壁厚對(duì)具有PELE效應(yīng)的EFP成型影響分析*

王雪飛,尹建平,孫加肖

(中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,太原 030051)

0 引言

PELE(橫向效應(yīng)增強(qiáng)型侵徹體)是近幾年來出現(xiàn)的一種基于新型毀傷機(jī)理的新概念彈藥,其發(fā)展受到國內(nèi)外彈藥界的普遍關(guān)注。該彈藥由高密度的外層殼體和裝在殼體內(nèi)部的低密度惰性裝填物組成,當(dāng)其撞擊目標(biāo)時(shí),彈丸內(nèi)部裝填物的壓力急劇增大,殼體產(chǎn)生徑向膨脹,并對(duì)靶板擴(kuò)孔。彈丸穿透目標(biāo)后應(yīng)力釋放,外殼碎裂形成大量碎片。作為一種新概念毀傷元,這種彈體能像穿甲彈一樣穿透目標(biāo)的防護(hù)裝甲,其獨(dú)特的材料和結(jié)構(gòu)還能使其在貫穿目標(biāo)后破碎,形成像榴彈一樣的破片場(chǎng),在目標(biāo)內(nèi)產(chǎn)生二次殺傷效應(yīng)[1-2]。PELE撞擊靶板能夠產(chǎn)生明顯的橫向效應(yīng),橫向效應(yīng)的強(qiáng)弱受多種因素影響。尹建平等研究了內(nèi)外徑比與長徑比對(duì)PELE橫向效應(yīng)的影響[3-4],李干等研究了不同輕金屬填充材料對(duì)PELE的影響[5]。

近年來,許多學(xué)者就弧錐結(jié)合藥型罩結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)EFP成型的影響進(jìn)行了各種研究,如D.Cardoso和F.Teixeira-Dias研究了EFP形成的方式與影響其性能的因素[6],李偉兵等研究了弧錐結(jié)合罩的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)EFP成型的影響[7]。但僅通過觀察仿真結(jié)果總結(jié)了EFP成型的趨勢(shì),并未從微觀角度闡述現(xiàn)象發(fā)生的原理。且對(duì)于具有PELE效應(yīng)EFP的成型與侵徹,國內(nèi)很少有人研究報(bào)道。本研究將PELE彈的作用原理應(yīng)用在爆炸成型彈丸上,設(shè)計(jì)了一種內(nèi)含低密度裝填物的新型弧錐結(jié)合罩。采用LS-DYNA有限元軟件,通過擬合EFP成型參數(shù)曲線,分析了藥型罩的各層壁厚對(duì)EFP成型的影響規(guī)律。

1 藥型罩的結(jié)構(gòu)參數(shù)與模型

新型弧錐結(jié)合藥型罩采用次口徑變壁厚設(shè)計(jì)[8-9],其結(jié)構(gòu)如圖1所示。藥型罩結(jié)構(gòu)參數(shù)為曲率半徑R1、R2、R3、R4,半錐角α1、α2、α3、α4及外層壁厚δ1、裝填物壁厚δ2、內(nèi)層壁厚δ3。裝藥高度為60 mm,裝藥直徑60 mm。藥型罩的初始數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 新型弧錐結(jié)合藥型罩初始結(jié)構(gòu)參數(shù)

參數(shù)參數(shù)值參數(shù)參數(shù)值δ1/mm0.35α1/(°)83δ2/mm0.60α2/(°)83δ3/mm0.35α3/(°)70R1/mm50α4/(°)70R2/mm50藥型罩直徑/mm52R3/mm50裝填物直徑/mm51R4/mm50

裝藥和藥型罩均采用Lagrange算法,能夠精確描述結(jié)構(gòu)邊界的運(yùn)動(dòng)且計(jì)算速度較快。使用Truegrid軟件進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分,建立如圖2所示的三維有限元網(wǎng)格模型。采用過渡網(wǎng)格針對(duì)局部進(jìn)行優(yōu)化。炸藥與藥型罩界面上的節(jié)點(diǎn)完全對(duì)應(yīng),增強(qiáng)裝藥與藥型罩之間的耦合作用[10]。

裝藥采用8701炸藥,密度為1.82 g/cm3,爆速為8 480 m/s,采用高能炸藥材料模型計(jì)算,用Jones-Wilkins-Lee狀態(tài)方程描述其爆轟產(chǎn)物壓力,起爆方式為中心點(diǎn)起爆。藥型罩材料為鋼,密度為7.83 g/cm3,內(nèi)部裝填物的材料為鋁,密度為2.77 g/cm3,兩者動(dòng)力響應(yīng)過程選取Johnson-Cook材料模型和Gruneisen狀態(tài)方程聯(lián)合描述。添加*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURF-ACE關(guān)鍵字定義裝藥與藥型罩之間的接觸算法[10]。

