藥型罩破片群成型的數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)研究

龔柏林，初 哲，王可慧，耿寶剛，吳海軍，吳崇欣

（西北核技術(shù)研究所，西安710024）

藥型罩破片群成型的數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)研究

龔柏林，初 哲，王可慧，耿寶剛，吳海軍，吳崇欣

（西北核技術(shù)研究所，西安710024）

為解決常規(guī)藥型罩破片群成型中存在的徑向發(fā)散不足的問題，對傳統(tǒng)的成型彈體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，并對藥型罩破片群的成型過程進(jìn)行了數(shù)值仿真，最后通過靶板效應(yīng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。研究結(jié)果表明，藥型罩破片群的徑向發(fā)散能力得到了有效增強(qiáng)，形成的破片群徑向散布角達(dá)到18°。

爆炸力學(xué)；藥型罩破片群；多模戰(zhàn)斗部；聚能裝藥

定向破片群模式是多模戰(zhàn)斗部的一種重要?dú)Ｊ?，主要通過對藥型罩的破壞與分割，最終在目標(biāo)方向上形成覆蓋較大范圍的高速破片場。該模式下產(chǎn)生的破片數(shù)量多、覆蓋面積大，可有效對付運(yùn)輸車、飛機(jī)、雷達(dá)、指揮系統(tǒng)、地面人員等面目標(biāo)。目前，國內(nèi)外實(shí)現(xiàn)藥型罩破片群成型的主要方法相對統(tǒng)一［1-12］，主要通過在藥型罩前端設(shè)置網(wǎng)狀的隔柵或切割索等切割裝置，實(shí)現(xiàn)對藥型罩的切割與分離。但這種方法存在一個明顯的問題，即成型的破片群徑向散布角小，一般不大于10°，因而破片群打擊覆蓋面積較小、毀傷能力受限等。

為了解決上述問題，首先初步分析了導(dǎo)致藥型罩破片群徑向發(fā)散不足的原因，根據(jù)分析結(jié)果改進(jìn)了傳統(tǒng)的彈體結(jié)構(gòu)；其次，基于LS－DYNA3D有限元計(jì)算軟件，對藥型罩破片群的成型過程進(jìn)行了數(shù)值仿真；最后，通過實(shí)驗(yàn)對仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 聚能成型特性的初步理論分析

以定常模型為例，分析了藥型罩在壓垮過程中的運(yùn)動特性［13］。計(jì)算模型如圖1所示。圖中，α為藥型罩初始半錐角；OC為罩壁初始位置。假設(shè)爆轟波沿藥型罩中心軸線方向傳播，當(dāng)爆轟波到達(dá)罩壁上A點(diǎn)時，A點(diǎn)開始運(yùn)動。設(shè)A點(diǎn)的壓垮速度為v0，其方向與罩內(nèi)表面外法線的夾角為δ。δ稱為變形角或偏轉(zhuǎn)角。

根據(jù)Taylor公式，有

式中，vD為爆轟波速度。設(shè)A點(diǎn)速度v0的方向與藥型罩中心軸線的夾角為θ，根據(jù)幾何關(guān)系，有

v0存在一個向軸向方向聚合的速度分量v0sinθ。根據(jù)式（1）和式（2），有

該速度分量是導(dǎo)致射流軸向聚合的原因。當(dāng)藥型罩以向后折合的形式形成射彈時，也會產(chǎn)生類似的速度分量。對于定向破片群模式，壓垮中的藥型罩在初始時刻被隔柵或切割索分割后，雖然能形成多個藥型罩小破片，但由于存在一個向軸線方向匯聚的速度分量，被切割后成型的破片群仍然具有向軸線聚攏的趨勢，導(dǎo)致破片群徑向發(fā)散不足，徑向散布角偏小。

若要增大藥型罩破片群的散布角，應(yīng)在藥型罩被切割時或切割后，為藥型罩提供徑向發(fā)散驅(qū)動，以抵消軸向聚合的速度分量，并賦予破片徑向發(fā)散的速度。因此，可在切割裝置中心內(nèi)置機(jī)械機(jī)構(gòu)驅(qū)動源或化爆驅(qū)動源，適時啟動驅(qū)動源推動切割裝置和藥型罩向外擴(kuò)張，實(shí)現(xiàn)藥型罩被切割后的發(fā)散。可根據(jù)藥型罩聚合速度和破片群的徑向散布要求，設(shè)計(jì)驅(qū)動源的輸出能量。

