桿式射流侵徹45鋼靶數(shù)值分析及試驗(yàn)研究

趙麗俊,郝永平,黃曉杰,李曉婕

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué)研究生院, 沈陽(yáng) 110159; 2.北方華安工業(yè)集團(tuán)有限公司, 黑龍江 齊齊哈爾 161046)

0 引言

聚能射流對(duì)炸高極其敏感,而聚能桿式射流(JPC),既能降低聚能裝藥戰(zhàn)斗部對(duì)炸高的敏感程度,又能有效毀傷坦克裝甲目標(biāo)。桿式射流的侵徹深度和侵徹孔徑的最佳匹配是其終點(diǎn)毀傷研究的重點(diǎn)[1-3]。對(duì)于桿式射流的研究,徐斌等[4]采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式研究了高速桿式射流成型機(jī)理。曹鵬等[5]采用數(shù)值模擬方法研究了桿式射流對(duì)不同角度不同速度的移動(dòng)靶板侵徹效果,得出桿式射流對(duì)不同條件移動(dòng)靶侵徹效果的一般規(guī)律。周秉文等[6]研究了銅基非晶合金的動(dòng)態(tài)性能并對(duì)其桿式射流進(jìn)行了數(shù)值仿真研究。Huang Fenglei等[7]利用數(shù)值模擬得到的3組射流數(shù)據(jù)來(lái)確定JPC在不同位置的速度分布,并通過(guò)X射線實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值的準(zhǔn)確性。Shakeel abbas rofi等[8]使用一種計(jì)算方法對(duì)JPC在不同間距的射流輪廓進(jìn)行了插值和展示。

然而,以上述學(xué)者為代表,對(duì)桿式射流的研究多集中在成型過(guò)程與侵徹性能的數(shù)值模擬,對(duì)基于侵徹深度和侵徹孔徑匹配的聚能桿式射流戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究極少。為提高JPC戰(zhàn)斗部的毀傷效能,通過(guò)數(shù)值仿真與實(shí)彈試驗(yàn)相結(jié)合的方式,驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性,并給出了一種桿式射流聚能戰(zhàn)斗部威力優(yōu)化的方法。

1 數(shù)值仿真

桿式射流對(duì)有限厚靶板侵徹過(guò)程包括塑性侵徹、剪切帶或崩落拉伸斷面形成、沖塞穿透等3個(gè)階段[9]。高速?zèng)_擊鋼靶過(guò)程涉及材料在高溫、高壓、大變形、大應(yīng)變率等條件下的強(qiáng)非線性和動(dòng)力相互作用,在金屬射流形成過(guò)程中,炸藥和藥型罩發(fā)生劇烈形變,僅靠理論分析和試驗(yàn)很難認(rèn)識(shí)整個(gè)過(guò)程中的沖擊效應(yīng)[10]。采用LS-DYNA多物質(zhì)ALE方法可以模擬桿式射流的形成、發(fā)展及侵徹靶體過(guò)程,而對(duì)于多物質(zhì)ALE方法而言,還需要建立足以覆蓋整個(gè)射流范圍的空氣網(wǎng)格,并且在空氣邊界節(jié)點(diǎn)上施加壓力流出邊界條件,避免壓力在空氣邊界上的反射,而為保持仿真靶標(biāo)與試驗(yàn)靶標(biāo)物理狀態(tài)一致,仿真靶標(biāo)界面不設(shè)置流出邊界條件。

由于聚能裝藥為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu),計(jì)算模型采用1/4結(jié)構(gòu)。在模型的對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束,并對(duì)分析模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,未考慮隔板和殼體對(duì)侵徹體成型情況和侵徹深度的影響,只考慮在炸藥裝藥種類、裝藥量、藥型罩材料和靶體材料等參數(shù)相同條件下進(jìn)行數(shù)值分析,數(shù)值仿真計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值仿真模型

由于球缺藥型罩形成的侵徹體具備開孔直徑大、侵徹深度長(zhǎng)的特點(diǎn),因此藥型罩采用球缺罩結(jié)構(gòu),藥型罩材料選用紫銅,直徑90 mm,炸藥采用JH-2,通過(guò)優(yōu)化藥型罩結(jié)構(gòu)參數(shù)控制侵徹體的形態(tài)及侵徹性能。

