隔爆體形狀對串聯(lián)戰(zhàn)斗部后級影響研究

徐浩銘，顧文彬，劉建青，陳江海，徐景林，黃 鶴

（解放軍理工大學(xué)，江蘇 南京，210007）

隨著彈藥技術(shù)的不斷發(fā)展，以及各種毀傷目標(biāo)防護能力的不斷加強，串聯(lián)聚能裝藥逐漸成為戰(zhàn)斗部設(shè)計者比較重視的研究項目[1]。涂侯杰、張先鋒、王健[2-5]等分別對串聯(lián)戰(zhàn)斗部前級爆轟對后級的影響進行了數(shù)值模擬分析與試驗。由于串聯(lián)聚能裝藥屬于爆炸高壓加載范疇，影響因素眾多，因此串聯(lián)EFP裝藥之間隔爆結(jié)構(gòu)的設(shè)計復(fù)雜。

若串聯(lián)EFP裝藥的兩級距離較小且量較大，前級爆炸會對后級產(chǎn)生重大的影響，傳統(tǒng)隔爆手段略顯不足。本文根據(jù)串聯(lián)EFP裝藥的特點，設(shè)計了一種中心為圓錐空腔的圓柱形隔爆體，通過調(diào)整不同中心錐頂高度和隔爆體位置，達到充分利用和發(fā)揮后級EFP裝藥設(shè)計能力的目的。開展這種串聯(lián)聚能裝藥相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的研究具有重要應(yīng)用前景和理論意義，為今后設(shè)計破-破-爆型多級串聯(lián)戰(zhàn)斗部設(shè)計提供一定依據(jù)。

1 隔爆結(jié)構(gòu)設(shè)計和仿真模型

1.1 EFP裝藥和隔爆材料

本文EFP裝藥選擇前期研究優(yōu)化得到的Ф65mm球缺型變壁厚EFP裝藥結(jié)構(gòu)方案[6]。裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)為：炸藥采用JH-2，其密度為1.7g/cm3，裝藥長徑比為1；藥型罩采用紫銅材料，罩內(nèi)曲率半徑67mm、外曲率半徑62mm。聚氨酯泡沫(RPUF)是一種密度較輕、有一定吸能緩沖性能的較好的隔爆材料[7-8]，在國防、軍事領(lǐng)域廣泛用于抗沖擊波防護領(lǐng)域，也是本文隔爆體設(shè)計采用的材料。

1.2 串聯(lián)技術(shù)和隔爆設(shè)計

串聯(lián)聚能裝藥的關(guān)鍵技術(shù)分為兩級起爆控制的精確性和裝藥之間的互不干擾性。本文主要目的就是通過調(diào)整隔爆結(jié)構(gòu)中心錐頂高度，設(shè)計出一種位于前后級聚能裝藥中間的隔爆結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)兩級裝藥的隔爆防護，降低前級爆轟場對后級裝藥成型和侵徹的影響。

1.3 數(shù)值模型的建立

為了充分驗證該串聯(lián)聚能裝藥的可行性，利用LS-DYNA有限元計算程序?qū)ζ涑尚瓦^程進行了數(shù)值仿真計算，整體模型如圖1所示，主要考察后級EFP的成型和侵徹性能。

圖1 串聯(lián)聚能裝藥的整體模型Fig.1 The model of tandem EFP charge

本文在定義數(shù)值模型材料時應(yīng)用了“填充法”(INITIAL_VOLUME_FRACTION_GEOMETRY)，填充炸藥、藥型罩和隔爆材料。與傳統(tǒng)建模不同的是，應(yīng)用此方法建立模型時，不需要通過定義復(fù)雜不同的PART來定義不同的流體材料，而是只需要定義一種材料（本模型中定義的為空氣材料），其余材料的建立與定義是通過K文件中的關(guān)鍵字實現(xiàn)的。此方法的使用極大地減少了建模過程的工作量。

1.4 材料參數(shù)的選取

模型中各部分所用靶板材料為45#鋼，藥型罩材料為紫銅，隔爆體材料為聚氨酯，都采用Gruneisen狀態(tài)方程；裝藥為8701，采用JWL狀態(tài)方程，材料參數(shù)見表1。

表1 各種材料計算參數(shù)Tab.1 Computation parameters of materials

2 試驗與數(shù)值模擬分析

2.1 延時時間的選取

延時起爆時間（t）對后級EFP的成型和穩(wěn)定飛行影響非常大。在兩級裝藥間距一定的情況下，t較小時與前級裝藥高壓爆轟場相遇，t較大時前級裝藥爆轟場到達后級裝藥，這都會大大影響后級EFP成型和降低速度。因此，為了合理控制延時起爆時間，最大限度地降低前級裝藥爆轟場對后級EFP成型性能的影響，分別在串聯(lián)EFP延時0μs、10μs、20μs、25μs、30μs的情況下進行侵徹靶板數(shù)值模擬，結(jié)果見表2。

