環(huán)型聚能裝藥侵徹靶板能力影響因素分析

傅　磊，王偉力，黃雪峰，姜穎資（海軍航空工程學(xué)院.研究生管理大隊(duì)；.兵器科學(xué)與技術(shù)系，山東煙臺(tái)264001）

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環(huán)型聚能裝藥侵徹靶板能力影響因素分析

傅磊a，王偉力b，黃雪峰a，姜穎資a
（海軍航空工程學(xué)院a.研究生管理大隊(duì)；b.兵器科學(xué)與技術(shù)系，山東煙臺(tái)264001）

摘要：采用正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法優(yōu)化環(huán)型聚能裝藥結(jié)構(gòu)，利用ANSS/LS-DNA軟件，對(duì)環(huán)型聚能裝藥侵徹靶板過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，得出了藥型罩開(kāi)口角度、藥型罩壁厚、裝藥高度、炸高4種因素對(duì)環(huán)形射流穿靶時(shí)間及剩余速度的影響規(guī)律。仿真結(jié)果表明，對(duì)射流穿靶時(shí)間及剩余速度影響較大的因素為藥型罩開(kāi)口角度，優(yōu)化后的環(huán)型聚能裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)靶板侵徹能力顯著提高。

關(guān)鍵詞：爆炸力學(xué)；環(huán)型聚能裝藥；數(shù)值模擬；正交設(shè)計(jì)

環(huán)型聚能裝藥是由聚能裝藥理論發(fā)展起來(lái)的一種新型聚能裝藥結(jié)構(gòu)，其藥型罩相當(dāng)于將楔型罩的線型聚能裝藥按一定半徑繞成中空的圓環(huán)形狀[1]。環(huán)型聚能裝藥起爆后形成環(huán)形“薄片”狀射流，可用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)靶板的大口徑切割。目前，針對(duì)線型聚能裝藥的研究較多[2-6]，而對(duì)環(huán)型聚能裝藥的研究方興未艾。王成等[7-8]人對(duì)W型聚能裝藥的射流形成過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和仿真研究。吳成等[1]人基于等動(dòng)量原理，采用質(zhì)量補(bǔ)償方法對(duì)環(huán)型聚能藥型罩進(jìn)行了設(shè)計(jì)。王偉力、李永勝等[9-10]人對(duì)中空環(huán)型聚能裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。目前，針對(duì)環(huán)型聚能裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其侵徹能力的影響規(guī)律需加強(qiáng)研究。

本文采用正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法對(duì)上述中空環(huán)型聚能裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，利用ANSS/LS-DNA軟件，對(duì)環(huán)型聚能裝藥侵徹靶板過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究不同裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)因素改變對(duì)環(huán)型聚能裝藥侵徹靶板能力的影響規(guī)律。

1　計(jì)算模型

1.1結(jié)構(gòu)參數(shù)與有限元模型

本文選取的環(huán)型聚能裝藥結(jié)構(gòu)以本課題組設(shè)計(jì)的中空環(huán)型聚能裝藥結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)[9]，如圖1所示。藥型罩材料采用紫銅，開(kāi)口口徑為d=80mm，主裝藥采用柱錐體形狀的注裝梯黑裝藥，殼體選用Q235A鋼，殼體厚度為g=10mm。靶板厚度為40mm。起爆方式為裝藥頂端中心處環(huán)形多點(diǎn)起爆。相關(guān)研究表明，裝藥、藥型罩、炸高、隔板等因素都對(duì)聚能裝藥破甲效果有一定影響[11]。對(duì)于本文研究的環(huán)型聚能裝藥而言，不考慮隔板因素，改變藥型罩開(kāi)口角度2α、藥型罩壁厚δ、裝藥高度h和炸高H，采用正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法合理設(shè)置不同參數(shù)的裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬。

圖1　環(huán)型聚能裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.1 Structural parameters of annular shaped charge

模型分為裝藥、藥型罩、殼體、靶板和空氣。SOLID164實(shí)體單元，映射網(wǎng)格劃分，殼體與靶板采用拉格朗日網(wǎng)格，單點(diǎn)積分算法。裝藥、藥型罩和空氣采用歐拉網(wǎng)格，多物質(zhì)ALE算法。計(jì)算模型中，將空氣外邊界施加透射條件，靶板外邊界設(shè)置固支條件。為提高計(jì)算效率，當(dāng)環(huán)形射流基本成形后刪除殼體材料。采用1/4模型進(jìn)行運(yùn)算。圖2所示為環(huán)型聚能裝藥結(jié)構(gòu)的有限元模型。

1.2本構(gòu)方程與計(jì)算參數(shù)

計(jì)算模型中，環(huán)型聚能裝藥采用高能炸藥燃燒模型與JWL狀態(tài)方程；藥型罩選取STEINBURG模型，殼體材料選取JOOHSON-COOK模型，均采用GRUNEISEN狀態(tài)方程；空氣材料選取NULL模型與線性多項(xiàng)式狀態(tài)方程；鋼靶選用隨動(dòng)塑性模型。材料參數(shù)列于表1~5[9-10]。