數(shù)值仿真選用JH-2炸藥,本構(gòu)模型為高能炸藥爆轟模型,狀態(tài)方程為JWL方程,表達(dá)式為[9]

(1)

藥型罩材料采用紫銅,采用Johnson-Cook本構(gòu)模型,狀態(tài)方程為Steinberg-Gruneisen 狀態(tài)方程,表達(dá)式為[11]

(2)

p=ρ0C2μ+(γ0+aμ)E,μ≤0

(3)

空氣材料模型選用MAT_NULL;狀態(tài)方程選用線性多項(xiàng)式狀態(tài)方程EOS_LINEAR_POLYNOMIAL,空氣密度取1.293 kg/m3。

JH-2炸藥JWL狀態(tài)方程的主要參數(shù)如表1所示;紫銅參數(shù)如表2所示;靶體材料采用45鋼,參數(shù)如表3所示;空氣參數(shù)如表4所示。其中,A為材料準(zhǔn)靜態(tài)下的屈服應(yīng)力;B為應(yīng)變硬化系數(shù);C*為應(yīng)變率敏感系數(shù);n為應(yīng)變硬化指數(shù);m為溫度系數(shù);D為炸藥爆速;PCJ為Chapman-Jouguet壓力。

表1 炸藥JWL狀態(tài)方程參數(shù)

表2 紫銅Gruneisen模型材料參數(shù)

表3 45鋼材料參數(shù)

表4 空氣模型材料參數(shù)

藥型罩材料性能應(yīng)具備高密度、高聲速、高導(dǎo)熱性、高動(dòng)態(tài)延展性和高熔點(diǎn)等性能[12-14]。高密度是為了使形成的桿式射流具有較高的侵徹動(dòng)能,在桿式射流侵徹過(guò)程中,密度是衡量其破甲能力的主要參數(shù),作為藥型罩材料高密度是必要的;高動(dòng)態(tài)延展性是為了保證藥型罩在爆炸載荷的作用下,有利于桿式射流形狀的有效拉長(zhǎng),能夠形成具有一定長(zhǎng)徑比的桿式射流;高熔點(diǎn)是為了保障在桿式射流形成過(guò)程中材料不發(fā)生氣化和能量分散。紫銅是廣泛使用的爆炸成型彈丸藥型罩材料,紫銅密度較大,熔點(diǎn)適中,聲速較高,塑性好且有一定的強(qiáng)度,可形成延展性好,不易斷裂和離散的桿式射流[15],有利于侵徹能力的進(jìn)一步提高。紫銅藥型罩材料的性能參數(shù)見表5。

表5 紫銅藥型罩材料性能參數(shù)

2 仿真結(jié)果分析

2.1 初選方案結(jié)果

對(duì)不同壁厚、不同罩高的4種等壁厚藥型罩設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仿真分析,炸高為3倍裝藥直徑,計(jì)算結(jié)果如圖2所示,不同結(jié)構(gòu)方案對(duì)靶體的侵徹性能參數(shù)對(duì)比見表6。

表6 不同結(jié)構(gòu)方案對(duì)靶體的侵徹性能參數(shù)

圖2 不同方案的計(jì)算結(jié)果

藥型罩方案1壁厚最薄,射流形態(tài)細(xì)長(zhǎng),頭尾距離達(dá)到170.8 mm,侵徹深度為214.4 mm,破甲孔徑僅為13 mm;方案2射流形態(tài)短粗,頭尾距離達(dá)到45.2 mm,侵徹深度為40.6 mm,破甲孔徑最大為40.6 mm;方案3射流形態(tài)較短,頭尾距離達(dá)到67.8 mm,侵徹深度為67.1 mm,破甲孔徑次之為30.8 mm;方案4射流較長(zhǎng),頭尾距離達(dá)到144.9 mm,侵徹深度為154.1 mm,破甲孔徑為17.9 mm。

