多層聚能侵徹體成型數(shù)值模擬*

任 凱,吳 越,2,賈磊朋,石曉山,鄭延斌

(1 中北大學(xué)地下目標(biāo)毀傷技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室,太原 030051;2 中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,太原 030051;3 湖南兵器長城機(jī)械有限公司,湖南婁底 417000;4 國營542廠,吉林吉林 132021)

0 引言

多層EFP戰(zhàn)斗部是近年來針對復(fù)合裝甲、爆炸反應(yīng)裝甲等新型裝甲而提出的新概念戰(zhàn)斗部。由于多層EFP具有諸多優(yōu)點(diǎn),國內(nèi)外學(xué)者對其進(jìn)行了大量的研究。Curtis等[1]研究了不同材料對多層EFP成型的影響。龍?jiān)碵2]研究了曲率半徑對雙層藥型罩EFP戰(zhàn)斗部成型及侵徹的影響。關(guān)于3層EFP戰(zhàn)斗部成型規(guī)律的影響,國內(nèi)外還未進(jìn)行廣泛的研究。作者基于雙層藥型EFP戰(zhàn)斗部,設(shè)計(jì)了一種3層偏心亞半球罩戰(zhàn)斗部,利用ANSYS/LS-DYNA軟件對曲率半徑、藥型罩壁厚和藥型罩材料對EFP成型規(guī)律的影響進(jìn)行研究。該研究對反不敏感彈藥的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

1 計(jì)算模型

所設(shè)計(jì)的3層藥型罩如圖1所示,由炸藥和3層藥型罩及戰(zhàn)斗部殼體組成,藥型罩采用3層偏心亞半球結(jié)構(gòu)。其中裝藥直徑為70 mm,裝藥高度為100 mm,曲率半徑為63 mm,殼體壁厚為3 mm。

圖1 3層藥型罩結(jié)構(gòu)

利用TrueGrid軟件構(gòu)建有限元模型,所有單元均為8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元Solid164,如圖2所示。藥型罩材料均為紫銅,其狀態(tài)方程為Gruneisen形式,具體參數(shù)取自文獻(xiàn)[3]。炸藥材料為8701,狀態(tài)方程為JWL形式。殼體材料為45鋼,具體參數(shù)見文獻(xiàn)[4]。起爆方式為中心點(diǎn)起爆,單位制為cm·g·μs。仿真采用Lagrange算法,使用自動(dòng)面面接觸算法[5-6]。

圖2 仿真模型

2 多層聚能侵徹體典型成型過程

3層藥型罩材料均選用銅,多層聚能侵徹體典型成型過程如圖3所示。

圖3 多層聚能侵徹體典型成型過程

從多層聚能侵徹體典型成型過程可以看出,當(dāng)t=25 μs時(shí),炸藥的爆轟已經(jīng)基本完成,對后續(xù)藥型罩壓垮,反轉(zhuǎn)基本沒有影響,故而t=25 μs開始刪除炸藥和殼體,繼續(xù)進(jìn)行計(jì)算;當(dāng)t=75 μs時(shí),外層罩與內(nèi)層罩和中層罩出現(xiàn)分離,此時(shí)是由于3層罩存在速度差;當(dāng)t=200 μs時(shí),外層罩已經(jīng)與內(nèi)層罩和中層罩分離,且具有很高的速度,而內(nèi)層罩和中層罩沒有產(chǎn)生分離,這是因?yàn)橹袑铀幮驼衷诜崔D(zhuǎn)的過程中與內(nèi)層罩速度差不是很大,中層藥型罩在拉長過程中尾翼部分把內(nèi)層罩包裹,導(dǎo)致內(nèi)層和中層藥型罩未能發(fā)生分離。

圖4 多層聚能侵徹體尾翼

3 藥型罩參數(shù)對成型的影響

3.1 藥型罩曲率半徑對多層聚能侵徹體成型的影響

藥型罩的曲率半徑是EFP成型過程中的重要影響因素。改變藥型罩的曲率半徑,爆轟波對藥型罩的作用位置也會(huì)隨之改變。采用不同的曲徑比Ry/D進(jìn)行數(shù)值模擬,數(shù)值模擬結(jié)果如表1和圖5所示。Vn、Vz、Vw分別表示內(nèi)、中、外層EFP速度,Kn、Kz、Kw分別表示內(nèi)、中、外層EFP長徑比。

表1 不同曲徑比下的仿真數(shù)據(jù)(200 μs時(shí))

從圖5(a)可以看出:隨著Ry/D的增大,中和后EFP的速度在增大,前EFP的速度在減小。從圖5(b)可以看出:隨著曲徑比Ry/D的增大,中和后EFP的長徑比在增大,而前EFP的長徑比在減小。

3.2 藥型罩總壁厚對多層聚能侵徹體成型的影響

國內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)藥型罩壁厚對單層EFP的成型具有較大的影響,隨著壁厚的增加,EFP的長徑比減小,侵徹能力下降[6-7]。針對3層藥型罩進(jìn)行壁厚的影響研究,取厚度比η=1,材料都為紫銅,Ry/D=0.9,裝藥高度和裝藥直徑等其他條件不變。下面分別對銅藥型罩總壁厚e分別為4.50 mm、5.25 mm、6.00 mm、6.75 mm、7.50 mm進(jìn)行數(shù)值模擬,數(shù)值模擬結(jié)果如表2和圖6所示。

