高效聚能戰(zhàn)斗部對圓柱殼靶板毀傷效應(yīng)研究

詹發(fā)民，周方毅，王興雁，姜 濤

(海軍潛艇學院，山東 青島266042)

高效聚能戰(zhàn)斗部對圓柱殼靶板毀傷效應(yīng)研究

詹發(fā)民，周方毅，王興雁，姜 濤

(海軍潛艇學院，山東 青島266042)

對一種圓錐、球缺組合藥型罩高效聚能戰(zhàn)斗部展開研究。分析其作用機理，建立該戰(zhàn)斗部侵徹圓柱殼靶板的力學物理模型，進行數(shù)值模擬計算。研究表明，該戰(zhàn)斗部利用聚能射流能為后續(xù)EFP彈丸隨進破壞提供運動空間，增強對目標的破壞效應(yīng)。

聚能戰(zhàn)斗部;圓柱殼;毀傷效應(yīng);爆炸成型彈丸

0 引言

現(xiàn)代艦艇大多采用高強度合金鋼作為殼體，其抗爆炸沖擊能力大幅提高。即使普通爆破型戰(zhàn)斗部命中該目標后，也很難對其造成毀滅性的打擊［1－2］。因此有必要研制新型戰(zhàn)斗部，提高其破壞威力，而聚能戰(zhàn)斗部是一個理想的選擇。一般情況下，大部分聚能裝藥戰(zhàn)斗部通過聚能射流或爆炸成型彈丸 (EFP)［3－4］對目標進行破壞，破孔尺寸較小，毀傷效果受到一定的影響?；诖?，本文采用一種新型藥型罩結(jié)構(gòu)設(shè)想應(yīng)用于魚雷戰(zhàn)斗部。戰(zhàn)斗部采用圓錐與球缺組合藥型罩結(jié)構(gòu)［5］，利用前級聚能射流為后續(xù)EFP彈丸開辟通道，減小彈丸運動阻力，從而提高聚能戰(zhàn)斗部的破壞威力。利用有限元軟件ANSYS/LS－DYNA展開數(shù)值模擬計算，得到期望的效果。

1 結(jié)構(gòu)原理

高效聚能戰(zhàn)斗部主要由起爆裝置 (雷管)、傳爆藥柱、主裝藥、組合藥型罩、空腔等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，組合藥型罩由錐形罩與球缺罩復(fù)合而成?？涨恢饕糜跒檠b藥提供炸高，提高其破壞效能。該聚能戰(zhàn)斗部將普通藥型罩改變成組合藥型罩，分別由后續(xù)主藥型罩 (球缺罩)和前級副藥型罩(錐形罩)組成。其中，前級副藥型罩主要用于形成金屬射流對目標進行開孔作業(yè)，后續(xù)主藥型罩用于形成EFP彈丸破壞目標。其作用原理是：當引信動作后，首先引爆傳爆藥柱，然后使主裝藥爆轟。前級藥型罩在炸藥的爆炸作用下，產(chǎn)生壓垮運動，其上部形成的高速射流首先完成對目標的穿孔破壞作業(yè)。隨之，前級藥型罩底部在壓合作用下與后續(xù)主藥型罩碰撞復(fù)合形成EFP彈丸。低速彈丸在射流拉動下快速成形并加速，完成對目標的二次侵徹作用［6］。由于前級副藥型罩的作用能夠為后續(xù)的EFP彈丸隨進破壞提供運動空間，可減少穿孔能量的損耗，能提高裝藥的利用率，因此有利于對目標的破壞。

圖1 高效聚能戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch map of shaped charge warhead model

