起爆方式及隔爆層對殺爆戰(zhàn)斗部破片初速的影響

賀亮亮,尹建平,伊建亞

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 太原 030051)

0 引言

現(xiàn)代城市作戰(zhàn)中,為了盡可能降低對非目標(biāo)人員或設(shè)施等的附帶傷害,需要一種既能高效毀傷敵方目標(biāo),又可以盡量減小附帶損傷的戰(zhàn)斗部。面對這一需求,威力可調(diào)破片戰(zhàn)斗部應(yīng)運而生。

LI Yuan等[1]仿真得到了六棱柱戰(zhàn)斗部采用多點起爆方式時的破片飛散速度及分布情況。史志鑫等[2]仿真研究獲得了多種起爆方式對預(yù)制破片速度和飛散方向角的影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)兩端環(huán)起爆時預(yù)制破片的平均速度最高,平均飛散方向角最小。董曉亮等[3]研究了破片材料、類型等對預(yù)制破片飛散特性的影響。沈慧銘[4]建立了圓柱形裝藥多點起爆時爆轟模型,并將其應(yīng)用于定向破片戰(zhàn)斗部。沈楊梅等[5]研究了殼體厚度和中心裝藥直徑對破片特性的影響,發(fā)現(xiàn)內(nèi)外同時起爆相比中心起爆,破片平均速度提高了27.1%。周唯瀟等[6]研究了起爆點位置、起爆直徑等對復(fù)合戰(zhàn)斗部毀傷元成型和能量輸出的影響,發(fā)現(xiàn)增大起爆半徑以及采用軸向陣列起爆可以提高預(yù)制破片的最大速度。洪曉文等[7]研究了復(fù)合裝藥下沖擊波對砌體墻的破壞效果。王瑤等[8]研究了中心單點起爆條件下多種形狀預(yù)制破片飛散速度的變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)同等條件下扇形破片的飛散速度最高。

以上文獻(xiàn)研究中裝藥大多采用單一裝藥,本文將復(fù)合裝藥技術(shù)應(yīng)用于威力可調(diào)破片戰(zhàn)斗部,仿真研究了起爆方式、隔爆層厚度及材料對預(yù)制破片速度的影響規(guī)律,定量分析了3種隔爆材料對沖擊波衰減性能,可為威力可調(diào)破片戰(zhàn)斗部的深入研究提供參考。

1 仿真模型與研究方案

1.1 破片戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)及仿真模型

采用AUTODYN-3D軟件進(jìn)行戰(zhàn)斗部預(yù)制破片成型過程數(shù)值模擬。戰(zhàn)斗部口徑122 mm,裝藥長徑比為1。立方體破片邊長6.1 mm,質(zhì)量4 g。破片單排排列,共有18層,總計648枚破片。中心層B炸藥,爆速7 980 m/s。外層鈍黑鋁炸藥,爆速8 270 m/s。內(nèi)襯和殼體均為4 340 steel。預(yù)制破片材料為鎢合金,密度17.5 g/cm3?？紤]到模型對稱性,采用1/4部分進(jìn)行數(shù)值仿真計算。炸藥、空氣域和聚氨酯材料均采用Euler算法,內(nèi)襯,預(yù)制破片和殼體運用拉格朗日算法描述,不同算法之間設(shè)置流固耦合方式。戰(zhàn)斗部有限元模型如圖1所示。

1.2 強(qiáng)度模型及狀態(tài)方程

炸藥、聚氨酯、殼體以及破片所使用的強(qiáng)度模型和狀態(tài)方程如表1所示。JOHNSON_COOK材料模型[9]適合描述高應(yīng)變率以及大變形對金屬材料強(qiáng)度的影響,在高速沖擊問題中得到了廣泛應(yīng)用,其表達(dá)式為:

(1)

式中:A為材料屈服強(qiáng)度;B為材料應(yīng)變硬化常數(shù);N為應(yīng)變硬化指數(shù);m為熱軟化系數(shù);C為應(yīng)變率硬化系數(shù);T0為初始溫度;Tm為金屬熔點。

圖1 復(fù)合裝藥破片戰(zhàn)斗部有限元模型

殼體和破片的材料參數(shù)如表2所示[11]。當(dāng)采用中心單點起爆方式時,使用點火增長模型[10]來描述外層裝藥在爆轟波的作用下被沖擊起爆的過程,而采用內(nèi)外3點起爆方式時,內(nèi)外層裝藥均使用JWL方程來描述。JWL方程表達(dá)式為[6]:

(2)