2 彈體結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

采用一種特殊結(jié)構(gòu)的切割裝置替代傳統(tǒng)的隔柵結(jié)構(gòu)。將該切割裝置置于藥型罩口部下方，并固接于殼體內(nèi)壁。彈體結(jié)構(gòu)如圖2所示。該切割裝置通過將多個切割片拼接，形成一個中心帶空腔的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。藥型罩被壓垮并與切割裝置發(fā)生作用后，將首先被切割片分割成多個破片。由于壓垮過程中，藥型罩頂部區(qū)域的軸向速度最高，切割片難以對該區(qū)域的藥型罩實(shí)施有效切割；同時，藥型罩頂部的高速沖擊也極易對切割裝置造成破壞。因此，在切割裝置中心預(yù)留了一個空腔，以避開藥型罩頂部區(qū)域?qū)η懈钛b置的沖擊。同時，在該空腔中內(nèi)置輔助裝藥作為化爆驅(qū)動源，使其在藥型罩被切割的同時發(fā)生爆炸，推動切割片結(jié)構(gòu)和藥型罩一同向外擴(kuò)張。

另外，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)也能較好地兼容多模戰(zhàn)斗部其他模式的成型。當(dāng)多模戰(zhàn)斗部需調(diào)整為爆炸成型彈丸或聚能桿模式時，可以先啟動擴(kuò)張驅(qū)動源，破壞藥型罩切割裝置，為爆炸成型彈丸或聚能桿的成型留出通道。

改進(jìn)后的彈體結(jié)構(gòu)主要包括主裝藥、藥型罩、殼體、端蓋和切割裝置等。其中，主裝藥采用鑄裝B炸藥，裝藥直徑為90mm，長徑比為0.8。藥型罩為紫銅材料制成的同壁厚球缺罩，壁厚為2.5mm，口徑與裝藥直徑相同。殼體、端蓋及切割裝置均由45＃鋼材料制成。其中，殼體厚3mm，端蓋厚10 mm。切割片厚3mm，軸向高度為15mm。切割片中心空腔內(nèi)置泰安炸藥作為輔助裝藥。

3 藥型罩破片群成型過程的數(shù)值仿真

為考核結(jié)構(gòu)改進(jìn)后藥型罩破片群的成型效果，選用大型有限元計(jì)算軟件LS－DYNA3D對彈體作用過程，即藥型罩破片群的成型過程進(jìn)行了數(shù)值仿真。根據(jù)上述彈體結(jié)構(gòu)建立有限元模型，如圖3所示。計(jì)算中，將主裝藥、輔助裝藥和空氣剖分為歐拉網(wǎng)格?？紤]到藥型罩將經(jīng)歷大變形過程且其在爆轟加載下呈現(xiàn)出接近流體的特性，計(jì)算時將藥型罩剖分為歐拉網(wǎng)格。將殼體、端蓋和切割裝置剖分為拉格朗日網(wǎng)格，并置入歐拉網(wǎng)格中。采用ALE算法處理拉格朗日網(wǎng)格和歐拉網(wǎng)格之間的相互作用。計(jì)算時，在空氣所占?xì)W拉區(qū)域的邊界施加壓力外流邊界條件，以模擬無限歐拉場，避免壓力在邊界上的反射。各結(jié)構(gòu)之間采用自動面面接觸。

采用高能燃燒材料模型和JWL狀態(tài)方程描述主裝藥和輔助裝藥，采用Johnson－Cook材料模型和Gruneisen狀態(tài)方程描述藥型罩，采用流體彈塑性材料模型和Gruneisen狀態(tài)方程描述殼體、端蓋及切割裝置，采用空物質(zhì)材料模型和線性多項(xiàng)式狀態(tài)方程描述空氣介質(zhì)。材料參數(shù)分別列于表1－表5中。起爆點(diǎn)位于主裝藥上端面中心。

藥型罩破片群成型過程的數(shù)值仿真如圖4所示。

由于計(jì)算中藥型罩被剖分為歐拉單元，因此無法根據(jù)計(jì)算結(jié)果定量統(tǒng)計(jì)藥型罩破片群的數(shù)量和質(zhì)量。但從圖4可以看出：藥型罩破片在軸向方向高速飛散的同時，徑向方向的發(fā)散也比較明顯。而且，由于切割裝置中心空腔的存在，藥型罩經(jīng)切割作用后形成了中心一個大破片、周圍較多小破片的破片群。周圍破片群的軸向速度為2～3km·s－1，由于受到輔助裝藥的增強(qiáng)作用，中心大破片的軸向速度較高，主裝藥起爆后110μs時，中心破片頭部軸向速度最高達(dá)4.29km·s－1。

當(dāng)切割裝置中不含輔助裝藥時，切割片及藥型罩喪失了擴(kuò)張發(fā)散的動力，藥型罩被切割后形成的破片基本不發(fā)散且中心毀傷元的破片速度也相對較低，主裝藥起爆后110μs時，中心破片頭部軸向速度最高達(dá)2.5km·s－1。在無輔助裝藥情況下，藥型罩的成型過程數(shù)值仿真結(jié)果如圖5所示。

數(shù)值仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的切割裝置有利于藥型罩破片群的成型及徑向發(fā)散。分析藥型罩的作用過程可知，藥型罩成型為定向破片群的過程主要包含3個步驟：1）藥型罩在壓垮的過程中被切割片分割，實(shí)現(xiàn)了分區(qū)；2）輔助裝藥起爆驅(qū)動切割片擴(kuò)張運(yùn)動，實(shí)施了對藥型罩各分區(qū)的進(jìn)一步分離；3）在分離過程中，藥型罩流體在切割裝置的作用下，被擠壓、干擾和破壞，形成了多個藥型罩小破片。

