聚能戰(zhàn)斗部對(duì)雙層靶板結(jié)構(gòu)毀傷的數(shù)值模擬研究

程素秋，陳高杰，趙紅光

中國(guó)人民解放軍91439 部隊(duì)，遼寧大連116041

0 引 言

在現(xiàn)代兵器中，常規(guī)爆破型戰(zhàn)斗部正向聚能戰(zhàn)斗部和定向爆破戰(zhàn)斗部發(fā)展。對(duì)于多功能聚能戰(zhàn)斗部和串聯(lián)聚能戰(zhàn)斗部等高效毀傷戰(zhàn)斗部的研究，已成為各國(guó)研究的重點(diǎn)。目前，國(guó)外新一代高效毀傷反艦、反潛戰(zhàn)斗部就采用了動(dòng)能侵徹、聚能破甲和爆破等復(fù)合毀傷技術(shù)，新型聚能裝藥結(jié)構(gòu)的破甲穿深可達(dá)16 倍口徑。王團(tuán)盟和向春［1］對(duì)魚(yú)雷聚能戰(zhàn)斗部侵徹潛艇結(jié)構(gòu)模擬靶進(jìn)行了數(shù)值模擬；楊莉、張慶明等［2］對(duì)爆炸成型模擬鋼彈丸侵徹水介質(zhì)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算；凌榮輝、胡功笠等［3-4］利用實(shí)驗(yàn)手段研究了聚能戰(zhàn)斗部的爆轟性能及破甲能力；胡功笠等［5］對(duì)復(fù)合式魚(yú)雷戰(zhàn)斗部的威力進(jìn)行了試驗(yàn)研究。本文基于LS-DYNA 軟件的ALE算法，將對(duì)聚能戰(zhàn)斗部對(duì)結(jié)構(gòu)的毀傷過(guò)程進(jìn)行數(shù)值仿真，利用實(shí)爆試驗(yàn)測(cè)量的穿孔大小及侵徹深度對(duì)數(shù)值模擬進(jìn)行驗(yàn)證，提出一種利用相對(duì)侵徹深度來(lái)評(píng)估聚能戰(zhàn)斗部毀傷效果的方法，以為設(shè)計(jì)新型聚能戰(zhàn)斗部提供參考。

1 計(jì)算模型

計(jì)算模型采用LS-DYNA 軟件的多物質(zhì)ALE算法模擬聚能戰(zhàn)斗部的侵徹過(guò)程。模型從前至后依次為聚能戰(zhàn)斗部、非耐壓殼模擬靶、水以及耐壓殼模擬靶等。由于結(jié)構(gòu)和爆炸作用載荷的對(duì)稱性，取1/4 結(jié)構(gòu)建立三維計(jì)算模型。藥型罩分別選用半球形罩和錐形罩，炸藥起爆方式為單點(diǎn)中心起爆［6］。

模型各部分均采用SOLID164 實(shí)體單元類型，炸藥、藥型罩、空氣和水劃分為Euler 單元，藥型罩、戰(zhàn)斗部中軸線和射流區(qū)域的網(wǎng)格密度大于其他部分的網(wǎng)格密度，如圖1 所示。靶板采用La?grange 單元和單點(diǎn)積分算法。 用關(guān)鍵字*ALE_MULTI-MATERIAL_GROUP 定 義ALE 多 物質(zhì)間的相互作用。在Euler 單元和Lagrange 單元之間使用關(guān)鍵字 *CONSTRAINED_LA?GRANGE_IN_SOLID 定義流固耦合。Lagrange 單元采用von Mises 屈服準(zhǔn)則，空氣和水介質(zhì)設(shè)定為無(wú)反射邊界，防止邊界應(yīng)力波反射。

圖1 計(jì)算模型Fig.1 Computational model

在分析中，炸藥采用高能炸藥燃燒及增長(zhǎng)材料模型和Jones-Wilkins-Lee（JWL）狀態(tài)方程；藥型罩采用Steinberg 材料模型和Gruneisen 狀態(tài)方程；空氣采用空白材料模型（*MAT_NULL）和線性多項(xiàng)式狀態(tài)方程；水選用空白材料模型和Grunei?sen 狀態(tài)方程；潛艇非耐壓殼、耐壓殼模擬靶采用塑性隨動(dòng)強(qiáng)化材料模型。

Mie-Gruneisen 方程

式中：ρ0為初始密度；ρ 為狀態(tài)變化后密度；η=(1-ρ0)/ρ；P 為壓力；e 為比內(nèi)能（以上各參數(shù)的單位均為國(guó)際單位制）；C0，s 為材料參數(shù)；Γ0為Gruneisen 參數(shù)。

