新型雙層藥型罩形成毀傷元數(shù)值模擬與分析*

孫 華，王志軍

（中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051）

0 引言

上世紀(jì)80年代開始，國(guó)內(nèi)外就開始對(duì)射流型雙層藥型罩和串聯(lián)EFP型雙層藥型罩進(jìn)行研究。如Tosello等法國(guó)學(xué)者［1］對(duì)鉭鎳雙層球缺罩在水下的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了研究，觀察到前級(jí)侵徹體在水中開出通道，而隨進(jìn)侵徹體可以在這個(gè)通道中運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象，因此隨進(jìn)侵徹體有較強(qiáng)的存速能力，能在水下以較高的速度攻擊艦船和潛艇;R.Fong等美國(guó)學(xué)者［2］對(duì)雙層和三層球缺戰(zhàn)斗部進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，獲得了長(zhǎng)徑比很大的EFP;袁建飛和蘇建軍［3］等對(duì)雙層藥型罩EFP的形成進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對(duì)毀傷效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明雙層藥型罩形成的EFP對(duì)目標(biāo)的毀傷后效效果更好;鄭宇［4］對(duì)雙層藥型罩毀傷元形成機(jī)理進(jìn)行了研究。同時(shí)，由于EFP無法形成一個(gè)攻擊區(qū)域或毀傷能力不足，李金鳳［5］提出了一種在爆炸載荷下形成多破片的新型刻槽藥型罩結(jié)構(gòu)。文中在分析了學(xué)者們所研究?jī)?nèi)容的基礎(chǔ)上提出了一種新型雙層藥型罩結(jié)構(gòu)，即外罩采用刻槽式結(jié)構(gòu)，從而可形成多破片，內(nèi)罩形成EFP，該結(jié)構(gòu)可有效應(yīng)用于攻擊坦克頂裝甲、反武裝直升機(jī)以及反地面輕型裝甲等目標(biāo)。文中利用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件對(duì)該結(jié)構(gòu)中雙層藥型罩在爆炸載荷下形成毀傷元的過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對(duì)其主要影響因素進(jìn)行了分析。

1 新型雙層藥型罩結(jié)構(gòu)

文中所研究的戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)主要由裝藥、藥型罩、殼體和起爆裝置組成，其中藥型罩分為內(nèi)外兩層，內(nèi)層為傳統(tǒng)的球缺型藥型罩，而外層采用刻槽式結(jié)構(gòu)。圖1為新型戰(zhàn)斗部整體結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為外層刻槽式藥型罩結(jié)構(gòu)示意圖。

裝藥口徑D=100mm，裝藥高度H=120mm，雙層藥型罩采用等壁厚球缺型，外層藥型罩壁厚δ外與內(nèi)層藥型罩壁厚δ內(nèi)相等，均為3mm。

圖1 新型戰(zhàn)斗部整體結(jié)構(gòu)圖

圖2 外層刻槽式藥型罩結(jié)構(gòu)圖

2 數(shù)值模擬與分析

2.1 算法選擇與材料描述

ANSYS/LS-DYNA軟件應(yīng)用于數(shù)值模擬較為廣泛，以Lagrange算法為主，兼有Euler、ALE和SPH算法［6］，選擇合理的算法和定義合理的接觸方式是模擬仿真的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。文中數(shù)值模擬選用Lagrange算法來模擬雙層藥型罩形成毀傷元的成型過程，炸藥與藥型罩選用自動(dòng)面面接觸算法;內(nèi)層藥型罩與外層藥型罩之間僅選用滑移接觸算法。

內(nèi)外層藥型罩材料均為銅，選用Johnson-Cook材料模型和Gruneisen狀態(tài)方程來描述其動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程以及模擬高應(yīng)變下的材料變形問題，其主要參數(shù)有ρ=8.96g/cm3，A=90MPa，B=292MPa，n=0.31，m=1.09，c=0.025;裝藥選用 8701，用 MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN高能炸藥材料模型和JWL狀態(tài)方程來描述，其主要材料參數(shù)參照文獻(xiàn)［8］，ρ=1.787g/cm3，D=7980m/s，Pcj=29.5GPa。

2.2 外層藥型罩形成多破片數(shù)值模擬

數(shù)值模擬中有限元模型采用全模型。起爆方式為裝藥頂端端面中心點(diǎn)起爆。

學(xué)者們對(duì)內(nèi)層藥型罩形成EFP過程的研究較為清楚，所以文中重點(diǎn)介紹刻槽式藥型罩形成多破片的過程?？滩凼剿幮驼中纬啥嗥破倪^程可以描述為:在爆炸載荷以及內(nèi)層藥型罩的碰撞綜合作用下，外層藥型罩在刻槽附近區(qū)域引起應(yīng)力集中，隨著內(nèi)層藥型罩的翻轉(zhuǎn)，外層藥型罩將受到沿徑向的分力，從而使外層藥型罩沿著預(yù)制槽產(chǎn)生裂紋，從而使外層藥型罩形成一定質(zhì)量、數(shù)量和一定方向性的破片。圖4顯示了雙層藥型罩外層多破片以及內(nèi)層形成EFP的幾個(gè)典型過程，其中圖4（a）為初始狀態(tài);圖4（b）顯示了雙層藥型罩受爆轟壓力與爆轟產(chǎn)物綜合作用的翻轉(zhuǎn)過程;圖4（c）顯示了內(nèi)外層藥型罩的軸向拉伸以及徑向收縮的過程;圖4（d）顯示了由于內(nèi)外層毀傷元在軸向存在速度差，從而引起的分離過程。