式中:p為爆轟氣體產(chǎn)物壓力;V為產(chǎn)物相對比容;E為產(chǎn)物的比內(nèi)能;R1和R2為炸藥相關(guān)的常數(shù)。高低爆速炸藥的一些參數(shù)如表3所示[12]。

表1 各組成部分使用的材料模型和狀態(tài)方程

表2 殼體和破片的材料參數(shù)

表3 炸藥JWL方程參數(shù)

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

本文研究中心單點和內(nèi)外3點2種起爆方式下,隔爆層厚度及材料對殺傷戰(zhàn)斗部預(yù)制破片速度的影響規(guī)律。中心單點起爆和內(nèi)外3點起爆示意圖如圖2所示。圖2中紅點所示位置為起爆點。

圖2 預(yù)制破片戰(zhàn)斗部不同起爆位置示意圖

2.1 2種起爆方式下破片形成過程

為了研究2種起爆方式下預(yù)制破片速度的變化規(guī)律,對比分析了2種起爆方式下爆轟波的傳播以及對破片的驅(qū)動加速過程,具體如圖3、圖4所示。

圖3 中心單點起爆時爆轟波傳播及破片加速過程

當(dāng)采用中心單點起爆方式時,從圖3可以得到,在T=3 μs時,由起爆位置形成的爆轟波以球面波的形式傳播到隔爆層;T=10 μs時,部分高爆速鈍黑鋁炸藥被透過隔爆層的爆轟波沖擊起爆發(fā)生爆轟反應(yīng);T=12 μs時,越來越多的外層炸藥發(fā)生爆轟,形成的爆轟波傳到內(nèi)襯材料,開始擠壓內(nèi)襯使其發(fā)生變形;T=21 μs時,破片徑向壓縮,周向伸長,導(dǎo)致破片間的間隙進(jìn)一步縮小,這將阻止爆轟產(chǎn)物過早泄漏,有利于提高破片初速;T=32 μs時,殼體破碎形成自然破片,大量高溫高壓氣體從縫隙處泄漏,在爆轟氣體的驅(qū)動下,破片速度逐漸提高;T=100 μs,預(yù)制破片速度不再增加。

圖4 內(nèi)外3點起爆時爆轟波傳播及破片加速過程

采用內(nèi)外3點起爆時,由圖4可知,T=3 μs時,炸藥起爆形成的爆轟波入射到聚氨酯材料;T=6 μs時,外層高爆速炸藥的2個起爆點形成的爆轟波發(fā)生正碰撞,從碰撞區(qū)域形成2道沖擊波向周圍傳播出去,逐漸擠壓內(nèi)襯使其發(fā)生變形;T=11 μs時,高爆速炸藥形成的爆轟波在戰(zhàn)斗部軸線位置發(fā)生碰撞,強(qiáng)烈壓縮內(nèi)層低爆速炸藥的爆轟產(chǎn)物,碰撞區(qū)域的壓力在極短時間內(nèi)升高到30 GPa以上;T=16 μs時,預(yù)制破片周向伸長導(dǎo)致周向形變量逐漸增大,間隙發(fā)生閉合;T=22 μs時,周向形變量達(dá)到最大,間隙恢復(fù),爆轟氣體從間隙溢出,殼體開始碎裂為自然破片;T=100 μs時,破片速度穩(wěn)定,呈燈籠狀向四周飛散。

2.2 起爆方式和隔爆層厚度對破片速度的影響

破片的初速是評價預(yù)制破片戰(zhàn)斗部殺傷效能的關(guān)鍵指標(biāo)之一[13]。

計算得到了不同起爆方式和不同隔爆層厚度下,戰(zhàn)斗部爆炸后預(yù)制破片飛散情況。由前述章節(jié)分析得到,T=150 μs時,破片總動能保持穩(wěn)定,即破片速度已經(jīng)達(dá)到最大值。通過數(shù)據(jù)整理,得到了戰(zhàn)斗部預(yù)制破片速度如圖5所示。

圖5 不同隔爆層厚度破片速度曲線

由圖5可以看到:

1) 立方體破片在中心單點起爆方式下的平均速度小于內(nèi)外3點起爆方式下的平均速度。在隔爆層厚度為4、6、8、10和12 mm時,內(nèi)外3點起爆時破片速度比中心單點起爆時分別提高16%、15%、13%、11%和8%,即2種起爆方式下破片毀傷元速度輸出有明顯區(qū)別。這主要是因為相比于單點起爆,內(nèi)外3點起爆時內(nèi)外層炸藥產(chǎn)生的爆轟波會發(fā)生多次碰撞,碰撞區(qū)域壓力會急劇上升,達(dá)到數(shù)十GPa,從而更加強(qiáng)烈地驅(qū)動破片高速飛散。這表明改變起爆方式是調(diào)節(jié)復(fù)合裝藥破片戰(zhàn)斗部毀傷威力的一種有效途徑。

