環(huán)形切割器藥型罩方案優(yōu)化設(shè)計(jì)＊

李永勝，王偉力，田傳勇

（1海軍航空工程學(xué)院，山東煙臺 264001；2重慶紅宇精密工業(yè)有限責(zé)任公司，重慶 402760）

0 引言

反艦導(dǎo)彈在作戰(zhàn)過程中侵徹多層靶，尤其是首層板壁較厚時，其半穿甲戰(zhàn)斗部侵徹時能量消耗大，過靶姿態(tài)差，嚴(yán)重影響后續(xù)的侵爆作用。因此，可以考慮在導(dǎo)彈前端加裝一段產(chǎn)生環(huán)形射流的切割器，作者之前已對這種反艦導(dǎo)彈串聯(lián)戰(zhàn)斗部進(jìn)行了初步分析[1]。對其裝藥形態(tài)、藥型罩開口角度等進(jìn)行了初步探討，胡忠武、王鳳英等人對藥型罩材料進(jìn)行了研究[2－3]，探討了純金屬藥型罩（W、Cu等）及合金藥型罩（W Cu、Ta-Cu、W Cu Ni等）的發(fā)展動向與應(yīng)用前景。何洋揚(yáng)等人對拐角型線性聚能裝藥侵徹鋼板進(jìn)行數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)[4]，得出切割器拐角處出現(xiàn)病態(tài)射流影響切割器的侵徹效果。對于大口徑的環(huán)形聚能裝藥不能完全套用錐形罩和線性裝藥的相關(guān)理論，在這方面李鵬飛等人對環(huán)形EFP的形成和侵徹效應(yīng)進(jìn)行了模擬與實(shí)驗(yàn)[5]，證明了環(huán)形裝藥對鋼靶作用的有效性。王成等人通過對裝藥進(jìn)行設(shè)計(jì)并加入波形調(diào)整器產(chǎn)生了質(zhì)量較好的環(huán)形射流[6－7]，為環(huán)形切割器的研制提供了理論支撐。

文中運(yùn)用ANSYS／LS DYNA軟件，針對滿足設(shè)計(jì)要求特定尺寸的環(huán)形切割器，采用裝藥頂部中心線起爆方式，探討能夠形成高質(zhì)量射流，且切割效果更為明顯的藥型罩材料。

1 環(huán)形切割器初步設(shè)計(jì)

反艦導(dǎo)彈串聯(lián)戰(zhàn)斗部整體設(shè)計(jì)如圖1所示，其前端的環(huán)形切割器設(shè)計(jì)滿足：1）切割器開口直徑≥360mm；2）藥型罩開口直徑≥60mm；3）切割器高度≤200mm；4）切割效果盡可能理想。

2 數(shù)值模擬

假設(shè)：1）炸藥、藥型罩、防護(hù)板、空氣和鋼靶為均勻連續(xù)介質(zhì)；2）整個射流的形成和切割侵徹過程為絕熱過程；3）忽略重力的作用；4）鋼靶的初始應(yīng)力設(shè)為0，不考慮鋼靶的側(cè)邊效應(yīng)，忽略靶板整體運(yùn)動和外界的干擾。

2.1 計(jì)算模型

采用 ANSYS／LS-DYNA軟件對環(huán)形切割器及其侵徹過程進(jìn)行數(shù)值模擬與分析，根據(jù)對稱原則，為簡化計(jì)算采用1／4模型，如圖2所示，模型由炸藥、藥型罩、防護(hù)板、空氣和鋼板5部分組成。其中，炸藥、藥型罩、防護(hù)板和空氣4種材料采用Euler網(wǎng)格建模，鋼板采用Lagrange網(wǎng)格建模，采用流固耦合算法，環(huán)形射流形成及侵徹過程用單點(diǎn)高斯積分和沙漏控制，起爆方式統(tǒng)一采用裝藥頂部中心線起爆。

圖2 環(huán)形切割器仿真模型

2.2 材料模型及主要參數(shù)

炸藥材料模型為 HIGH－EXPLOSIVE－BURN，狀態(tài)方程為JWL方程。金屬藥型罩采用STEINBERG模 型[8－9]，狀 態(tài) 方 程 為 GRUNEISEN 方 程。防護(hù)板采用STEINBERG模型，狀態(tài)方程為GRUNEISEN方程?？諝獠捎脽o偏應(yīng)力流體動力模型（NULL），對應(yīng)的狀態(tài)方程為 GRUNEISEN方程。靶板采用隨動塑性模型（PLASTIC－KINEMATIC）。

為充分選擇最優(yōu)的藥型罩材料，選用線性裝藥常用的3種材料進(jìn)行檢驗(yàn)，藥型罩相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 藥型罩材料的計(jì)算參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果

以均質(zhì)裝甲鋼為靶板材料，厚度取為10cm，通過設(shè)置適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件消除模型中的端部效應(yīng)。

3.1 單質(zhì)藥型罩仿真與分析

表2選取3種藥型罩材料形成的環(huán)形射流對靶板作用的典型時刻與實(shí)際作用效果?？梢钥闯?，鐵藥型罩形成射流速度相對較高，銅藥型罩次之，鎢藥型罩最慢。3種藥型罩均能貫穿10cm的靶板，但貫穿后銅藥型罩殘留杵體的剩余速度約為900m／s，鎢藥型罩殘留杵體的剩余速度約為530m／s，而鐵藥型罩由于切割動能相對較小，在侵徹過程中能量消耗較大，沒有相對完整的剩余杵體。