2 仿真結(jié)果與分析

戰(zhàn)斗部藥形罩的形狀和爆炸后形成的彈丸運(yùn)動(dòng)速度是影響戰(zhàn)斗部毀傷能力的重要參數(shù)。藥形罩的形狀決定穿孔直徑，速度決定穿深。

2.1 戰(zhàn)斗部對(duì)雙層靶板結(jié)構(gòu)的毀傷過(guò)程

聚能戰(zhàn)斗部裝藥爆轟后會(huì)推動(dòng)半球形藥型罩形成射流彈丸，在約150 μs 時(shí)射流頭部達(dá)到最大速度3 236.3 m/s；約350 μs 時(shí)，開(kāi)始擊穿潛艇非耐壓殼結(jié)構(gòu)模擬靶。隨后，進(jìn)入水介質(zhì)裝甲，射流頭部出現(xiàn)削平的現(xiàn)象，速度不斷減小。在約850 μs時(shí)，又開(kāi)始增大，這是由于射流頭部速度減小的同時(shí)為后面的射流開(kāi)辟了通道，從而使后面的射流追趕上頭部，速度產(chǎn)生再次增大的現(xiàn)象。在約900 μs 時(shí)，射流再次到達(dá)2 240 m/s 的最大速度，進(jìn)入第二次衰減期；約960 μs 時(shí)，射流出現(xiàn)拉斷現(xiàn)象；在約1 100 μs 時(shí)，速度再次衰減到最小，后部的射流再次追趕上頭部使速度再次增大；約1 300 μs 時(shí)，速度第3 次達(dá)到1 900 m/s 的最大速度；約1360 μs 時(shí)，開(kāi)始擊穿潛艇耐壓殼結(jié)構(gòu)模擬靶；約1 480 μs 時(shí)，完成對(duì)潛艇耐壓殼結(jié)構(gòu)模擬靶的擊穿。聚能戰(zhàn)斗部射流彈丸對(duì)結(jié)構(gòu)的毀傷過(guò)程如圖2 所示。

圖2 聚能戰(zhàn)斗部射流彈丸對(duì)結(jié)構(gòu)的毀傷過(guò)程Fig.2 Damage process of structure subjected by shaped charge warhead

2.2 戰(zhàn)斗部侵徹速度衰減規(guī)律

不同藥形罩的侵徹速度在水中的衰減規(guī)律是不同的。半球形藥形罩的侵徹速度衰減平緩而平滑，錐形藥形罩的射流速度衰減急速，如圖3 和圖4 所示。

圖3 半球形藥形罩侵徹速度隨時(shí)間衰減曲線Fig.3 Penetration velocity history of half ball

圖4 錐形藥形罩射流速度隨時(shí)間衰減曲線Fig.4 Penetration velocity history of cone-shaped

由圖3 和圖4 可見(jiàn)，半球形藥形罩的侵徹速度要小于錐形藥形罩的射流速度，但速度衰減慢，這一結(jié)果與文獻(xiàn)［2］中的結(jié)論相符。

圖5 所示為半球形藥形罩戰(zhàn)斗部計(jì)算模型中多點(diǎn)侵徹速度曲線。由圖可見(jiàn)，侵徹速度均呈指數(shù)衰減，這一結(jié)果和文獻(xiàn)［3-5］的結(jié)論相符。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)尺寸與計(jì)算模型相同，非耐壓殼靶板采用10 mm 厚的鋼板代替，耐壓殼靶板采用30 mm 厚的鋼板代替。藥形罩分別為半球形和錐形，耐壓殼靶板后設(shè)置多層10 mm 厚的鋼板做后效靶，試驗(yàn)時(shí)，將整個(gè)模型吊放入水中，如圖6所示。

試驗(yàn)時(shí)，測(cè)量自由場(chǎng)壓力、射流速度和應(yīng)變，試驗(yàn)后，將模型吊到岸基上測(cè)量破口。自由場(chǎng)壓力傳感器布放在支架上，應(yīng)變傳感器分別布設(shè)在非耐壓殼、耐壓殼和后效靶上。射流速度采用通斷型網(wǎng)格測(cè)量，當(dāng)射流穿過(guò)網(wǎng)格線時(shí)，網(wǎng)格斷裂，記錄斷裂時(shí)間（圖7）。

圖7 射流速度測(cè)量示意圖Fig.7 Schematic drawing of jet velocity measurement

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

戰(zhàn)斗部起爆后，分別在穿透兩層鋼板后又穿過(guò)了多層后效靶，其毀傷效果如圖8 和圖9 所示。此外，對(duì)于相同裝藥量、僅藥形罩形狀不同的戰(zhàn)斗部而言，半球形藥形罩的穿深和穿孔直徑要大于錐形藥形罩。這一結(jié)果與文獻(xiàn)［7-8］中的研究結(jié)論相符。

