線性聚能裝藥對自鍛彈丸干擾的數(shù)值模擬

阮光光,王鳳英,岳繼偉,石軍磊

(中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院,山西 太原 030051)

線性聚能裝藥對自鍛彈丸干擾的數(shù)值模擬

阮光光,王鳳英,岳繼偉,石軍磊

(中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院,山西 太原 030051)

為了研究線性聚能裝藥以不同角度干擾自鍛彈丸的效果,采用有限元軟件ANSYS/ls-dyna對線性聚能裝藥從不同角度(0°、30°、60°、90°)干擾自鍛彈丸以及自鍛彈丸被干擾后侵徹45號鋼板的全過程進行數(shù)值模擬，然后運用Lsprepost后處理軟件分析了自鍛彈丸與聚能裝藥的射流頭部在相遇前、相遇過程以及相遇后侵徹45號鋼板過程中3個階段的物理變化，通過分析對比自鍛彈丸被干擾后的偏轉(zhuǎn)距離、破碎程度、侵徹能力等確定了線性聚能裝藥干擾自鍛彈丸的最佳干擾角度。結(jié)果表明,線性聚能裝藥可以對自鍛彈丸進行有效的干擾，其干擾角度對干擾效果有較大影響。在0°～90°范圍內(nèi)，干擾角度為60°時干擾效果最佳。

線性聚能裝藥;干擾；聚能射流；自鍛彈丸;數(shù)值模擬；侵徹

引 言

通過附加裝甲以增強坦克等武器系統(tǒng)戰(zhàn)場生命力是目前防護技術(shù)中最重要的手段之一，爆炸反應(yīng)裝甲依靠炸藥爆炸產(chǎn)生的爆炸場以及被炸藥驅(qū)動的飛板干擾聚能射流和動能長桿彈[1-3]，其基本結(jié)構(gòu)為“鋼板+炸藥+鋼板”的三明治式結(jié)構(gòu)，但是爆炸反應(yīng)裝甲對自鍛彈丸的防御效果不佳[4-5]。第5代爆炸反應(yīng)裝甲作為目前最先進的具有三防功能(防破甲，防穿甲，防串聯(lián)戰(zhàn)斗部)的爆炸反應(yīng)裝甲，線性聚能裝藥是其核心結(jié)構(gòu)，主要依靠其爆炸形成的線性射流來干擾來襲射流以及長桿彈[6];李勇等[7]采用數(shù)值模擬的方法對線性聚能裝藥干擾長桿式動能彈進行了研究，并取得了良好的防御效果。但采用線性聚能裝藥干擾自鍛彈丸方面，國內(nèi)外尚未有文獻報道。

本研究采用有限元軟件ANSYS/ls-dyna對線性聚能裝藥以不同角度干擾來襲自鍛彈丸以及自鍛彈丸被干擾后侵徹45號鋼板的全過程進行了動態(tài)數(shù)值模擬，通過分析對比后效靶板上的最大侵徹深度、彈坑數(shù)目等參數(shù)以確定線性聚能裝藥干擾自鍛彈丸的效果以及最佳干擾角度，以期為解決自鍛彈丸的防御問題提供參考。

1 數(shù)值模擬

1.1 模型的建立

自鍛彈丸選取大錐角(150°)圓錐形藥型罩,其開口直徑40mm,藥型罩厚度2mm，裝藥高度40mm，炸高200mm；線性聚能裝藥參數(shù)為：開口直徑20mm，藥型罩厚度1mm，裝藥高度30mm；靶板尺寸為100mm×50mm×50mm，其剖面圖如圖1所示，其中干擾角度(θ)分別選取0°、30°、60°、90°；當(dāng)干擾角度(θ)為0°和90°時，線性聚能裝藥中心軸線與自鍛彈丸軸線分別重合與垂直。

圖1 線性聚能裝藥干擾自鍛彈丸的數(shù)值模型剖面圖Fig.1 Numerical model profile of interference the self forging projectile from linear shaped charge