圖2　環(huán)型聚能裝藥結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.2 Finite element model of annular shaped charge

表1　裝藥的材料參數(shù)Tab.1 Parameters of eplosive

表1　裝藥的材料參數(shù)Tab.1 Parameters of eplosive

ρ0/(g/cm3) 1.717 PCJ/GPa 27.6 A/GPa 524.2 B/GPa 7.678 R1 4.2 R2 1.1 ω 0.35

表2　藥型罩的材料參數(shù)Tab.2 Parameters of liner

表3　殼體的材料參數(shù)Tab.3 Parameters of shell

表4　空氣的材料參數(shù)Tab.4 Parameters of air

表5　鋼靶的材料參數(shù)Tab.5 Parameters of palte

圖3　試驗(yàn)布置圖Fig.3 Setup of the eperiment

圖4　試驗(yàn)結(jié)果與仿真效果對(duì)比圖Fig.4 Contrast between eperimental and simulation effects

表6　仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較Tab.6 Comparison between simulation and eperimental data

表6　仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較Tab.6 Comparison between simulation and eperimental data

數(shù)據(jù)仿真試驗(yàn)觸靶時(shí)間/μs 45 40穿靶時(shí)間/μs 100 120切割孔徑/mm 383 380

通過(guò)毀傷效果的比較，可知數(shù)值仿真與試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性，仿真所用的計(jì)算參數(shù)較為準(zhǔn)確，可以采用數(shù)值模擬方法來(lái)進(jìn)行環(huán)型聚能裝藥結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2　數(shù)值仿真與分析

2.1正交設(shè)計(jì)方案

根據(jù)前期的設(shè)計(jì)安排，保持裝藥材料、藥型罩材料、殼體材料及厚度等條件不變，選取藥型罩開(kāi)口角度（2α）、藥型罩壁厚（δ）、裝藥高度（h）、炸高（H）作為正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)的4個(gè)因素。

這些因素對(duì)應(yīng)的水平取值，都是根據(jù)現(xiàn)有資料，考慮到實(shí)際需要及加工要求，在合理的范圍內(nèi)選取。最終確定的裝藥結(jié)構(gòu)因素及水平的取值如表7所示。

表7　因素水平表Tab.7 Factors and levels

1.3試驗(yàn)驗(yàn)證

在對(duì)環(huán)型聚能裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)之前，選取原來(lái)設(shè)計(jì)的環(huán)型聚能裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)[10]進(jìn)行侵徹靶板的數(shù)值模擬。所采用的環(huán)型聚能裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)為：藥型罩錐角2α=60°，藥型罩壁厚δ=5.0mm，裝藥高度h=120mm，炸高H=80mm。然后，根據(jù)數(shù)值模擬條件設(shè)置靶場(chǎng)試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬相對(duì)比以確定仿真結(jié)果的可信性。試驗(yàn)設(shè)置如圖3所示，試驗(yàn)得到的環(huán)型聚能裝藥侵徹靶板后效果與仿真效果的對(duì)比如圖4所示。同時(shí)，根據(jù)靶場(chǎng)試驗(yàn)所采集的相應(yīng)數(shù)據(jù)，與仿真結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表6。

將射流穿靶時(shí)間t及穿靶后射流平均剩余速度v作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的評(píng)定指標(biāo)。所選因素所對(duì)應(yīng)的全部16個(gè)水平選取L16（45）正交表來(lái)安排，具體方案設(shè)計(jì)及仿真結(jié)果見(jiàn)表8所示，表中分別以A、B、C、D表示表7中的4個(gè)因素。

表8　優(yōu)化設(shè)計(jì)方案及仿真結(jié)果Tab.8 Orthogonal design scheme and simulation results

根據(jù)數(shù)值仿真結(jié)果，可以得到各因素對(duì)環(huán)型聚能裝藥侵徹靶板能力影響的結(jié)果。所選指標(biāo)隨因素的變化趨勢(shì)如圖5、6所示。

圖5　穿靶時(shí)間隨因素變化曲線Fig.5 Change curves of penetration time with factors

圖6　剩余速度隨因素變化曲線Fig.6 Change curves of remaining velocitwith factors

射流穿靶時(shí)間隨藥型罩錐角增大而變小，剩余速度隨藥型罩錐角增大而增大，當(dāng)2α=70°時(shí)，射流穿靶時(shí)間最短，剩余速度也最大；隨著藥型罩壁厚增加，射流穿靶時(shí)間呈現(xiàn)先減小后變大趨勢(shì)，剩余速度則隨之減小，當(dāng)δ=5.0mm時(shí)，射流穿靶時(shí)間最短，δ=4.0mm時(shí)，射流剩余速度最大；裝藥高度對(duì)2個(gè)指標(biāo)的影響趨勢(shì)與藥型罩錐角一致，當(dāng)h=130mm時(shí)，射流穿靶時(shí)間最短，射流剩余速度也最大；對(duì)炸高而言，射流穿靶時(shí)間隨炸高增大而呈現(xiàn)先減小后變大趨勢(shì)，剩余速度隨炸高增大而增大，當(dāng)H=80mm時(shí)，射流穿靶時(shí)間最短，H=85mm時(shí)，射流剩余速度最大。由分析結(jié)果可知，4個(gè)因素對(duì)2個(gè)指標(biāo)的影響趨勢(shì)各有不同，為了得到較好的結(jié)構(gòu)參數(shù)，需要通過(guò)方差分析，進(jìn)一步確定因素影響程度。