圖8 戰(zhàn)斗部穿透第1 層靶板毀傷效果對(duì)比圖Fig.8 Test and simulated results of damage effect penetrating on the first target plate

圖9 戰(zhàn)斗部穿透第2 層靶板毀傷效果對(duì)比圖Fig.9 Test and simulated results of damage effect penetrating on the second target plate

試驗(yàn)完成后，兩層靶板的實(shí)際破孔直徑分別為17.6 cm 和12.3 cm。而數(shù)值模擬的非耐壓殼板的破孔直徑為15.98 cm，耐壓殼板的破孔直徑為11.32 cm，計(jì)算誤差分別為9%和8%。因此，數(shù)值仿真算法合理，結(jié)果可信。

4 聚能戰(zhàn)斗部對(duì)靶板結(jié)構(gòu)的毀傷評(píng)估

國(guó)外一般采用數(shù)值模擬與實(shí)船試驗(yàn)相結(jié)合的方法手段來(lái)對(duì)艦艇結(jié)構(gòu)生命力進(jìn)行評(píng)估［8］?，F(xiàn)行軍標(biāo)明確定義了以耐壓殼體的塑性變形作為劃分損傷等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)，但仍然存在較大缺陷。聚能戰(zhàn)斗部對(duì)結(jié)構(gòu)的毀傷效果與其攻擊的潛艇結(jié)構(gòu)特性密切相關(guān)，不同潛艇的結(jié)構(gòu)不同，材料不同，殼體的厚度也不同，戰(zhàn)斗部的打擊部位不同，對(duì)于潛艇的毀傷效果差異較大［9-10］。

下面只選取耐壓殼體為研究目標(biāo)，戰(zhàn)斗部對(duì)雙層靶板結(jié)構(gòu)的毀傷評(píng)估是通過(guò)其對(duì)耐壓殼體的相對(duì)侵徹深度參數(shù)來(lái)表征，相對(duì)侵徹深度定義為

式中：dm為聚能戰(zhàn)斗部的射流侵徹深度；d0為耐壓殼體板厚。

靶板結(jié)構(gòu)毀傷等級(jí)是根據(jù)戰(zhàn)斗部在其耐壓殼體中的穿深而定義的。若完全穿透（＞1），則視為嚴(yán)重毀傷；若≤0.2，結(jié)構(gòu)破損較小，則視為基本完好。聚能戰(zhàn)斗部相對(duì)侵徹深度與靶板結(jié)構(gòu)毀傷等級(jí)之間定義的相互關(guān)系如表1 所示。

表1 相對(duì)侵徹深度與結(jié)構(gòu)毀傷等級(jí)Tab.1 Relative penetration depth vs.structure damage grade

實(shí)爆試驗(yàn)后，半球形藥形罩在穿透耐壓殼板后，又穿透了9 層后效靶板，射流距離為39.5 cm，≈1.3，根據(jù)表1 中對(duì)結(jié)構(gòu)毀傷等級(jí)的劃分，戰(zhàn)斗部的毀傷等級(jí)為一級(jí)，結(jié)構(gòu)嚴(yán)重毀傷。可見(jiàn)，式（2）和表1 中對(duì)戰(zhàn)斗部和結(jié)構(gòu)的毀傷等級(jí)定義與試驗(yàn)結(jié)果較為符合，可以在一般工程中應(yīng)用。

當(dāng)然，在評(píng)估某一具體聚能戰(zhàn)斗部的毀傷能力時(shí)，dm主要以數(shù)值計(jì)算值為主，如條件具備，可通過(guò)實(shí)爆試驗(yàn)驗(yàn)證后獲得。

5 結(jié) 論

本文通過(guò)試驗(yàn)與數(shù)值模擬方法，對(duì)不同結(jié)構(gòu)聚能戰(zhàn)斗部的毀傷目標(biāo)效果進(jìn)行了研究，得到如下結(jié)論：

1）LS-DYNA 軟件的ALE 算法能夠完成聚能戰(zhàn)斗部對(duì)結(jié)構(gòu)毀傷過(guò)程的數(shù)值模擬。

2）由數(shù)值模擬得到的射流速度、破孔形狀及侵徹深度等參數(shù)，能夠?yàn)榫勰軕?zhàn)斗部對(duì)結(jié)構(gòu)的毀傷評(píng)估提供數(shù)據(jù)支持。

3）半球形藥型罩的射流速度雖然小于錐形藥型罩的，但其侵徹直徑要大于錐形藥型罩的，在水中的侵徹速度衰減較慢，有利于提高侵徹深度，對(duì)結(jié)構(gòu)的毀傷效果較好。

4）利用相對(duì)侵徹深度評(píng)估聚能戰(zhàn)斗部對(duì)靶板結(jié)構(gòu)的毀傷在工程上是可行的，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)爆試驗(yàn)基本相符。

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