內(nèi)置敏感器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)偏心罩EFP成型的影響

駱建華，張根生，薄學(xué)綱，劉榮忠 ，郭 銳，邢柏陽(yáng)

(1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094；2.山西漢陽(yáng)化工有限公司，山西 太原 030051； 3.江蘇永豐機(jī)械有限責(zé)任公司,江蘇 淮安 223001)

引 言

本研究運(yùn)用AUTODYN模擬計(jì)算軟件研究?jī)?nèi)置敏感器組件結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)EFP成型的影響，獲得內(nèi)置敏感器組件對(duì)EFP毀傷性能的影響規(guī)律，以期對(duì)末敏彈EFP戰(zhàn)斗部的進(jìn)一步研究提供指導(dǎo)作用。

1 計(jì)算模型及有效性驗(yàn)證

1.1 幾何模型

為得到兼具大長(zhǎng)徑比和氣動(dòng)穩(wěn)定的EFP，前期基于球缺藥型罩結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)設(shè)計(jì)出偏心罩結(jié)構(gòu)，通過(guò)改變球缺藥型罩的內(nèi)、外圓弧圓心的相對(duì)位置，以調(diào)整母線上的相對(duì)壁厚，得到向后翻轉(zhuǎn)的密實(shí)的侵徹體[10]。本研究的EFP戰(zhàn)斗部采用球缺型偏心罩，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Warhead structure

整體裝置軸對(duì)稱，內(nèi)圓弧圓心位于戰(zhàn)斗軸線上，半徑為R1，外圓弧圓心偏離軸線，半徑為R2。裝藥口徑為D，裝藥高度為l，敏感器件形狀為圓柱形或階梯圓柱，整體高度為l2，其第一階圓柱直徑為D1，高度為l3，第二階圓柱直徑為D2，敏感器件距起爆點(diǎn)距離為l1。

1.2 材料模型

本研究采用二維軸對(duì)稱模擬計(jì)算模型，由于爆炸成型彈丸的形成涉及高應(yīng)變率、高過(guò)載過(guò)程，因此模擬計(jì)算中采用ALE算法計(jì)算涉及網(wǎng)格大變形、材料流動(dòng)問(wèn)題的EFP形成過(guò)程。作如下假設(shè)：(1)裝藥結(jié)構(gòu)為嚴(yán)格軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)；(2)炸藥、藥型罩、殼體與截?cái)囿w均為連續(xù)介質(zhì)材料；(3)整個(gè)爆炸過(guò)程為絕熱過(guò)程。其中，藥型罩、波導(dǎo)管材料分別為紫銅、鋁；壓螺和殼體材料為45號(hào)鋼，本構(gòu)方程選用Johnson-Cook模型，狀態(tài)方程為 Grüneisen方程，其中Johnson-Cook本構(gòu)方程式為:

(1)

Grüneisen狀態(tài)方程的壓力表達(dá)式為:

(2)

式中：ρ0為材料初始密度；E為內(nèi)能；ρ為當(dāng)前時(shí)間步對(duì)應(yīng)的材料密度；C、S1、S2、S3、γ0、α為材料特性參數(shù)；μ=ρ/ρ0-1。

針對(duì)可燃外墻保溫材料，除滿足相應(yīng)的SBI單體燃燒試驗(yàn)和可燃性試驗(yàn)的判定指標(biāo)要求外，還新增加了氧指數(shù)的要求。其中，B1級(jí)保溫材料的氧指數(shù)要求≥30%；B2級(jí)保溫材料的氧指數(shù)要求≥26%。

主裝藥為8701炸藥，狀態(tài)方程為JWL狀態(tài)方程，其表達(dá)式為:

(3)

式中：A、B、R1、R2、ω為常數(shù)；E為炸藥單位體積中的內(nèi)能。

敏感器件由酚醛樹(shù)脂材料代替。狀態(tài)方程同樣選用Grüneisen狀態(tài)方程，其中C=0.1933，S1=3.49，S2=-8.2，S3=9.6。各材料的具體參數(shù)如表1所示。