2 數(shù)值模擬

2.1 物理模型

建立高效聚能戰(zhàn)斗部水中接觸爆炸圓柱殼靶板的力學物理模型，如圖2所示。

圖2 計算模型示意圖Fig.2 Sketch map of simulation model

所建戰(zhàn)斗部模型中，裝藥直徑為30 cm，裝藥高度為40 cm;組合藥型罩材料為紫銅;錐形罩厚度為0.2 cm，半錐角為30°，罩高10 cm;球缺罩厚度為0.8 cm，曲率半徑為15.5 cm;炸高 (空氣部分)取30 cm。由于模型是軸對稱的，為減小計算量，建模時取 1/4模型，采用 cm-g-μs單位制［7］。利用大型有限元程序 (ANSYS/LS－DYNA)中的SOLID164六面體單元分別對炸藥、藥型罩、靶板、水、空氣進行網(wǎng)格劃分。其中，炸藥、藥型罩、水、空氣均采用歐拉網(wǎng)格劃分，單元使用多物質(zhì)ALE算法，靶板采用拉格朗日網(wǎng)格劃分。

2.2 材料參數(shù)

1)炸藥選用B炸藥，密度為1.724 g/cm3，爆速為8 080 m/s，裝藥量為36 kg。炸藥爆轟產(chǎn)物的狀態(tài)方程采用JWL方程，其公式如下：

式中：A，B，ω，R1，R2為JWL方程參數(shù);E和V分別為爆轟產(chǎn)物的內(nèi)能和體積。

2)水的密度取1.025 g/cm3。水沖擊壓縮時，采用GRUNEISEN狀態(tài)方程，其公式如下：

水膨脹過程的狀態(tài)方程為：

式中：C為μs－μp曲線的截距;E為單位體積內(nèi)能;ρ為密度;ρ0為初始密度;S1，S2，S3為 μs－ μp曲線斜率的系數(shù);γ0為GRUNEISEN狀態(tài)方程參數(shù);α為對一階體積的修正。

3)空氣采用LS－DYNA3D程序中的NULL材料模型，密度取0.001 25 g/cm3。狀態(tài)方程采用氣體狀態(tài)方程模擬：

式中：P2為氣體壓力;γ為氣體絕熱指數(shù);ρ為密度;ρ0為初始密度;E0為氣體體積比內(nèi)能。

4)藥型罩材料為紫銅，密度為8.96 g/cm3，剪切模量為47.7 GPa，泊松比為0.34;靶板采用合金鋼，密度為7.83 g/cm3，楊氏模量為210 GPa，泊松比為0.28。

藥型罩和靶板均采用Johnson－Cook本構(gòu)方程，其公式如下：

式中：σy為材料應(yīng)力;A，B，C，N，l，m為材料常數(shù);為有效彈性應(yīng)變。

2.3 計算結(jié)果

1)工況1

首先，目標選取為厚度為4 cm、直徑為3 m的圓柱殼靶板 (含30 cm厚，8 cm寬的內(nèi)肋骨)。當高效聚能戰(zhàn)斗部恰好命中肋骨所在位置時，其模擬結(jié)果分別如圖3～圖5所示。

圖3 對厚度為4cm的圓柱殼靶板外部毀傷模擬結(jié)果Fig.3 Simulation result of damage effect to outside of columniform hull which thickness is 4cm

圖4 對厚度為4cm的圓柱殼靶板內(nèi)部毀傷模擬結(jié)果Fig.4 Simulation result of damage effect to inside of columniform hull which thickness is 4cm

圖5 對厚度為4cm的圓柱殼靶板外部毀傷局部放大圖Fig.5 Simulation result of damage effect to outside of columniform hull which thickness is 4cm(partial enlarge diagram)

由結(jié)果可知，該戰(zhàn)斗部對4 cm厚圓柱殼靶板的入口毀傷直徑仍為60 cm，出口毀傷直徑為57.4 cm，相當于2倍的戰(zhàn)斗部直徑;并且，8 cm寬、30 cm厚的內(nèi)肋骨被切斷，切口長度為57.4 cm?？梢?，該戰(zhàn)斗部能輕而易舉地毀傷厚度為4 cm的圓柱殼靶板。

圖6 穿透靶板后的剩余速度曲線圖 (單位：cm/μs)Fig.6 Graph of residual velocity of shaped charge jet after performing target(unit：cm/μs)