4 藥型罩破片群成型的靶板效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證結(jié)構(gòu)改進(jìn)后藥型罩破片群的成型性能。采用靜爆打靶的方式，開展了藥型罩破片群成型的靶板效應(yīng)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)彈體結(jié)構(gòu)參數(shù)如上節(jié)所述，彈體實(shí)物如圖6所示。在彈體前方設(shè)置效應(yīng)鋼板以驗(yàn)證破片群毀傷元的成型，并獲得破片群的分布。靶板豎直立于爆炸罐內(nèi)，彈體水平放置并對正靶板中心。實(shí)驗(yàn)炸高設(shè)為1 000mm，采用尺寸為500mm ×500mm×8mm的單層45＃鋼板作為效應(yīng)靶板。為避免形成的毀傷元穿透靶板后對爆炸罐造成破壞，在靶板后布置了多層45＃防護(hù)鋼板，鋼板在軸線方向的總厚度為500mm。起爆方式為主裝藥上端面中心單點(diǎn)起爆。實(shí)驗(yàn)布局如圖7所示。

起爆后，靶板上的瞄準(zhǔn)點(diǎn)及其附近有較多穿孔及破片落點(diǎn)。瞄準(zhǔn)中心區(qū)的破片落點(diǎn)基本上為貫穿，且越靠近瞄準(zhǔn)中心，靶板落點(diǎn)的侵深越深。實(shí)驗(yàn)后的靶板如圖8所示。

根據(jù)靶板穿孔形狀及分布可以判斷，藥型罩在切割裝置的作用下形成了破片群，32枚藥型罩破片侵徹并貫穿8mm厚鋼靶。最大穿孔位于靶板中心，直徑約為40mm，為球缺形藥型罩的頂部區(qū)域侵徹靶板后形成；靶板中心周圍有多個小孔，孔徑約為8～15mm，為藥型罩周邊部分在切割裝置的作用下成型的小破片侵徹靶板后形成，其中一些相對較小的穿孔可能是切割后的藥型罩小破片在較大的炸高下拉伸、斷裂所致。在穿孔周圍有較多直徑、侵深均較小的彈坑，可能是藥型罩受切割片干擾形成的小顆粒侵徹所致。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，靶板上破片落點(diǎn)分布區(qū)直徑約為310mm，破片群徑向散布角達(dá)18°。

另外，實(shí)驗(yàn)中回收了緊貼靶板布置的防護(hù)鋼板，如圖9所示。從圖中可見，防護(hù)鋼板正面對應(yīng)瞄準(zhǔn)中心的位置有一個直徑約45mm、深約25mm的彈坑，其余位置無明顯侵徹痕跡。該現(xiàn)象充分說明，形成的藥型罩破片群具有明顯的速度分布規(guī)律，速度沿徑向方向的分布梯度較大。中心破片速度最高，雖經(jīng)過切割裝置作用后消耗了部分能量，削弱了藥型罩破片的成型質(zhì)量，但中心破片仍具有較強(qiáng)的侵徹能力。破片群中越靠近彈體軸心，破片速度越高。這些結(jié)果與數(shù)值仿真結(jié)果均相吻合。

5 結(jié)論

分析了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中藥型罩破片群徑向發(fā)散不足的原因，改進(jìn)了彈體結(jié)構(gòu)并用數(shù)值仿真和靶效實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了效應(yīng)驗(yàn)證。研究結(jié)果表明，改進(jìn)后的彈體結(jié)構(gòu)，可以較好地實(shí)現(xiàn)藥型罩破片群的成型，形成的破片群徑向散布角達(dá)18°，且能有效貫穿8mm厚的45＃鋼板。該藥型罩破片群成型方法有利于與其他模式的集成，可以應(yīng)用于多模戰(zhàn)斗部。

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Numerical Simulation and Experimental Research on Forming of Liner Fragments

GONG Bo－lin，CHU Zhe，WANG Ke－h(huán)ui，GENG Bao－gang，WU Hai－jun，WU Chong－xin
（Northwest Institute of Nuclear Technology，Xi'an，710024China）

In traditional forming technology of liner fragments，radial dispersion of liner fragments is limited.To solve this problem，the traditional structure of shaped charge warheads was improved.Simulation of the forming progress of liner fragments was done，and the forming effects were validated experimentally.It is concluded from the results that the ability of radial dispersion of liner fragments is enhanced，and the radial dispersion angle of liner fragments reaches 18°.

explosion mechanics；liner fragments；multimode warhead；shaped charge

O383

A

2095 6223（2015）03 220 05

2014 11 15；

2015 04 20

龔柏林（1982－），男，湖北云夢人，助理研究員，博士，主要從事常規(guī)戰(zhàn)斗部技術(shù)研究。

E－mail：gongbolin＠nint.ac.cn