1.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)于末敏彈EFP來(lái)說(shuō)，其飛行穩(wěn)定性及成型EFP速度可以通過(guò)試驗(yàn)與模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證模擬計(jì)算的可信度。試驗(yàn)分別選用l1/l=0.1、l2/l=0.14、D1/D=0.25、l3/l2=0.7、D2/D1=0.8尺

表1 戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)材料參數(shù)Table 1 The material parameters of warhead structure

寸下的敏感器件。EFP成型模擬計(jì)算結(jié)果如圖2所示，模擬計(jì)算得到成型EFP速度為1769m/s，長(zhǎng)徑比為3.37，EFP尾部直徑為50mm。采用模擬計(jì)算方案的EFP戰(zhàn)斗部進(jìn)行100m靶道試驗(yàn)。在靶前5m處設(shè)置通斷靶測(cè)量EFP著靶速度。同時(shí)為觀察EFP的形狀及飛行姿態(tài)，在靶板前50m處開(kāi)始間隔10m設(shè)置5個(gè)網(wǎng)靶，EFP在穿過(guò)網(wǎng)靶時(shí)會(huì)在網(wǎng)靶上留下孔形。

圖2 EFP成型模擬計(jì)算結(jié)果Fig.2 EFP molding simulation results

試驗(yàn)時(shí)EFP在60、80m處網(wǎng)靶留下的孔形及EFP侵徹靶板情況如圖3所示，試驗(yàn)中紗網(wǎng)靶孔洞直徑D3、在靶板處形成孔形大小D4及EFP著靶速度v如表2所示。

圖3 EFP侵徹靶板試驗(yàn)情況Fig.3 EFP penetration target test situations

由圖3和表2可知，EFP準(zhǔn)確命中100m外靶板，在紗網(wǎng)上留下了平均直徑為47.7mm的孔洞，且截面較為完整，從紗網(wǎng)靶的孔形可以判斷EFP主要杵體部分完整，在空中飛行姿態(tài)穩(wěn)定。試驗(yàn)結(jié)果與模擬計(jì)算結(jié)果較為接近，誤差不大于5%。對(duì)靶板的貫穿結(jié)果表明，得到EFP的侵徹能力是能夠得到保證的。3發(fā)戰(zhàn)斗部試驗(yàn)測(cè)得的彈丸飛行平均速度為1342m/s，低于模擬計(jì)算結(jié)果，這是由于試驗(yàn)中EFP速度是在距離成型裝藥95m處測(cè)得，考慮到EFP在飛行過(guò)程中速度衰減約為4～5m/s，取中間值4.5m/s速度降，模擬計(jì)算得到EFP靶前5m速度為1341.5m/s，與試驗(yàn)所得平均著靶速度誤差不超過(guò)5%，表明試驗(yàn)中EFP成型時(shí)的速度與模擬計(jì)算值較為吻合。因此可以證明本研究所使用的模擬計(jì)算方法是可信的，可以進(jìn)行下一步的模擬計(jì)算研究。

表2 EFP侵徹靶板試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results EFP penetration target

2 敏感器件結(jié)構(gòu)對(duì)EFP成型的影響

在含敏感器組件的聚能戰(zhàn)斗部中起爆炸藥后，爆轟波是透過(guò)敏感器傳到主裝藥中。通過(guò)改變敏感器厚度可以調(diào)整爆轟波到達(dá)藥型罩頂部的時(shí)間差。爆轟波有兩種傳播路徑：一為繞過(guò)敏感器傳到主裝藥中；二為透過(guò)敏感器件傳到主裝藥中。從而得到3種隔爆方式：完全隔爆、完全不隔爆和不完全隔爆，與這3種隔爆方式相對(duì)應(yīng)，在主裝藥中得到3種形狀的爆轟波：錐面爆轟波、球面爆轟波和平面爆轟波[7]。圖4為有內(nèi)置敏感器件、無(wú)內(nèi)置敏感器件時(shí)爆轟波的形狀及成型EFP速度曲線，模型中兩者尺寸相同，藥型罩結(jié)構(gòu)相同。敏感器尺寸為l3/l2=1、l1/l=0.1、D1/D=0.7、D1/D2=1。