2 壁厚對(duì)藥型罩形成EFP的影響

2.1 影響EFP成型的因素

藥型罩成型結(jié)果主要與藥型罩微元(環(huán)形)的壓垮速度有關(guān),影響罩微元壓垮速度的主要因素包括裝藥的爆速、罩微元的質(zhì)量、罩微元所對(duì)應(yīng)的裝藥質(zhì)量及裝藥爆轟波陣面對(duì)罩微元的入射角等[11]。本研究所設(shè)計(jì)方案采用相同的裝藥結(jié)構(gòu)、起爆方式、藥型罩材料與口徑。故影響罩微元壓垮速度的重要因素便只剩下罩微元的質(zhì)量與爆轟波對(duì)罩微元的入射角。而罩微元的質(zhì)量與罩的壁厚相關(guān)。

2.2 外層壁厚對(duì)EFP成型的影響

保持其他參數(shù)不變,調(diào)整外層壁厚δ1的大小,仿真結(jié)果如圖3所示。作出EFP速度、中心厚度、長度與長徑比隨外壁厚變化的曲線,如圖4所示。

結(jié)合圖3和圖4分析外層壁厚的增大對(duì)EFP成型的影響:

①由圖4(a)可知,EFP速度逐漸減小。這是因?yàn)橥鈱颖诤裨龃髮?dǎo)致藥型罩整體質(zhì)量增加,從而使EFP速度減小。

②由圖4(b)可知,EFP中心厚度逐漸減小。因?yàn)橥鈱颖诤裨龃笫蛊湮⒃|(zhì)量增加,導(dǎo)致其微元速度減小。而只改變外層罩的結(jié)構(gòu)參數(shù),內(nèi)層罩和裝填物所受到影響的變化相對(duì)較小。所以藥型罩罩頂部分速度梯度減小,其拉伸的長度變短,即形成的EFP中心厚度減小。

③由圖3可知,EFP形狀逐漸由向前壓攏型向向后翻轉(zhuǎn)型轉(zhuǎn)變。因?yàn)檎值缀穸认鄬?duì)于整體較薄,故罩底部分的材料更容易發(fā)生形變[12]。又因?yàn)樵诔尚瓦^程中罩底微元本身的速度梯度很小,故研究罩底微元的變化時(shí),主要考察其速度變化即可。綜上所述,當(dāng)外層罩微元速度減小時(shí),罩底部分的微元速度隨之減小,其在EFP成型過程中走的就靠后,即EFP尾翼位置向后移動(dòng),從而使EFP的形狀由壓攏型逐漸向翻轉(zhuǎn)型轉(zhuǎn)變。

④由圖4(c)、圖4(d)可知,EFP長度先急劇減小后稍微增大,徑向尺寸先增大后減小,長徑比先減小后增大。當(dāng)δ1<0.25 mm時(shí),EFP長度隨著尾翼的后翻和中心厚度的減小而急劇減小。當(dāng)0.25 mm<δ1<0.85 mm時(shí),EFP長度因中心厚度的減小而逐漸減小。當(dāng)δ1>0.85 mm,雖然中心厚度仍在減小,但尾翼的后翻,反而使EFP長度逐漸增大;EFP徑向尺寸隨著尾翼的后翻先變大后變小;EFP長徑比在徑向尺寸和長度的共同作用下先減小后增大。

擬合EFP速度隨外層壁厚變化的曲線方程:

(1)

式中:v1為EFP速度;δ1為外層壁厚。

2.3 裝填物壁厚對(duì)EFP成型的影響

保持其他參數(shù)不變,改變裝填物壁厚δ2的大小,仿真結(jié)果如圖5所示。圖6為EFP速度、中心厚度、長度與長徑比隨裝填物壁厚變化的曲線。

結(jié)合圖5和圖6分析裝填物壁厚增大對(duì)于EFP成型的影響:

①由圖6(a)可知,EFP速度減小。因?yàn)檠b填物壁厚增大使藥型罩整體質(zhì)量增加,故EFP速度減小。

②由圖6(b)可知,EFP中心厚度先減小后增大。

當(dāng)δ2<1.6 mm時(shí),因?yàn)殡S著材料的增多藥型罩抵抗變形的能力有所提升[12],所以EFP中心厚度逐漸減小。當(dāng)δ2>1.6 mm時(shí),由于EFP尾翼變形過大導(dǎo)致微元之間的牽扯作用增大[11],EFP中心厚度反而增大。這種牽扯作用能夠影響速度梯度的大小,從而影響EFP成型。