2.2仿真結(jié)果方差分析

各因素所在列的離差平方和S2i，統(tǒng)計(jì)量F值的計(jì)算公式[12]如下：式（1）、（2）中：Ⅰi、Ⅱi、Ⅲi、Ⅳi分別表示表8因素所在第i列的同水平數(shù)據(jù)之和；T為數(shù)據(jù)總和；m表示水平重復(fù)數(shù)；n為數(shù)據(jù)總個(gè)數(shù)；fi為各因素所在列離差平方和的自由度，fe表示誤差平方和的自由度。

對(duì)于給定的顯著性水平α（分別取α=0.05，α=0.01），通過(guò)F分布表可查得臨界值Fα(fi,fe)，若Fi>F0.05(fi,fe)，則說(shuō)明此列所對(duì)應(yīng)因素對(duì)指標(biāo)影響顯著，以“*”標(biāo)記；若Fi>F0.01(fi,fe)，則說(shuō)明此列所對(duì)應(yīng)因素對(duì)指標(biāo)影響高度顯著，以“**”標(biāo)記。經(jīng)過(guò)計(jì)算，對(duì)于穿靶時(shí)間t及剩余速度v的方差分析分別見(jiàn)表9、10。通過(guò)方差分析可知，因素A對(duì)于環(huán)型射流的穿靶時(shí)間t和剩余速度v而言均為高度顯著影響因素，因素B、C對(duì)于剩余速度而言為顯著影響因素，因素D 對(duì)2個(gè)指標(biāo)的影響均不顯著。

表9　穿靶時(shí)間方差分析Tab.9 Variance analsis of penetration time

表9　穿靶時(shí)間方差分析Tab.9 Variance analsis of penetration time

方差源ABCDeT離差平方和797.15 31.80 255.04 70.03 38.34 1 192.36自由度333331 5均方265.72 10.60 85.01 23.34 F值20.79 0.83 6.65 1.83顯著性**

表10　剩余速度方差分析Tab.10 Variance analsis of remaining velocit

表10　剩余速度方差分析Tab.10 Variance analsis of remaining velocit

方差來(lái)源ABCDeT離差平方和0.224 0.020 0.054 0.017 0.002 0.317自由度333331 5均方0.075 0.007 0.018 0.006 F值112 10 27 8.5顯著性** **

查表得到F0.05(3,3)=9.28，F(xiàn)0.01(3,3)=29.5。結(jié)合圖5、6，可選定較好的結(jié)構(gòu)參數(shù)為A4B1C4，對(duì)因素D，可選定剩余速度較高的水平D4。由此得到優(yōu)選方案參數(shù)：2α=70°，h=130mm，H=85mm，δ=4.0mm。

2.3優(yōu)化方案仿真計(jì)算

上述優(yōu)化方案參數(shù)沒(méi)包含在表8設(shè)置的方案中，需進(jìn)一步數(shù)值仿真以驗(yàn)證優(yōu)化的正確性。由得到的優(yōu)化方案參數(shù)建立有限元模型，利用前面給出的材料模型參數(shù)，計(jì)算得到優(yōu)化后的環(huán)型裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)侵徹靶板仿真結(jié)果：射流穿靶時(shí)間t=32 μs，穿靶后平均剩余速度v=1 490 m/s，見(jiàn)圖7。由表8可知，優(yōu)化得到的環(huán)型聚能裝藥結(jié)構(gòu)穿靶時(shí)間更短，射流平均剩余速度較高。從仿真效果看，觸靶前環(huán)形射流成型較好，侵徹靶板過(guò)程中無(wú)明顯射流堆積，靶板切割較為均勻。

圖7　優(yōu)化方案參數(shù)仿真結(jié)果Fig.7 Smulation time of optimal scheme parameters

3　結(jié)論

2）優(yōu)化得到的環(huán)型聚能裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)為：藥型罩開(kāi)口角度70°、藥型罩壁厚4.0mm、裝藥高度130mm、炸高85mm。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的環(huán)型聚能裝藥侵徹能力明顯提高。

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Influencing Factors Analssiiss of Annular Shaped Charge Penetrating Into Plate

FU Leia, WANG Wei-lib, HUANGue-fenga, JIANGing-zia
（NavAeronautical and Astronautical Universit, a. Graduate Students’Brigade; b. Department of Ordnance Science and Technolog,antai Shandong 264001, China）

作者簡(jiǎn)介：傅磊（1987-），男，博士生。

基金項(xiàng)目：部委技術(shù)研究基金資助項(xiàng)目（40107）

收稿日期：2014-06-3?0；

DOI:10.7682/j.issn.1673-1522.2015.02.012

文章編號(hào)：1673-1522（2015）02-0151-05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類號(hào)：TJ410.3

修回日期：2015-01-16