由圖4可以看出，上述敏感器件的存在會(huì)使爆轟波形狀發(fā)生變化，主裝藥中有中峰爆轟波和側(cè)峰爆轟波，而且中峰爆轟波和側(cè)峰爆轟波達(dá)到藥型罩時(shí)間近似相等，爆轟波形由球面波變化成為平面波，同時(shí)有敏感器情況下爆轟波在軸向位置發(fā)生碰撞，使得軸向壓力更大，成型的EFP頭部速度增大，更容易得到大長(zhǎng)徑比的EFP。但緊湊型末敏彈中，由于敏感器件的存在，戰(zhàn)斗部有效裝藥減少，使得成型EFP整體速度有所下降，模型中有敏感器戰(zhàn)斗部成型EFP速度下降10%。

圖4 內(nèi)置敏感器件對(duì)EFP成型的影響Fig.4 Effect of built-in sensitive device on EFP molding

分別研究圓柱形敏感器件(l3/l2=1)和階梯敏感器件對(duì)EFP成型的影響，并將各因素轉(zhuǎn)化為無(wú)量綱量。其中，對(duì)于圓柱形敏感器件，敏感器件距起爆點(diǎn)位置與裝藥高度比值l1/l取值范圍為0.10～0.55；敏感器件直徑與裝藥直徑比值D1/D取值范圍為0.3～0.8；敏感器件高度與裝藥高度比值l2/l取值范圍為0.15～0.50；對(duì)于階梯圓柱，第一階圓柱高度與敏感器件高度比值l3/l2取值范圍為0.4～1.0；第二階與第一階圓柱直徑比值D2/D1取值范圍為0.4～1.0。以成型EFP速度v及長(zhǎng)徑比K為指標(biāo)，考察單一變量對(duì)EFP成型影響。

2.1 敏感器件高度對(duì)EFP成型的影響

在l3/l2=1、l1/l=0.2、D1/D=0.4時(shí)，通過(guò)模擬計(jì)算敏感器件高度與裝藥高度比值l2/l(每次增加0.05)各取值下EFP成型指標(biāo)，得到EFP速度v和長(zhǎng)徑比K變化曲線，如圖5所示。

由圖5可以看出，成型EFP的速度與長(zhǎng)徑比大體與敏感器件高度與裝藥高度比值l2/l近似呈線性關(guān)系，隨著敏感器件高度增加，EFP速度減小，但減小幅度不大，當(dāng)l2/l從0.15增加至0.50時(shí)，EFP速度僅僅減小了1.29%；相比之下，EFP長(zhǎng)徑比大幅度減小，由3.91減小至2.71，減小幅度為30.9%。綜上，小高度的敏感器件有助于提高EFP的速度及長(zhǎng)徑比，增加彈丸的侵徹能力。

圖5 EFP成型參數(shù)隨著l2/l的變化曲線Fig.5 Change curves of EFP molding parameters with l2/l

2.2 敏感器直徑對(duì)EFP成型的影響

在l3/l2=1、l1/l=0.20、l2/l=0.15時(shí)，通過(guò)模擬計(jì)算敏感器件直徑與裝藥直徑比值D1/D(每次增加0.1)各取值下EFP成型指標(biāo)，得到EFP速度v和長(zhǎng)徑比K變化曲線，如圖6所示。

由圖6可以看出，EFP的速度與長(zhǎng)徑比與D1/D取值成反比關(guān)系，隨著D1/D取值從0.3增加到0.8，EFP速度減小93.9m/s，減幅達(dá)到5.14%，成型彈丸長(zhǎng)徑比減小0.69，減幅為17.5%。

圖6 EFP成型參數(shù)隨著D1/D的變化曲線Fig.6 Change curves of EFP molding parameters with D1/D

2.3 敏感器件距起爆點(diǎn)距離對(duì)EFP成型的影響

當(dāng)敏感器件距起爆點(diǎn)距離改變時(shí)，爆轟波的傳播路徑也被改變，爆轟波偏轉(zhuǎn)點(diǎn)發(fā)生變化，同時(shí)，藥型罩微元的有效裝藥發(fā)生變化。在l3/l2=1、l2/l=0.15、D1/D=0.60時(shí)，通過(guò)模擬計(jì)算敏感器件距起爆點(diǎn)位置與裝藥高度比值l1/l(每次增加0.05)各取值下EFP成型指標(biāo)，得到EFP速度v和長(zhǎng)徑比K變化曲線，如圖7所示。