JPC戰(zhàn)斗部可配用于末敏彈、掠飛攻頂反坦克導(dǎo)彈以及部分反坦克地雷,其形成的桿式射流侵徹體在攻擊坦克裝甲目標(biāo)的頂部和底部等薄弱裝甲方面表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[16]。針對(duì)裝甲目標(biāo)的物理防護(hù)特性,對(duì)桿式射流的侵徹深度要求往往遠(yuǎn)低于普通聚能射流,只需擊穿目標(biāo)頂部或底部薄弱裝甲即可;而為了提高毀傷后效,對(duì)侵徹孔徑的要求往往遠(yuǎn)高于聚能射流。對(duì)于聚能裝藥戰(zhàn)斗部來(lái)說(shuō),侵徹深度與侵徹孔徑互為負(fù)相關(guān)關(guān)系,前者增大則后者減小,前者減小則后者增大。單一追求侵徹深度或孔徑,無(wú)法達(dá)到良好的毀傷效果,為提高毀傷效能,需從上述4個(gè)方案中選出侵徹深度和孔徑匹配最為合理的方案。從鄭斌等[17]、張渝[18]和王秉政[19]的研究可知,現(xiàn)役典型裝甲目標(biāo)頂部和底部等薄弱處均質(zhì)裝甲的等效厚度介于10～60 mm,而黃正祥[20]的研究證實(shí),對(duì)于聚能裝藥戰(zhàn)斗部形成的侵徹體,均質(zhì)裝甲鋼穿深相對(duì)45鋼穿深的等效系數(shù)介于1～1.9。因此,要可靠擊穿各型裝甲目標(biāo)的頂部或底部薄弱裝甲,桿式射流對(duì)45鋼的侵徹深度應(yīng)保證大于114 mm。經(jīng)對(duì)4種方案仿真結(jié)果對(duì)比分析,對(duì)穿深和孔徑進(jìn)行綜合考慮,認(rèn)為方案1對(duì)45鋼的侵徹深度雖然大于方案4,但其侵徹孔徑卻明顯小于方案4,這會(huì)直接導(dǎo)致對(duì)裝甲目標(biāo)的后效毀傷降低,而方案4的侵徹深度已經(jīng)滿足擊穿114 mm厚45鋼的要求,其侵徹孔徑明顯大于方案1,使得其后效毀傷能力優(yōu)于方案1。因此,本文中以方案4為基礎(chǔ)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化能夠有效提高JPC戰(zhàn)斗部的毀傷效能。

2.2 優(yōu)化方案結(jié)果

將初選方案4作為基礎(chǔ)方案,分別對(duì)藥型罩進(jìn)行了等壁厚、變壁厚、調(diào)整罩高和炸高優(yōu)化設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)了4個(gè)方案,其中:優(yōu)化方案1為等壁厚大罩高、優(yōu)化方案2為變壁厚、優(yōu)化方案3為變壁厚1.5倍裝藥直徑炸高、優(yōu)化方案4為等壁厚小罩高,對(duì)4個(gè)優(yōu)化方案分別進(jìn)行了數(shù)值仿真分析,優(yōu)化方案的分析結(jié)果見圖3,優(yōu)化后不同方案對(duì)靶體的侵徹性能參數(shù)對(duì)比見表7。

表7 優(yōu)化方案對(duì)靶體的侵徹性能參數(shù)

圖3 優(yōu)化后不同方案計(jì)算結(jié)果

優(yōu)化方案1藥型罩質(zhì)量最重,頭尾距離達(dá)到147.3 mm,侵徹深度為121 mm,破甲孔徑為16 mm;優(yōu)化方案2頭尾距離達(dá)到143.3 mm,侵徹深度為134.8 mm,破甲孔徑為18 mm;優(yōu)化方案3頭尾距離達(dá)到102 mm,侵徹深度為 108.1 mm,破甲孔徑為23.2 mm;優(yōu)化方案4藥型罩質(zhì)量最輕,頭尾距離達(dá)到113.5 mm,侵徹深度為115.5 mm,破甲孔徑為22.3 mm。經(jīng)對(duì)4種優(yōu)化方案仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,認(rèn)為優(yōu)化方案4的射流形態(tài)、射流頭尾速度、侵徹深度、侵徹孔徑和藥型罩質(zhì)量等綜合性能最優(yōu)。