1.2 材料模型的確定

自鍛彈丸和線性聚能裝藥藥型罩材料為紫銅，炸藥為B炸藥，靶板材料為45號鋼。由于該模型具有對稱性，因此在模擬線性聚能裝藥干擾自鍛彈丸以及侵徹靶板全過程中建立1 /2 模型。整個模擬過程的數(shù)值模型為：炸藥、藥型罩、空氣域和鋼靶，其中炸藥、藥型罩、空氣域為流體模型并采用Euler網(wǎng)格，鋼靶為固體模型并采用Lagrange 網(wǎng)格。本研究中選擇的數(shù)值模型的材料本構(gòu)關(guān)系和狀態(tài)方程如下：炸藥采用HIGH-EXPLOSIVE-BURN 模型，狀態(tài)方程為JWL；藥型罩采用STINBERG模型，狀態(tài)方程為GRUNEISEN；空氣域采用無偏應(yīng)力流體動力模型( NULL )，狀態(tài)方程用GRUNEISEN 描述；鋼板的模型采用隨動塑性模型 (PLASTIC-KINEMATIC) 。

1.3 計算方法

采用ALE算法對線性聚能裝藥干擾自鍛彈丸的過程進行數(shù)值模擬，采用流固耦合算法對被干擾后的自鍛彈丸侵徹靶板的過程進行數(shù)值模擬。采用控制變量法，不考慮其他變量，只研究線性聚能裝藥對自鍛彈丸因干擾角度的不同對干擾效果造成的影響。

通過Lsprepost 后處理軟件分析自鍛彈丸與射流頭部相遇前、相遇過程以及自鍛彈丸被干擾后侵徹靶板過程3個階段的數(shù)值模擬結(jié)果。分析結(jié)果為：射流頭部與自鍛彈丸在68μs時剛好相遇，120μs時被干擾后的自鍛彈丸開始接觸靶板，200μs時被干擾后的自鍛彈丸失去侵徹能力。

2 結(jié)果與討論

2.1 射流頭部與自鍛彈丸相遇前的結(jié)果分析

根據(jù)模擬結(jié)果，在研究射流與自鍛彈丸相遇前這一階段時，觀察60μs時的狀態(tài)，如圖2所示。

圖2 60μs時線性聚能裝藥與自鍛彈丸相遇前的效果圖Fig.2 Impression drawing before meeting of linear shaped charge and self forging projectile at 60μs

當(dāng)藥型罩結(jié)構(gòu)為大錐角(120°～160°)金屬錐罩或曲率半徑為1.00～2.36倍裝藥直徑的球缺罩、雙曲線罩時，炸藥爆炸后形成的爆轟波作用于藥型罩界面時形成自鍛彈丸；藥型罩錐角小于120°時形成射流。由圖2可看到，60μs時自鍛彈丸和射流尚未接觸，此刻的速度可作為射流干擾自鍛彈丸前的速度，測得此刻自鍛彈丸速度為2020m/s,射流頭部速度為3460m/s，尾部速度為670m/s。

2.2 射流頭部與自鍛彈丸相遇過程的結(jié)果分析

根據(jù)Lsprepost 后處理軟件觀察數(shù)值模擬過程，68μs時，自鍛彈丸與射流頭部開始接觸；72μs時自鍛彈丸與射流脫離接觸，其效果圖如圖3所示。

圖3 72μs時自鍛彈丸被線性聚能裝藥干擾后的效果圖Fig.3 Impression drawing of after intercepting self forging projectile from linear shaped charge at 72μs