表2 不同延時串聯(lián)EFP裝藥侵徹鋼靶數(shù)值模擬結(jié)果Tab.2 Simulation results of tandem EFP penetrating the steel target under different delay time

分析表2可以發(fā)現(xiàn)，隨著延時的增加，后級EFP受到前級爆轟場影響，形狀變得更加細長，侵徹出的孔徑變??；而侵徹深度隨著延時時間的增加先增大后減小，說明本串聯(lián)結(jié)構(gòu)較為合理的延時為20μs。

2.2 試驗布置

圖2為靜破甲試驗布置圖，主要用于分析不同錐頂中心高度的隔爆體在不同位置對串聯(lián)EFP裝藥侵徹性能的影響。串聯(lián)EFP裝藥有利炸高取210mm，兩級裝藥間距150mm，隔爆體高度40mm。采用中心起爆兩級延時20μs方式，分別對隔爆體距后級20mm、40mm、60mm、80mm、100mm 5種情況進行侵徹靶板試驗，進行2發(fā)試驗，結(jié)果取均值。

圖2 串聯(lián)EFP裝藥分侵徹鋼靶試驗示意圖Fig.2 Schematic diagram of the tandem EFP charge penetrating steel target

2.3 不同中心錐頂高度影響分析

前級裝藥爆轟產(chǎn)物和空氣沖擊波直接作用在后級裝藥上，會產(chǎn)生較大的沖量，從而改變后級EFP形狀和性能。試驗所用的隔爆體高度為40mm，基于以上因素綜合考慮，本文設(shè)計了錐頂高度H分別為10mm、20mm和30mm 3種形狀的隔爆結(jié)構(gòu)，通過比較穿孔深度和孔徑來得到相關(guān)規(guī)律，數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 不同錐頂中心高度隔爆體串聯(lián)EFP穿孔數(shù)據(jù)Tab.3 Data of the tandem EFP penetration results under different cone height of explosion-proof body

分析表3中數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在串聯(lián)EFP裝藥設(shè)置中心高度為10mm的隔爆體時侵徹深度較大，但后級EFP的侵徹孔徑較小，應(yīng)用在隨進戰(zhàn)斗部前級裝藥上的價值不高；中心高度為20mm和30mm的隔爆體的平均侵徹孔徑和深度相差不大；但是從結(jié)果可以看出中心高度為20mm時隔爆體設(shè)置位置對隔爆效果影響顯著，優(yōu)化后得到的侵徹效果也最佳。圖3所示為隔爆體3種中心錐頂高度在5種不同位置條件下，串聯(lián)裝藥侵徹45#鋼靶剖面圖。

圖3 不同錐頂中心高度隔爆體串聯(lián)EFP裝藥侵徹鋼靶試驗結(jié)果Fig.3 Test results of tandem EFP penetrating steel target under different cone height of explosion-proof body

2.4 數(shù)值模擬與試驗對比分析

最優(yōu)方案A8的數(shù)值模擬和試驗結(jié)果對比如圖4所示。

圖4 串聯(lián)EFP侵徹試驗與數(shù)值模擬結(jié)果對比Fig.4 Comparison of test and numerical simulation results of tandem EFP penetrating steel target

由圖4可見，兩級裝藥侵徹出的孔洞形狀大體上是一致的，可以大致分辨出前后兩級EFP的侵徹區(qū)域。后級EFP的侵徹孔型較為細長，這是由于后級裝藥在小間距條件下，不可避免地受到前級裝藥爆轟場的影響，以及速度和長徑比都有所變化的影響。模擬的孔徑結(jié)果略大于試驗，而侵深則略小于試驗，主要原因可能是數(shù)值模擬中已失效的隔爆材料殘留部分在試驗中可能仍對后級裝藥成型有所影響，造成了兩者之間的細微誤差。

3 結(jié)論

（1）通過數(shù)值模擬和試驗相結(jié)合的方法，對比分析了不同形狀隔爆體在不同條件下對串聯(lián)EFP成型及侵徹性能的影響。兩者差值中最大為8.75%；平均為5.2%，吻合性較好。運用此方法，可以較好地研究串聯(lián)裝藥成型及侵徹相關(guān)過程中的重要影響因素和匹配關(guān)系。

（2）開展了兩級裝藥間距150mm，不同錐頂中心高度隔爆體在不同位置隔條件下串聯(lián)EFP侵徹45#鋼靶板實試驗，得到最優(yōu)方案A8，既大大提高了侵徹深度，又盡可能保證了后級裝藥的開孔直徑，充分說明隔爆體優(yōu)化對串聯(lián)EFP破孔能力提高的重要性。

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