3 驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)數(shù)值仿真方案優(yōu)選及分析結(jié)果,對(duì)優(yōu)化方案5進(jìn)行破甲、殺傷和縱火等性能試驗(yàn)研究。試驗(yàn)戰(zhàn)斗部聚能裝藥結(jié)構(gòu)裝藥口徑為90 mm,45鋼錠靶標(biāo)的實(shí)際厚度為121 mm,在鋼錠后2 m處放置2 mm厚Q235后效靶,后效靶背面放置3個(gè)盛放柴油的油盒,距后效靶4 m處放置木箱和棉被等易燃物,采用8號(hào)電雷管起爆,驗(yàn)證桿式射流的破甲穿深、破甲孔徑、后效鋼板、油盒、木箱和棉被的綜合毀傷性能。試驗(yàn)前現(xiàn)場(chǎng)情況見圖4,試驗(yàn)后現(xiàn)場(chǎng)情況見圖5,主靶及后效靶毀傷狀態(tài)見圖6,后效靶毀傷情況見圖7。

圖4 試驗(yàn)布置情況

圖5 靜爆試驗(yàn)后情況

圖6 主靶及后效靶毀傷狀態(tài)

圖7 后效靶毀傷情況

可以看出,桿式射流穿透121 mm厚的45#鋼錠,靶塊正面有翻卷現(xiàn)象,入口形狀規(guī)則,孔形較圓,內(nèi)壁有銅殘留,入孔直徑為φ26.3 mm,出孔直徑為φ21.8 mm,靶板背面有碎片崩落,直徑約為φ45 mm。桿式射流形成的主要侵徹體穿透鋼錠后能夠穿透靶后2 m處2 mm厚的Q235鋼板,穿孔尺寸較大;桿式射流形成的離散碎片對(duì)后效靶造成較大面積的有效毀傷;同時(shí)能夠引燃距后效靶4 m處的木箱和棉被等易燃物。

4 結(jié)論

本文中數(shù)值模擬方法確定了聚能裝藥戰(zhàn)斗部的基礎(chǔ)方案,并在基礎(chǔ)方案上基于多要素進(jìn)一步優(yōu)化了戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu),最終通過(guò)實(shí)彈試驗(yàn)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證,得到以下結(jié)論:

1) 優(yōu)化方案4的仿真侵徹深度為115.5 mm,侵徹孔徑為φ22.3 mm,射流頭部速度為2 131 m/s,射流尾部速度為708 m/s,射流長(zhǎng)徑比為5.2∶1,靜破甲試驗(yàn)顯示,桿式射流穿透121 mm厚的45鋼錠,入孔直徑為φ26.3 mm,出孔直徑為φ21.8 mm,射流長(zhǎng)徑比為5.5∶1,仿真結(jié)果與靜破甲試驗(yàn)結(jié)果相比,侵徹深度誤差為4.55%,侵徹孔徑誤差為2.29%(按出口尺寸計(jì)算)。

2)桿式射流形成的侵徹體穿透鋼錠后能夠繼續(xù)穿透靶后2 m處的2 mm厚Q235鋼板,穿孔尺寸較大,從穿孔形態(tài)可以判斷桿式射流已經(jīng)失穩(wěn),但其后效毀傷動(dòng)能仍然較大;桿式射流侵靶后形成的部分離散碎片和靶體的二次破片對(duì)后效靶造成較大面積的有效毀傷。同時(shí),桿式射流和靶體二次破片穿透后效靶形成的離散破片能夠引燃柴油油盒、木箱和棉被等易燃物。

3) 采用等壁厚球缺紫銅藥型罩,優(yōu)化藥型罩的壁厚尺寸、罩體高度和最佳炸高等參數(shù),實(shí)現(xiàn)桿式射流侵徹穿深和孔徑的最佳匹配,可為聚能桿式射流戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供參考。