結(jié)果數(shù)據(jù)與文獻[17]的試驗數(shù)據(jù)之間,最大相對誤差為8.62%,最小相對誤差為0.63%。數(shù)值模擬結(jié)果與文獻[17]數(shù)據(jù)吻合性較好,為后續(xù)研究開展奠定基礎(chǔ)。

2.2 新型聚能裝藥成型過程數(shù)值模擬

新型聚能裝藥成型受球缺藥型曲率、壁厚及材料的影響?，F(xiàn)以球缺曲率R為1.5D、壁厚為0.05D的銅球缺藥型罩作為示例(圖4),來展示新型聚能裝藥成型的數(shù)值過程。圖5為無輔助裝置聚能裝藥成型過程,其藥型罩結(jié)構(gòu)參數(shù)與材料皆與圖4一致。

圖4為新型聚能裝藥成型過程。在16 μs時,藥型罩在爆轟產(chǎn)物作用下,開始壓垮。輔助裝置因離炸藥位置較遠,且材料密度大,初始位置和姿態(tài)受爆轟產(chǎn)物作用影響較小,故保持相對靜止狀態(tài);24 μs時,藥型罩形成了初始形態(tài)的EFP(爆炸成型彈丸)。在32 μs時,EFP撞上輔助裝置。在收口結(jié)構(gòu)的輔助裝置作用下,EFP開始向內(nèi)匯聚、碰撞加速,使得EFP速度梯度進一步擴大,長徑比增大,開始向JPC(桿式射流)或JET(射流)轉(zhuǎn)變。40 μs時,輔助裝置變形失效,EFP完成了向JPC(桿式射流)或JET(射流)的轉(zhuǎn)變,形成了穩(wěn)定形態(tài)的JPC(桿式射流)或JET(射流),實現(xiàn)了毀傷元間的轉(zhuǎn)換。

圖4 新型聚能裝藥成型過程

圖5為無輔助裝置聚能裝藥成型過程。在24 μs前,成型過程與圖4一致;32 μs時,形成了EFP侵徹體;在40 μs時,EFP尾裙內(nèi)縮,形成了穩(wěn)定的侵徹形態(tài)。

圖4和圖5成型過程對比可知:新型聚能裝藥結(jié)構(gòu)中的輔助裝置,能使EFP轉(zhuǎn)化成JPC或JET,實現(xiàn)了毀傷元間的轉(zhuǎn)換。

3 結(jié)果及分析

3.1 球缺曲率對射流成型及侵徹性能的影響

為了探究球缺曲率R對新型裝藥結(jié)構(gòu)射流成型的影響,在藥型罩壁厚為h=0.05D(mm),罩材為銅,罩頂裝藥高度為50 mm,輔助裝置結(jié)構(gòu)、材料參數(shù)不變的條件下,僅改變藥型罩球缺曲率R,依次進行數(shù)值模擬,具體結(jié)果見表6。其中R/D為無量綱球缺曲率與裝藥直徑的比值;Va、Vb為射流頭、尾部速度;射流頭、尾部直徑為Da、Db;L為射流長度;S為侵徹45#鋼靶極限深度(炸高為2D)。

表6為不同球缺曲率條件下,40 μs時刻射流形態(tài)參數(shù)與速度云圖。

由表6分析可知:在藥型罩壁厚為3 mm,材料為銅,輔助裝置結(jié)構(gòu)、材料參數(shù)不變的條件下,R/D的取值不同,會產(chǎn)生JPC(桿式射流)或JET(射流)2種不同的聚能射流形態(tài)。R/D值<2時,新型聚能裝藥會形成JPC(桿式射流),當R/D值≥2時,則形成JET(射流)。

取表6中R/D=1.75、2.25兩組典型工況,從26～34 μs,新型聚能裝藥形成EFP(速度云圖)與輔助裝置作用過程,具體見圖6。

表6 不同球缺曲率條件下仿真結(jié)果對比

圖6 R/D=2.25、1.75典型工況侵徹體與輔助裝置作用過程圖

從圖6可知,在R/D=1.75工況中,輔助裝置與形成的EFP相互作用,最終使得EFP轉(zhuǎn)換成了JPC(桿式射流);而在R/D=2.25工況中,輔助裝置使EFP轉(zhuǎn)換成了JET(射流)。從圖6中可看出,在28 μs時刻,相比R/D=2.25工況而言,R/D=1.75工況形成的EFP,在輔助裝置開口中心區(qū)域的速度梯度更大,在通過輔助裝置收口結(jié)構(gòu)時,因存在較大的速度差,EFP中心區(qū)域質(zhì)量會率先通過收口,兩側(cè)的質(zhì)量與其進行擠壓、碰撞加速不夠充分,故而產(chǎn)生頭部速度較小、直徑較大的桿式射流。而R/D=2.25工況形成的EFP,在輔助裝置開口中心區(qū)域的速度梯度較小,在通過輔助裝置收口結(jié)構(gòu)時,EFP中心區(qū)域質(zhì)量會與兩側(cè)的質(zhì)量進行充分的匯聚、擠壓、碰撞加速,使得頭部速度明顯增大,速度梯度增大,最終形成射流。由表6可知,隨著R/D取值的不斷增大,在28 μs時刻形成的EFP,在輔助裝置開口中心區(qū)域速度梯度越小,EFP在輔助裝置收口結(jié)構(gòu)處的碰撞加速效果越明顯,越容易形成射流。所以,可推想,在輔助裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)確定的條件下,必然存在一個使得桿式射流轉(zhuǎn)變?yōu)樯淞鱎/D臨界值。R/D=2即屬本文轉(zhuǎn)變臨界值。