③由圖5可知,EFP的形狀逐步由壓攏型向翻轉(zhuǎn)型轉(zhuǎn)變。因?yàn)檠b填物壁厚增加使其微元速度減小,故罩底速度減小,從而使EFP尾翼逐漸后翻。

④由圖6(c)、圖6(d)可知,EFP長度先稍微減小后急劇增大,徑向尺寸持續(xù)增大,長徑比先減小后增大。當(dāng)δ2<2.1 mm時(shí),EFP長度等于罩頂厚度,兩者變化規(guī)律一致,均逐漸減小。當(dāng)δ2>2.1 mm時(shí),隨著EFP尾翼的后翻,其長度逐漸變大;EFP徑向尺寸也隨著尾翼的翻轉(zhuǎn)持續(xù)增大;EFP長徑比在徑向尺寸和長度的共同作用下先減小后增大。

擬合EFP速度隨裝填物壁厚變化的直線方程:

v2=3 038.403 88-248.689 92δ2

(2)

式中:v2為EFP速度;δ2為裝填物壁厚。

2.4 內(nèi)層壁厚對(duì)EFP成型的影響

保持其他參數(shù)不變,改變內(nèi)層壁厚δ3的大小,仿真結(jié)果如圖7所示。圖8為EFP速度、中心厚度、長度與長徑比隨內(nèi)層壁厚變化的曲線。

結(jié)合圖7和圖8分析內(nèi)層壁厚增大對(duì)于EFP成型的影響:

①由圖8(a)可知,EFP速度減小。因?yàn)閮?nèi)層壁厚增大導(dǎo)致藥型罩整體質(zhì)量增加,故EFP速度減小。

②由圖8(b)可知,EFP中心厚度先增大后減小。因?yàn)閮?nèi)層壁厚增大使其各個(gè)微元質(zhì)量增加,導(dǎo)致內(nèi)層罩微元速度減小。又因?yàn)橹桓淖兞藘?nèi)層罩的結(jié)構(gòu)參數(shù),外層罩和裝填物所受到影響的變化相對(duì)較小。所以,當(dāng)δ3<0.65 mm時(shí),罩頂部分速度梯度變大,故拉伸變長,從而EFP中心厚度增大。當(dāng)δ3>0.65 mm時(shí),由于尾翼翻轉(zhuǎn)變形過大引起微元之間的牽制作用變大,從而導(dǎo)致EFP中心厚度減小。

③由圖7可知,EFP的形狀逐漸由向前壓攏型向向后翻轉(zhuǎn)型轉(zhuǎn)變。因?yàn)閮?nèi)層罩微元的速度減小,導(dǎo)致罩底微元的速度也隨之減小,從而使EFP尾翼位置逐漸向后移動(dòng),即EFP的形狀由壓攏型逐漸向翻轉(zhuǎn)型轉(zhuǎn)變;

④由圖8(c)、圖8(d)可知,EFP長度上下波動(dòng),徑向尺寸先變大后變小,長徑比先急劇減小后迅速增大。當(dāng)δ3<0.25 mm時(shí),EFP長度因尾翼的后翻而減小。當(dāng)0.25 mm<δ3<1.15 mm時(shí),EFP長度等于EFP中心厚度。在此區(qū)間,當(dāng)0.25 mm<δ3<0.65 mm時(shí),EFP的長度隨著中心厚度的增大而增大,當(dāng)0.65 mm<δ3<1.15 mm時(shí),隨著中心厚度的減小而減小。當(dāng)δ3>1.15 mm時(shí),EFP長度因?yàn)槲惨淼闹饾u后翻而稍微增大;EFP徑向尺寸隨著尾翼的翻轉(zhuǎn)先變大后變小;EFP長徑比在徑向尺寸和長度的共同作用下先減小后增大。

擬合EFP速度隨下壁厚變化的曲線方程:

(3)

式中:v3為EFP速度;δ3為內(nèi)層壁厚。

2.5 對(duì)比分析

將EFP成型參數(shù)隨外層罩、內(nèi)層罩和裝填物壁厚變化的曲線進(jìn)行對(duì)比,如圖9所示。

由圖9(a)可知,內(nèi)、外層壁厚的曲線幾乎重合,且變化速度很快,而裝填物壁厚的曲線變化較慢。這是因?yàn)閮?nèi)、外層罩材料的密度相對(duì)于裝填物材料較高,增加相同的厚度,質(zhì)量增加相對(duì)較多,故其曲線變化較快。內(nèi)、外層壁厚的曲線重合,說明EFP速度與EFP整體質(zhì)量直接相關(guān),而與某一層的質(zhì)量無直接關(guān)系。