由圖3可知，自鍛彈丸與射流頭部相遇時，由于二者均具有極高的速度以及自鍛彈丸在形成過程中內(nèi)部沒有被完全壓實，從而使自鍛彈丸與射流相遇過程中發(fā)生破碎并產(chǎn)生大量碎片；且相遇過程中自鍛彈丸在射流的干擾作用下還會偏離原有運動的路徑(中心對稱軸線)。由于線性聚能裝藥干擾自鍛彈丸的角度(θ)不同，自鍛彈丸的破碎程度和偏離程度也有一定的差異。直接分析破碎程度和偏離程度比較困難，因此本研究通過分析被干擾后的自鍛彈丸開始侵徹靶板至失去侵徹能力這一時期靶板上的最大彈坑數(shù)目來說明自鍛彈丸的破碎情況，分析最大侵徹深度偏離靶板軸線距離來說明自鍛彈丸偏離中心軸線的程度。

2.3 自鍛彈丸侵徹靶板過程的結(jié)果分析

自鍛彈丸與干擾射流脫離接觸后繼續(xù)向前運動，在120μs時開始接觸靶板，200μs時失去侵徹能力；在200μs時由于碎片間的相互影響其彈坑會發(fā)生重疊造成誤差；通過觀察后處理結(jié)果可知，在185μs時彈坑最為清晰，其效果圖如圖4所示。

圖4 185μs時自鍛彈丸侵徹靶板的效果圖Fig.4 Impression drawing of self forging projectile penetrating target plate at 185μs

由圖4可知，靶板上的彈坑數(shù)目在干擾角度(θ)0°～90°內(nèi)，θ越大彈坑數(shù)目越多，但θ接近90°時彈坑數(shù)目又隨之減少；由此可知在θ為0°～90°內(nèi)，隨著θ的增大，自鍛彈丸的破碎程度也隨之增強，但θ接近90°其破碎程度將減弱。

在分析自鍛彈丸偏離程度時，如果直接測量其偏離角度比較困難，因此，選擇通過分析被干擾后的自鍛彈丸在失去侵徹能力后在靶板上留下的最大侵徹深度的彈坑偏轉(zhuǎn)中心軸線的距離來說明，通過后處理軟件觀察自鍛彈丸在200μs時已經(jīng)失去侵徹能力，其效果圖如圖5所示。

圖5 200μs時自鍛彈丸失去侵徹能力時靶板的效果圖Fig.5 Impression drawing of target plate of loss of penetration ability of self forging projectile at 200μs

由圖5可知，由于線性聚能裝藥對自鍛彈丸干擾角度的不同，自鍛彈丸被干擾后在侵徹靶板后靶板上的彈坑數(shù)目(n)、彈坑分布直徑(D)、最大侵徹深度(h)、最大侵徹深度彈坑偏離靶板軸線距離(L)均存在一定的差異，測量200μs時靶板彈坑參數(shù)如表1所示。

表1 200μs時的靶板彈坑參數(shù)

由表1可知，θ在0°～90°內(nèi)，隨著θ的增大，自鍛彈丸被線性聚能裝藥干擾后最大侵徹深度減小，θ為60°時最大侵徹深度最?。浑S著θ的增大，被干擾后的自鍛彈丸侵徹靶板最大侵徹深度偏離中心軸線的距離逐漸變小，靶板上的彈坑數(shù)目隨著θ角的增大而增多，說明自鍛彈丸的破碎程度隨著θ角的增大而增強，但θ接近90°時其破碎程度降低；靶板上的彈坑分布直徑隨著θ的增大而逐漸減小，說明隨著θ的增大，自鍛彈丸被干擾后對靶板的影響范圍變小。

因射流與自鍛彈丸的接觸時間極短，因此分析射流干擾自鍛彈丸過程中可將射流假設(shè)為密度均勻、截面相等、速度為V的彈丸：根據(jù)模擬結(jié)果可知，θ為60°時，線性聚能裝藥對自鍛彈丸的干擾效果最好。當(dāng)θ為 60°時，線性聚能裝藥產(chǎn)生的射流與自鍛彈丸相遇時可將其速度V分解為垂直于自鍛彈丸中心軸線的方向速度V1和與自鍛彈丸中心軸線平行速度V2(方向與自鍛彈丸相反)兩個方向，如圖6所示。