圖7為射流頭部速度Va隨R/D變化曲線圖。從圖7得知,隨著R/D值的不斷增大,射流頭部速度先迅速增加,后緩慢下降。在R/D值為2.5時,射流頭部速度達到最大值 7 310 m/s。在R/D值≤2.5時,隨著R/D值的增大,射流頭部速度的增大,是由于輔助裝置收口結(jié)構(gòu)對射流頭部速度的增益效果。當R/D值>2.5,R/D值的繼續(xù)增大,使得形成的EFP在與輔助裝置作用前,尾翼不斷增大,尾翼動能在總能量中占比不斷增大,使得有效形成射流部分的動能減少,故而使得射流頭部速度緩慢下降。

圖7 射流頭部速度Va隨R/D變化曲線

圖8為侵徹深度S隨R/D變化曲線圖。由圖8得知,隨著R/D值的不斷增大,極限侵徹深度S的變化趨勢大致為:先快速增加,后緩慢下降。在R/D值為2.5時,極限侵徹深度S達到最大值263.8 mm,近4.4倍裝藥直徑。R/D值從1.25增加至1.75時,極限侵徹深度S快速增加;當R/D值從1.75增加至2.25,極限侵徹深度S基本保持不變,R/D值從2.5增加至4時,極限侵徹深度S緩慢下降,最終基本保持不變。極限侵徹深度S、射流頭部速度Va隨R/D變化趨勢基本保持一致。

圖8 侵徹深度S隨R/D變化曲線圖

3.2 藥型罩厚度對射流成型及侵徹性能的影響

為了探究藥型罩厚度h對新型聚能裝藥成型影響,在R/D為2.5,藥型罩材料為銅,罩頂裝藥高度為50 mm,輔助裝置結(jié)構(gòu)、材料參數(shù)不變的條件下,僅改變藥型罩厚度h,依次進行數(shù)值模擬,具體結(jié)果見表7。

由圖9分析可知:侵徹深度S隨著h/D值的增大,先增大,后減少。h/D從0.017增加到0.033,侵徹深度不斷增加;當h/D為0.033時,侵徹深度S達到最大值292.1 mm,約為5倍裝藥直徑;h/D繼續(xù)從0.033增加到0.1,侵徹深度S不斷下降。之所以如此,主要有3方面原因:在裝藥量一定的條件下,藥型罩厚度h越小,與輔助裝置作用前所形成的EFP速度越高,在輔助裝置收口匯聚作用下,射流頭部速度提升效果越明顯;藥型罩厚度h越小,所形成的EFP與輔助裝置作用之后,產(chǎn)生射流的杵體質(zhì)量越小,提高了射流有效侵徹質(zhì)量;當藥型罩厚度小至h/D=0.033時,若繼續(xù)減少,與爆轟產(chǎn)物、輔助裝置作用后,藥型罩剩余質(zhì)量過少,降低了射流的侵徹能力。綜上,藥型罩厚度為h=0.033D時,侵徹效果最優(yōu)。

表7 不同藥型罩厚度條件下仿真結(jié)果對比

圖9 侵徹深度S隨h/D變化曲線

3.3 藥型罩材料對射流成型及侵徹性能的影響

為了探究藥型罩材料對新型聚能裝藥射流成型及侵徹性能影響,在R/D為2.5,藥型罩厚度h=0.033D,罩頂裝藥高度為50 mm,輔助裝置結(jié)構(gòu)、材料參數(shù)不變的條件下,僅改變藥型罩材料,依次進行數(shù)值模擬,具體結(jié)果見表8。

表8 不同藥型罩材料條件下仿真結(jié)果對比

由圖10可知,藥型罩材料為銅時,形成的射流侵徹深度最大,S=292.1 mm;鐵藥型罩形成的射流侵徹深度次之,S為259.3 mm;鉭藥型罩形成的侵徹體,侵徹性能最差,侵徹深度S=226.7 mm。鉭材料藥型罩形成的侵徹體,因材料的流動性較差,在輔助裝置收口結(jié)構(gòu)作用下,材料的碰撞加速效果不明顯,以致侵徹性能較差。所以,新型裝藥結(jié)構(gòu)球缺藥型罩采用銅材料侵徹性能最優(yōu)。

圖10 藥型罩材料與侵徹深度S關(guān)系柱形圖

4 結(jié)論

運用LSDYNA-2D對新型聚能裝藥結(jié)構(gòu)進行系列數(shù)值模擬,采用控制變量法,探究出藥型罩材料、結(jié)構(gòu)參數(shù)等因素對新型裝藥結(jié)構(gòu)性能的具體影響,進而對球缺藥型罩進行優(yōu)化設(shè)計,得出以下結(jié)論:新型聚能裝藥結(jié)構(gòu)中的輔助裝置,能使EFP轉(zhuǎn)化成JPC或JET,實現(xiàn)了毀傷元間的轉(zhuǎn)換;球缺藥型罩曲率R<2D,新型聚能裝藥會形成JPC(桿式射流),球缺藥型罩曲率R≥2D時,則形成JET(射流);球缺藥型罩最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)與材料組合為:球缺曲率R=2.5D、厚度h=0.033D、銅藥型罩材料。此時,侵徹深度S達到最大值 292.1 mm,約為5倍裝藥直徑。