圖3 毀傷元形成的典型過程

2.3 內(nèi)層藥型罩曲率半徑對(duì)毀傷元的影響

由于藥型罩曲率半徑的變化將引起爆轟波陣面作用于藥型罩位置的改變，從而導(dǎo)致藥型罩材料流動(dòng)方向的變化，因此，藥型罩曲率半徑的變化對(duì)毀傷元素的成型以及破片飛散角起相當(dāng)大的作用。所以相當(dāng)有必要分析藥型罩曲率半徑對(duì)文中所研究結(jié)構(gòu)的影響。圖4顯示了不同曲率半徑時(shí)，內(nèi)外兩層藥型罩完全分離時(shí)毀傷元素的形態(tài)。

圖4 不同曲率半徑下內(nèi)外分離時(shí)侵徹體形態(tài)

表1 不同曲率半徑下結(jié)果對(duì)比

結(jié)合圖4和表1可以得出:文中所研究結(jié)構(gòu)在爆炸載荷作用下，外層藥型罩能夠形成具有一定速度、質(zhì)量以及偏轉(zhuǎn)角α的多破片，內(nèi)層藥型罩能夠形成一定速度和長(zhǎng)徑比的EFP。隨著內(nèi)層藥型罩曲率半徑R的增大，所形成的EFP速度呈逐漸增大趨勢(shì)，而長(zhǎng)徑比呈降低趨勢(shì)，這種現(xiàn)象與文獻(xiàn)［9］中曲率半徑對(duì)形成EFP的影響相符合;然而，內(nèi)層藥型罩曲率半徑R的變化，對(duì)外層藥型罩所形成的破片速度影響不大，基本保持一致，但是由于爆轟陣面的變化，外層藥型罩所受到的徑向分力增大，因此破片的飛散角α隨著曲率半徑R的增大而增大;由于EFP的速度呈增大趨勢(shì)，而破片速度基本不變，所以二者間的速度差呈逐漸下降趨勢(shì)，如圖 5所示，從而影響到內(nèi)外毀傷元的分離時(shí)間，曲率半徑越大，分離時(shí)間越大，上述情況與文獻(xiàn)［4］中曲率半徑對(duì)串聯(lián)EFP形成影響的仿真結(jié)果相符。

圖5 不同曲率半徑下速度差曲線

2.4 外層破片對(duì)裝甲靶板的毀傷模擬

文中利用外層藥型罩曲率半徑為132mm時(shí)，所形成的多破片對(duì)裝甲靶板的毀傷進(jìn)行了數(shù)值模擬，靶板尺寸為400mm×400mm×10mm，材料為45#鋼，破片與靶板采用侵蝕接觸。圖6展示了靶板的破壞情況。

圖6 靶板的破壞形態(tài)

從數(shù)值模擬來看，外層多破片對(duì)鋼靶的毀傷基本包括開坑、擴(kuò)孔和沖塞穿透。當(dāng)外層藥型罩曲率半徑為132mm時(shí)，鋼靶入口孔徑72mm，即0.72倍裝藥口徑，出口孔徑91mm，即0.92倍裝藥口徑，與傳統(tǒng)雙層藥型罩形成的串聯(lián)EFP開孔口徑相比明顯增大;多破片完全穿透鋼靶后能量損失為46%，沖塞作用所形成的沖塞塊速度達(dá)到500m/s左右，由它引燃、引爆所產(chǎn)生的二次效應(yīng)，對(duì)目標(biāo)內(nèi)的成員或設(shè)備也具備一定的毀傷能力，即后效作用。

3 結(jié)論

利用有限元ANSYS/LS-DYNA軟件對(duì)新型雙層藥型罩形成毀傷元的過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明:該結(jié)構(gòu)能夠形成具有一定毀傷效應(yīng)的毀傷元，即外層藥型罩在爆轟壓力和內(nèi)層藥型罩的碰撞下，可形成一定數(shù)量、質(zhì)量、速度以及飛散角的多破片;內(nèi)層藥型罩能夠形成一定長(zhǎng)徑比的EFP。經(jīng)分析得出以下結(jié)論:

1）隨著內(nèi)層藥型罩曲率半徑的改變，使得爆轟陣面發(fā)生改變，從而影響了內(nèi)層藥型罩所形成的EFP性能，進(jìn)而對(duì)外層藥型罩形成的多破片發(fā)散角α產(chǎn)生影響。隨著曲率半徑的增大，EFP的長(zhǎng)徑比呈逐漸降低趨勢(shì)，穩(wěn)定速度呈逐漸增大趨勢(shì);然而，外層破片穩(wěn)定速度基本保持穩(wěn)定，僅是破片飛散角α隨著曲率半徑的增大而增加;內(nèi)外層毀傷元速度差隨著曲率半徑的增大而減小，從而影響內(nèi)外毀傷元的分離時(shí)間，曲率半徑越小，分離時(shí)間越短。

2）由于外層多破片具有一定的飛散角α，因此對(duì)目標(biāo)靶板可造成區(qū)域毀傷，飛散角越大毀傷區(qū)域越大，但隨著飛散角α的增大，對(duì)目標(biāo)的毀傷深度就會(huì)相應(yīng)降低，所以可根據(jù)目標(biāo)特性選擇不同的曲率半徑。

3）文中未對(duì)內(nèi)層EFP隨進(jìn)二次毀傷進(jìn)行討論，將在之后的研究?jī)?nèi)容中繼續(xù)完善。

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