由圖9(b)可知,外層壁厚的改變對(duì)EFP的中心厚度影響很大,內(nèi)壁厚次之,裝填物壁厚最小。根據(jù)上文的分析可知,這是因?yàn)槿邔?duì)EFP成型影響的原理不同,這里不再贅述。

結(jié)合圖9(c)、圖9(d)可知,當(dāng)外層壁厚過大時(shí),EFP長徑比過小,導(dǎo)致侵徹效應(yīng)降低;當(dāng)裝填物壁厚過大時(shí),形成的EFP其長度和徑向尺寸均很大,其尾翼部分在成型過程中容易被拉斷而影響EFP的飛行穩(wěn)定性。通過觀察EFP仿真成型過程得知,裝填物壁厚過大導(dǎo)致藥型罩外圍的裝藥高度上升,從而使裝藥對(duì)藥型罩的作用時(shí)間變長,最終形成了這種不良的尾部形態(tài);當(dāng)內(nèi)層壁厚過小時(shí),雖然形成的EFP長徑比較大,但是過于壓攏的尾翼將影響其整體性能。

結(jié)合圖3和圖7可知,與外層壁厚相比,改變相同的數(shù)值,內(nèi)層壁厚對(duì)于EFP尾翼形狀的影響更大。這是因?yàn)閮?nèi)罩微元從罩口到罩頂其外切錐半頂角從70°連續(xù)變化到90°,相比外罩從83°到90°,變化范圍更大,造成相鄰微元的軸向速度差相對(duì)較大,所以對(duì)EFP尾翼形狀的影響更大[11]。

3 藥型罩結(jié)構(gòu)優(yōu)化與EFP侵徹效應(yīng)

結(jié)合各層壁厚對(duì)EFP成型的影響,對(duì)弧錐結(jié)合藥型罩的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。圖10為藥型罩形成EFP的過程,從圖中可以看出,優(yōu)化后的藥型罩能夠形成內(nèi)含低密度材料的包覆式EFP,且包覆效果較好。

表2 優(yōu)化的弧錐結(jié)合罩結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖11為EFP頭尾速度和中心厚度隨時(shí)間變化的曲線。結(jié)合圖10和圖11可知,EFP頭尾速度在100 μs時(shí)基本趨于一致,其頭部速度為2 308 m/s,長徑比為1.75。

EFP對(duì)靶板的侵徹結(jié)果如圖12所示。選取裝甲鋼為靶板材料,密度為7.83 g/cm3,尺寸為60 mm×60 mm×10 mm,其四周施加非反射邊界。圖12(a)為EFP侵徹靶板后的仿真結(jié)果,圖12(b)為其左視圖(隱藏了靶板),可以看出EFP在穿透靶板后碎裂成大量破片。圖12(c)和圖12(d)顯示了靶板被穿透的細(xì)節(jié),其中開孔入口直徑為φ23 mm,出口直徑為φ34 mm。圖12(e)為EFP穿透靶板后的速度云圖,可以看出此時(shí)EFP產(chǎn)生的破片仍具有較高的速度。整體來看,EFP憑借內(nèi)、外兩層藥型罩形成的殼體獲得了良好的穿甲性能,能夠穿透靶板并產(chǎn)生橫向效應(yīng)對(duì)靶板擴(kuò)孔,之后應(yīng)力釋放,碎裂形成具有較高軸向、徑向速度的破片,對(duì)靶后目標(biāo)進(jìn)行有效毀傷。

4 結(jié)論

1)通過擬合EFP成型參數(shù)曲線分析了各層壁厚對(duì)EFP成型的影響規(guī)律,并得到了EFP速度隨各層壁厚變化的曲線方程,為今后進(jìn)一步研究基于PELE效應(yīng)的EFP具有一定的指導(dǎo)作用。

2)外層壁厚和裝填物壁厚取值不宜過大,內(nèi)層壁厚取值不宜過小,三者分別在0.35～0.85 mm、0.2～1.6 mm、0.45～0.75 mm取值較為適宜;改變相同的數(shù)值,內(nèi)、外層壁厚對(duì)EFP速度的影響幾乎一致,外層壁厚對(duì)于EFP中心厚度的影響最大,內(nèi)層壁厚對(duì)于EFP尾翼形狀的影響最大。

3)設(shè)計(jì)的新型弧錐結(jié)合藥型罩,能夠形成具有PELE效應(yīng)的包覆式EFP,在射入靶板時(shí)產(chǎn)生橫向效應(yīng)使靶板擴(kuò)孔,并在穿透靶板后產(chǎn)生大量破片對(duì)目標(biāo)內(nèi)部進(jìn)行二次殺傷,對(duì)提升反輕型裝甲目標(biāo)彈藥的毀傷能力有所幫助。