圖7 破片飛散速度曲線圖 (單位：cm/μs)Fig.7 Graph of flying velocity of fragment

分析該聚能戰(zhàn)斗部對厚度為4 cm的圓柱殼靶板的毀傷模擬的時間歷程曲線可知：戰(zhàn)斗部所形成的聚能射流在穿透4 cm厚殼體與30 cm厚的肋骨后的剩余速度仍能超過500 m/s，所形成的破片飛散速度約90 m/s，分別如圖6～圖7所示。剩余速度仍然較大，說明該戰(zhàn)斗部仍存在繼續(xù)破壞的能力。靶板破片飛散速度后期出現(xiàn)突然躍升，速度增至110 m/s，分析可能與EFP彈丸的高速碰撞有關(guān)。無論是彈丸還是破片，由于其具有較大的剩余速度，將對目標內(nèi)部設(shè)備和人員造成進一步的致命毀傷。

2)工況2

目標選取為厚度為8 cm、直徑為3 m的圓柱殼靶板 (含30 cm厚、8 cm寬的內(nèi)肋骨)。當高效聚能戰(zhàn)斗部恰好命中肋骨所在位置時，其模擬結(jié)果分別如圖8～圖10所示。由結(jié)果可知，該戰(zhàn)斗部對8 cm厚圓柱殼靶板的入口毀傷直徑仍為56 cm，出口毀傷直徑為51.5 cm，相當于1.7倍的戰(zhàn)斗部直徑;并且，8 cm寬、30 cm厚的內(nèi)肋骨被切斷，切口長度為51.5 cm。總體來看，毀傷效果略小于4 cm厚的靶板，但相差不大。數(shù)值模擬結(jié)果符合隨著厚度增加，抗爆炸沖擊性能增加的基本認知?？梢?，該戰(zhàn)斗部也能有效毀傷厚度為8 cm的圓柱殼靶板。

圖8 對厚度為8 cm的圓柱殼靶板外部毀傷模擬結(jié)果Fig.8 Simulation result of damage effect to outside of columniform hull which thickness is 8 cm

圖9 對厚度為8 cm的圓柱殼靶板內(nèi)部毀傷模擬結(jié)果Fig.9 Simulation result of damage effect to inside of columniform hull which thickness is 8 cm

圖10 對厚度為8 cm的圓柱殼靶板內(nèi)部毀傷局部放大圖Fig.10 Simulation result of damage effect to inside of columniform hull which thickness is 8 cm(partial enlarge diagram)

3 結(jié)語

本文通過建立圓錐、球缺組合式變錐角聚能戰(zhàn)斗部水中接觸爆炸圓柱殼靶板的力學物理模型，并利用大型有限元軟件LS－DYNA進行數(shù)值模擬計算，得出其應(yīng)力分布和速度曲線圖。運用理論分析和數(shù)值模擬等方法展開研究，結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的聚能射流能為后續(xù)EFP彈丸隨進破壞提供運動空間，增強對目標的破壞效應(yīng)，能有效破壞厚度為8 cm的圓柱殼靶板。下一步應(yīng)通過大量的數(shù)值模擬和試驗研究，對組合藥型罩聚能魚雷戰(zhàn)斗部展開結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，并展開該戰(zhàn)斗部對帶含水夾層圓柱殼靶板的數(shù)值模擬與試驗研究，為高效聚能魚雷戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計提供理論和試驗支持。

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Research on damage effect of high-powered shaped charge warhead to columniform hull target

ZHAN Fa-min，ZHOU Fang-yi，WANG Xing-yan，JIANG Tao
(Navy Submarine Academy，Qingdao 266042，China)

A kind of tapered and spherical combined liner shaped charge warhead is researched，and the damge mechanism is analyzed．The physics modle of warhead to columniform hull target is build，numerical simulation is done．The result shows that the shaped charge jet formed by this structure can provide movement space，which improving the damage effect to target．

shaped charge warhead;columniform hull;damage effect;explosively formed;projectile(EFP)

TJ630;TJ760．31

A

1672－7649(2014)06－0073－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.06.014

2012－12－24;

2013－05－28

詹發(fā)民(1970－)，男，副教授，研究方向為水下爆破與水下特種作戰(zhàn)。