從模擬結(jié)果可以看出:藥型罩的厚度越大,串聯(lián)EFP的速度和長徑比越小。當(dāng)藥型罩總壁厚e=6 mm時(shí),所形成的EFP長徑比相差較小,速度差也較小,侵徹體形態(tài)良好。

圖5 侵徹體速度和長徑比與藥型罩曲徑比的關(guān)系

圖6 侵徹體速度和長徑比與藥型罩總壁厚的關(guān)系

e/mmVn/(m/s)Vz/(m/s)Vw/(m/s)KnKzKw侵徹體外形4.51439161319082.2532.2793.3635.251268144817291.5902.0612.89361138130515791.3421.9321.9426.751038118114451.2441.3891.6737.5948108113171.1701.1521.578

3.3 各層藥型罩壁厚對多層聚能侵徹體成型的影響

各層藥型罩的壁厚對EFP的成型具有較大的影響。當(dāng)藥型罩的壁厚過于薄時(shí),EFP在成型的過程中容易被拉斷。當(dāng)藥型罩的壁厚過于厚時(shí),形成的EFP的長徑比較小,對其侵徹能力有較大的影響。當(dāng)藥型罩的總壁厚e=6 mm時(shí),對外層、中層、內(nèi)層藥型罩的厚度比η分為7種情況進(jìn)行數(shù)值模擬,數(shù)值模擬的結(jié)果如表3所列。

從表3可以看出,當(dāng)藥型罩外層、中層、內(nèi)層藥型罩的壁厚比為1∶3∶2時(shí),多層聚能侵徹體的總長度最大,多層聚能侵徹體的速度同樣達(dá)到最大值;當(dāng)藥型罩外、中、內(nèi)層藥型罩的壁厚比為3∶2∶1時(shí),多層聚能侵徹體的總長度最小,多層聚能侵徹體的速度同樣是最小值。這說明,當(dāng)內(nèi)層罩壁厚較薄時(shí),多層聚能侵徹體的成型效果不理想,最主要的原因是內(nèi)層藥型罩基本形成的是多層聚能侵徹體的尾翼部分,內(nèi)層藥型罩的壁厚較薄時(shí),侵徹體的尾翼直徑較大,雖然有很好的氣動(dòng)外形,但是侵徹體的長徑比和速度值都較小,不利于侵徹。

表3 不同厚度比下的仿真數(shù)據(jù)(200 μs時(shí))

3.4 藥型罩材料對多層聚能侵徹體成型的影響

為研究材料對3層藥型罩EFP成型的情況,設(shè)計(jì)了4種仿真方案如表5所示。其中所有金屬的狀態(tài)方程均為Gruneisen形式,且屈服模型都選取Johnson-cook形式。

表4 不同材料藥型罩的計(jì)算參數(shù)

表5 不同材料下的仿真數(shù)據(jù)(200 μs時(shí))

由計(jì)算結(jié)果可以看出,3層藥型罩形成的各個(gè)侵徹體的速度和速度差都會(huì)隨著藥型罩材料密度的增大而減小。侵徹體的形態(tài)由前后分離的EFP逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槭孜蚕噙B的EFP。銅的塑性最好,形成的侵徹體長徑比較大,侵徹體形態(tài)良好。

3.5 藥型罩材料匹配對多層聚能侵徹體成型的影響

為研究藥型罩內(nèi)、中和外層罩材料不同對多層聚能侵徹體的影響,設(shè)計(jì)了6種匹配方案,方案列于表6中,不同匹配方案數(shù)值模擬結(jié)果如表7所示。

表6 藥型罩材料匹配方案

表7 計(jì)算結(jié)果(200 μs時(shí))

由表7可以看出:當(dāng)內(nèi)層和中層藥型罩材料為低密度材料時(shí),藥型罩大部分質(zhì)量基本都形成的是聚能侵徹體的尾翼部分,且尾翼很薄,尾翼的直徑很大,內(nèi)罩和中罩形成的EFP速度差較小很難分離。由計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)藥型罩外、中、內(nèi)層藥型罩材料分別為鋁、銅、鐵時(shí),形成的聚能侵徹體速度差較小,長徑比差較小,侵徹體形態(tài)良好。

4 結(jié)論

1)藥型罩的結(jié)構(gòu)是多層聚能侵徹體成型過程中的重要影響因素。隨著曲率半徑增大,串聯(lián)EFP的速度差逐漸減小,前和中EFP長徑比也逐漸減小,后EFP長徑比逐漸增大。藥型罩壁厚越大,串聯(lián)EFP的速度越小,長徑比也逐漸減小。隨著厚度比的增大,串聯(lián)EFP的速度和速度差都在增大。

2)藥型罩罩材料也對多層聚能侵徹體成型過程具有較大的影響。當(dāng)各層藥型罩材料相同時(shí),串聯(lián)EFP的速度隨著材料密度的增大而減小。當(dāng)各層藥型罩材料不相同時(shí),鋁-銅-鐵組合形成的侵徹體速度差較小,長徑比差最小,且侵徹體形狀較好。

該研究對反低易損彈藥戰(zhàn)斗部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。