圖7 EFP成型參數(shù)隨l1/l的變化曲線Fig.7 Change curves of EFP molding parameters with l1/l

由圖7可以看出，隨著l1/l取值從0.10增加到0.55時(shí)，EFP速度與彈丸長(zhǎng)徑比呈先減小后增大的趨勢(shì)。EFP速度最大值與最小值相差47.8m/s(2.72%)；長(zhǎng)徑比最大值與最小值相差0.63(14.9%)，EFP速度與長(zhǎng)徑比低值都出現(xiàn)在l1/l為0.35倍裝藥高度處。

2.4 階梯型敏感器件直徑比對(duì)EFP成型的影響

在l1/l=0.1、l2/l=0.4、D1/D=0.6、l3/l2=0.6時(shí)，通過(guò)模擬計(jì)算階梯敏感器件直徑比值D2/D1(每次增加0.1)各取值下EFP成型指標(biāo)，得到EFP速度v和長(zhǎng)徑比K變化曲線，如圖8所示。

圖8 EFP成型參數(shù)隨D2/D1的變化曲線Fig.8 Change curves of EFP molding parameters with D2/D1

由圖8可以看出，EFP速度與階梯敏感器件直徑比D2/D1大體呈反比關(guān)系；EFP長(zhǎng)徑比隨D2/D1增加而增加。當(dāng)D2/D1由0.4增加至1.0時(shí)，EFP速度減小55.5m/s，減小了3.2%；EFP長(zhǎng)徑比增加1.09，增幅達(dá)39.1%。

2.5 階梯型敏感器高度比對(duì)EFP成型的影響

在l1/l=0.1、l2/l=0.4、D1/D=0.6、D2/D1=0.6時(shí)，通過(guò)模擬計(jì)算階梯敏感器件高度比值l3/l2(每次增加0.1)各取值下EFP成型指標(biāo)，得到EFP速度v和長(zhǎng)徑比K變化曲線如圖9所示。

圖9 EFP成型參數(shù)隨l3/l2的變化曲線Fig.9 Change curves of EFP molding parameters with l3/l2

由圖9 可以看出，EFP速度與階梯敏感器件直徑比l3/l2大體呈反比關(guān)系；EFP長(zhǎng)徑比隨l3/l2增加而增加。當(dāng)l3/l2由0.4增加至1.0時(shí)，EFP速度減小73.3m/s，減小了4.2%；EFP長(zhǎng)徑比增加1.04，增幅達(dá)到38.4%。

3 結(jié) 論

(1)建立了緊湊型末敏彈中含內(nèi)置敏感器組件EFP戰(zhàn)斗部計(jì)算模型，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行了有效性驗(yàn)證。

(2)隨著敏感器件高度由0.15倍裝藥高度增至0.50倍裝藥高度，成型后EFP的速度減小1.29%、長(zhǎng)徑比減小30.9%；隨著敏感器件直徑由0.3倍裝藥直徑增加至0.5倍裝藥直徑，成型后EFP的速度減小5.14%、長(zhǎng)徑比減小17.5%；而隨著敏感器件距起爆點(diǎn)位置由0.10倍裝藥高度增加至0.55倍裝藥高度，成型后EFP的速度與長(zhǎng)徑比先減小后增加，速度與長(zhǎng)徑比最大值與最小值之間相差分別為2.72%與14.9%，且低值都出現(xiàn)在0.35倍裝藥高度處。

(3)對(duì)于階梯形敏感器件，敏感器件直徑比、高度比與EFP速度成反比關(guān)系；而與長(zhǎng)徑比成正比關(guān)系。敏感器件直徑比值由0.4增加至1.0時(shí)，EFP速度減小3.2%，長(zhǎng)徑比增加39.1%，敏感器件高度比值由0.4增加至1時(shí)，EFP速度減小4.2%，長(zhǎng)徑比增加38.4%。