2) 采用相同起爆方式時,破片的平均速度隨著隔爆層厚度的增加逐漸降低。內(nèi)外3點起爆方式下,隔爆層厚度由4 mm增加到12 mm時,立方體破片平均速度由909 m/s降低至753 m/s,降低了17%。

進(jìn)一步,為了討論隔爆層厚度對破片速度大小的影響機(jī)理,在外層裝藥中沿軸線方向每隔20 mm設(shè)置一個高斯點,用于觀察裝藥反應(yīng)情況。ALPHA表征炸藥反應(yīng)度,取值為0,表示未發(fā)生反應(yīng);取值在0～1,表示不完全反應(yīng);取值為1,則表示炸藥反應(yīng)完全。圖6為中心單點起爆方式下,隔爆層厚度d2取4、6、8、10、12 mm時,外層裝藥各觀測點反應(yīng)度隨時間變化曲線。

圖6 不同隔爆層厚度時外層裝藥反應(yīng)度曲線

對比分析圖6(a)—圖6(e)可以得到,在中心單點起爆方式下,隔爆層厚度為4 mm和6 mm時,外層炸藥被內(nèi)層炸藥爆轟波沖擊引爆;隔爆層厚度為8 mm和10 mm時,外層裝藥未全部發(fā)生爆轟;而隔爆層厚度為12 mm時,外層裝藥沒有發(fā)生爆轟,導(dǎo)致獲得的破片速度是最低的。因此為了改變外層裝藥能量輸出[7],調(diào)節(jié)破片毀傷元速度,可將隔爆層厚度選擇為8～10 mm,即d1/d2=2～2.5。

2.3 隔爆層材料對爆轟波衰減特性研究

隔爆層可以吸收爆轟波能量,衰減波陣面壓力,從而影響外層裝藥能量釋放。不同材料制成的隔爆層對沖擊波衰減能力不同,在上述研究的基礎(chǔ)上,選用隔爆層厚度為10 mm,對聚氨酯、尼龍和鋁等3種材料的隔爆性能進(jìn)行對比分析。沿隔爆層軸線方向共設(shè)置6個觀測點,每2個觀測點間距20 mm,獲取各觀測點處的沖擊波壓力變化曲線,如圖7所示。

對圖7進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),隔爆層材料為尼龍和聚氨酯時,觀測點壓力曲線峰值較小,分別為5.5 GPa和6.2 GPa,數(shù)值較為接近;隔爆層材料為鋁時,觀測點壓力曲線峰值最大,為9.7 GPa。表明聚氨酯和尼龍材料對沖擊波的衰減性能較強(qiáng),而鋁對沖擊波的衰減能力較弱。在選擇威力可調(diào)破片戰(zhàn)斗部隔爆材料時,可以考慮使用尼龍或者聚氨酯材料。

圖7 不同隔爆層材料觀測點壓力曲線

3 結(jié)論

數(shù)值模擬研究獲得了中心單點和內(nèi)外3點2種起爆方式下不同隔爆層厚度及材料對立方體破片速度的影響規(guī)律并對比分析了3種隔爆材料對爆轟波衰減性能,結(jié)果表明:

1) 中心單點和內(nèi)外3點2種起爆方式下形成的破片毀傷元速度存在明顯差異,隔爆層厚度取4、6、8、10和12 mm時,內(nèi)外3點起爆時破片速度比中心單點起爆時分別提高16%、15%、13%、11%和8%。

2)隔爆層厚度對外層裝藥能量輸出影響較大。中心單點起爆下,隔爆層厚度d2為4 mm和6 mm時,外層裝藥被完全沖擊起爆,炸藥能量全部釋放;d2為8 mm和10 mm時,炸藥未全部爆轟;d2為12 mm時,炸藥未發(fā)生爆轟,能量釋放最少。因此為了改變外層裝藥能量輸出,調(diào)節(jié)破片毀傷元速度,可將隔爆層厚度選擇為8～10 mm,即d1/d2=2～2.5。

3) 不同隔爆材料對爆轟波衰減性能不同,其中尼龍和聚氨酯的隔爆性能較強(qiáng),鋁的隔爆性能較弱,在實際應(yīng)用中可選擇尼龍或者聚氨酯作為隔爆層材料。