圖6 射流速度分解圖Fig. 6 Decomposition graph of jet velocity

比較θ為0°、30°、60°時射流的分速度(V1、V2)大小變化，當(dāng)θ為 60°時，射流的分速度(V1)即與自鍛彈丸運動路徑垂直方向的速度最大，這說明在射流侵徹進入自鍛彈丸內(nèi)部后其垂直于自鍛彈丸方向的能量最大，因此破碎程度較大，產(chǎn)生的碎片較多；當(dāng)θ為90°時，雖然其垂直于自鍛彈丸的速度(V1)最大，但是其與自鍛彈丸平行且方向相反的速度(V2)為零，又因為射流速度(V)遠大于自鍛彈丸速度，在兩者相遇時射流會瞬間以近似垂直于自鍛彈丸中心軸線的方向?qū)⑵浯┩?，因此其破碎程度也最低，干擾效果較差；由此也可得出，線性聚能裝藥干擾自鍛彈丸的角度(θ)對自鍛彈丸破碎程度有較大影響，而自鍛彈丸的破碎程度直接影響其侵徹能力，進而驗證了θ對干擾效果有較大的影響。

3 結(jié) 論

(1)采用數(shù)值模擬軟件ANSYS/ls-dyna建立了數(shù)值模型，通過對自鍛彈丸被不同干擾角度的線性聚能裝藥干擾后侵徹45號鋼板的過程進行數(shù)值模擬，得出線性聚能裝藥可以有效地對來襲自鍛彈丸進行干擾，其干擾效果與線性聚能裝藥的干擾角度θ有關(guān)。

(2)自鍛彈丸在被線性聚能裝藥干擾后會發(fā)生破碎，其破碎程度與線性聚能裝藥的干擾角度θ有關(guān)。在0°～90°范圍內(nèi)，θ越大，自鍛彈丸的破碎程度越大，但θ接近90°其破碎程度降低；自鍛彈丸的破碎程度越高，其侵徹能力越低，干擾效果越好。

(3)在0°～90°內(nèi),θ越大，自鍛彈丸被線性聚能裝藥干擾后對45號鋼板的侵徹能力越強，當(dāng)θ為60°時侵徹能力最弱，因此當(dāng)θ為60°時干擾效果最好。

(4)自鍛彈丸被干擾后會偏離原來的運動路徑并且其產(chǎn)生的碎片仍然具有侵徹能力；自鍛彈丸的偏離距離和在靶板上的分布范圍隨著θ的增大而減小。

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Numerical Simulation of Interference Self Forging Projectile from Linear Shaped Charge

RUAN Guang-guang,WANG Feng-ying,YUE Ji-wei,SHI Jun-lei

(School of Environment and Chemical Engineering,North University of China, Taiyuan 030051,China)

To study the effect of linear shaped charge on the interference of self forging projectile at different angles, the whole process of interference self forging projectile from linear shaped charge at different angles (0°、30°、60°and 90°) and penetrating into No.45 steel plate after the self forging projectile was intercepted was numerically simulated by finite element software ANSYS/ls-dyna.The three stages of physical change in the process of penetrating the No.45 steel plate of self forging projectile with the jet head of shaped charge before meeting, meeting process and after meeting were analyzed through the Lsprepost postprocessing software. The optimum interferencing angle of interferencing the self forging projectile from linear shaped charge was determined through the comparative analysis of deflection distance, broken degree, penetration ability etc. after the self forging projectile is interference.The results show that the linear shaped charge can effectively interfere with self forging projectile, and the interference angle has a great influence on the effect of interference. In the range of 0° to 90°, the effect of interference is best when the interference angle is 60°.

linear shaped charge; interference；shaped jet;self forging projectile; numerical simulation;penetration

10.14077/j.issn.1007-7812.2017.02.014

2016-09-25；

2016-12-05

國家自然科學(xué)基金(No.11572292)

阮光光(1990-)，男，碩士研究生，從事戰(zhàn)斗部設(shè)計研究。E-mail:rggjiayou@163.com

TJ55;O38

A

1007-7812(2017)02-0075-04