表2 環(huán)形射流對靶板的作用效果（單質(zhì)藥型罩）

通過圖3可以看出，銅、鎢藥型罩形成射流動能較大，能夠輕松的穿透靶板，表現(xiàn)為貫穿時間較短，平均切割口徑較小，切割開口上下差別不大；而鐵藥型罩雖然能夠貫穿靶板，但切割口徑較大，貫穿時間較長，射流在切割過程中邊侵徹邊堆積，在靶板的底部有明顯的射流堆積區(qū)。

圖3 靶板切割后效

通過對單質(zhì)藥型罩形成射流作用效果的仿真可知，銅、鎢藥型罩侵徹效果較好，銅的延展性好，且形成的射流平均速度相對較高，鎢的延展性雖然不如銅，但射流的整體動能相對較大，因此可以考慮依靠銅延展性強(qiáng)的特點(diǎn)和鎢的高動能構(gòu)成銅鎢復(fù)合藥型罩。

3.2 復(fù)合藥型罩仿真與分析

在上述計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，將單質(zhì)藥型罩換為2種銅鎢復(fù)合罩，分別為銅鎢80／20、銅鎢60／40，即銅和鎢分為上下兩層，銅在內(nèi)側(cè)下方，鎢在外側(cè)上方，厚度比例為80／20和60／40，驗(yàn)證其對靶板的切割效果。

銅鎢復(fù)合藥型罩射流的成形情況如圖4所示，其對靶板的切割效果如圖5所示。

圖4 銅鎢復(fù)合藥型罩射流成形情況

圖5 靶板切割后效

表3 環(huán)形射流對靶板的作用效果（復(fù)合藥型罩）

可以看出，雖然銅鎢復(fù)合藥型罩形成的環(huán)形射流能夠穿透100mm的靶板，但切割效果并不理想，表現(xiàn)為：1）射流成形效果不好，鎢質(zhì)射流斷裂較早，速度較慢，影響整體射流的速度；2）切割時間過長，大于單質(zhì)藥型罩的切割時間，不利于引戰(zhàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；3）剩余速度過低，尤其是銅鎢60／40，由于切割動能不足，沒有相對完整的剩余體；4）平均切割口徑也大于單質(zhì)銅、鎢藥型罩的切割口徑，能量利用率偏低。

4 結(jié)論

1）利用ANSYS／LS-DYNA軟件對環(huán)形切割器侵徹過程進(jìn)行仿真分析，其所得結(jié)果可用于定性優(yōu)選藥型罩方案；

2）仿真結(jié)果表明：在環(huán)形切割器的設(shè)計(jì)中，銅、鎢、鐵三種材料藥型罩均能貫穿100mm的靶板。鐵藥型罩形成的射流雖然速度相對較高，但整體動能不足，切割過程中在靶板底部形成射流堆積巢，且沒有相對完整的剩余體；鎢藥型罩形成的射流速度較低，切割口徑雖然較小，但剩余體速度不高，且切割時間較長；銅藥型罩射流成形效果好，速度快，剩余體速度較高，貫穿靶板時間短，有利于引戰(zhàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

因此，在大口徑環(huán)形切割器的設(shè)計(jì)中，銅材料的藥型罩切割效果最好。

[1]李永勝，王偉力，姜濤.一種用于反艦導(dǎo)彈串聯(lián)戰(zhàn)斗部的環(huán)形切割器優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].海軍航空工程學(xué)院學(xué)報，2009，24（5）：481－484.

[2]胡忠武，李中奎，張廷杰，等.藥型罩材料的發(fā)展[J].稀有金屬材料與工程，2004，33（10）：1009－1012.

[3]王鳳英，劉天生，茍瑞君，等.鎢銅鎳合金藥型罩研究[J].兵工學(xué)報，2001，22（1）：112－114.

[4]何洋揚(yáng)，龍?jiān)?拐角型線性聚能裝藥爆炸成形及侵徹鋼靶的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究[J].爆破器材，2008，37（2）：10－13.

[5]李鵬飛，肖川，王利俠.環(huán)形EFP的形成和侵徹效應(yīng)[J].火炸藥學(xué)報，2008，31（3）：6－9.

[6]Wang Cheng，Yun Shourong，Huang Fenglei，et al.Investigating jet appearance in different background lights with high－speed frame photography[J].Journal of Beijing Institute of Technology，2002，11（2）：113－116.

[7]王成，惲壽榕，黃風(fēng)雷.W型聚能裝藥射流形成及侵徹的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真研究[J].兵工學(xué)報，2003，24（4）：451－454.

[8]蘭彬，文鶴鳴.鎢合金長桿彈侵徹半無限鋼靶的數(shù)值模擬及分析[J].高壓物理學(xué)報，2008，22（3）：245－252.

[9]曹德青，惲壽榕，丁剛毅，等.用ALE方法實(shí)現(xiàn)射流侵徹靶板的三維數(shù)值模擬[J].北京理工大學(xué)學(xué)報，2000，20（2）：171－173.