環(huán)形聚能戰(zhàn)斗部殼體與裝藥匹配性研究

陸志毅，劉宏杰 ，李大超，蔡瀟

（1.海裝駐上海地區(qū)第十軍事代表室，上海 200241；2.海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266044）

王利俠等用裝藥匹配性設(shè)計方法解決了聚能戰(zhàn)斗部帶殼后的穿深下降等問題。高爾新等人依據(jù)試驗的方式方法，對彈藥殼體的壓垮速度和射流速度進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。劉曉蕾等人依據(jù)試驗數(shù)據(jù)，針對聚能裝藥中的殼體材料壁厚及不同殼體材料，采用數(shù)據(jù)仿真的方法對射流成型參數(shù)進(jìn)行深入研究。程素秋等用數(shù)值仿真的方法得出了重要的成果：不同的殼體材料在水下爆炸后產(chǎn)生氣泡脈動具備較大影響，然而，不同的殼體厚度則對氣泡產(chǎn)生時間不會產(chǎn)生太大影響，但對氣泡壓力峰值影響較大。Takashi 等依據(jù)某項科學(xué)試驗，對不同厚度、不同材質(zhì)的金屬和藥量，進(jìn)行了水下爆炸特性研究，其研究結(jié)果表明，殼體對爆炸效應(yīng)的加強作用。Jones等研究表明，在設(shè)計彈頭的圓周約束時，套管的壁厚可以合理匹配，套管的材料和高度可以有效地改變射流的形狀和性能。同時，彈頭可以降低質(zhì)量并匹配前后級的尺寸。

考慮到環(huán)形聚能裝藥結(jié)構(gòu)的使用和結(jié)構(gòu)特征，裝藥結(jié)構(gòu)可以制成無殼形式，或者可以采用不同厚度的殼體或者不同材料的外殼，在滿足射流侵徹能力的要求下，盡可能使前級裝藥殼體質(zhì)量達(dá)到最小值。裝藥外殼在防止炸藥受到損傷和大氣有害作用方面起到了保護(hù)作用，并以一定的方式影響裝藥的爆轟能力以及爆炸能量輸入到藥型罩的比例系數(shù)。外殼還可以控制在炸藥中傳播的爆炸波前的幾何形狀，這已經(jīng)通過炸藥與外殼的配合得到證實，可觀察到圓柱形外殼影響爆轟波陣面結(jié)構(gòu)和炸藥爆轟特性的物理現(xiàn)象。

1 數(shù)值模擬設(shè)計及有限元模型

1.1 模型設(shè)計

為了有效開展殼體與裝藥匹配性研究，文中開展了相應(yīng)的仿真模型設(shè)計。首先，假設(shè)所有的情況為理想狀態(tài)。假設(shè)對裝藥高度進(jìn)行標(biāo)定，設(shè)為120mm，其外徑設(shè)計為520mm。該模型采用八節(jié)點六面體網(wǎng)格，采用射流區(qū)域密集，周圍稀疏的網(wǎng)格劃分方法。起爆方式采用頂端環(huán)形起爆。炸藥選用B 炸藥（RDX/TNT=60/40），采用MAT_HIGH-EXPLOSIVE-BURN模型和EOS_JWL 狀態(tài)方程。

式中：p 為爆轟壓力，E 為炸藥比內(nèi)能，v 為相對比容。具體參數(shù)見表1。

表1 B 炸藥計算參數(shù)

藥型罩選用紫銅，MAT_Steinberg 材料模型用來描述紫銅高應(yīng)變率下的流動行為，狀態(tài)方程選用EOS_Grüneisen 狀態(tài)方程。

式中，E 為單位體積內(nèi)能；ρ0為材料初始密度；C 為us與up的交值點；S1，S2和S3是us-up曲線的斜率值；γ0為Grüneisen 伽馬；α 為對γ0的修正。其中μ=(1/v)-1，V為當(dāng)前空氣的相對體積。

殼體選用高強度鋼，材料呈應(yīng)變硬化規(guī)律，其中，斷裂參數(shù)采用：D1=0.25，D2=D3=D4=D5=0。

依據(jù)M-J-Cook 材料模型及E-G 狀態(tài)方程。針對多介質(zhì)ALE 算法，根據(jù)實際的爆炸過程，尚需要建立滿足整個射流過程和炸藥起爆范圍的空氣網(wǎng)格。根據(jù)設(shè)定，為了消除邊界上的發(fā)射壓力，則將壓力流出邊界條件適用于邊界節(jié)點。文中空氣采用M-Null 材料模型，則狀態(tài)方程是一個線性多項式，具體如下：

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1 后蓋材料對射流成形及侵徹能力的影響

取外側(cè)殼體厚度為10mm，圖1 所示為炸藥起爆后爆轟波作用到后蓋（TC4）上典型單元的壓力-時間變化曲線。

由圖1 知，炸藥起爆3μs 后爆轟波到達(dá)后蓋，后蓋內(nèi)側(cè)表面最大壓力達(dá)到12GPa。起爆方式為藥型罩頂端環(huán)形線起爆，炸藥起爆后，爆轟波作用到后蓋上的壓力較?。ㄏ啾韧鈿んw），爆轟波迅速向炸藥傳播，后蓋反射的沖擊波對作用到藥型罩表面沖擊波波形及沖擊波強度影響不大，可以考慮將金屬殼體改為密度較小的金屬材料或其他硬質(zhì)非金屬材料。

圖1 TC4 后蓋壓力-時間曲線

研究射流的穿透能力，最直觀、最簡單的方法是檢查射流對目標(biāo)的毀傷效果。更換后蓋材料。

2.2 外側(cè)殼體對射流成形及侵徹能力的影響

計算時采用無后蓋模型，內(nèi)側(cè)殼體厚度為10mm，圖2 所示為炸藥起爆后爆轟波作用到外側(cè)殼體（30CrMnSiNi2A）上典型單元的壓力-時間變化曲線。

圖2 30CrMnSiNi2A 外側(cè)殼體壓力-時間曲線

由圖2 知，炸藥起爆6μs 后爆轟波到達(dá)外側(cè)殼體，外側(cè)殼體表面最大壓力達(dá)到27GPa。對于環(huán)形射流，除了研究射流的速度梯度，還要考察射流微元垂直于中心線方向（X方向）上的速度。當(dāng)外殼材料相同時，殼的厚度增加，射流偏斜程度降低，并且射流頭部的速度變化不大。隨著的增加，射流微元X 方向上速度減小；當(dāng)為10mm 時，X 方向上速度達(dá)到最小值；綜合考慮選取殼體厚度10mm。另外，無外殼時，射流微元X 方向上速度值達(dá)到最大值；隨著δ 的增加，射流微元X 方向上速度減??；當(dāng)δ 為10mm 時，X 方向上速度達(dá)到最小值；當(dāng)δ 繼續(xù)增加時，射流微元X 方向上又呈現(xiàn)增大趨勢。綜合考慮選取殼體厚度10mm。

3 內(nèi)側(cè)殼體對射流成形及侵徹能力的影響

計算時采用無后蓋模型，外側(cè)殼體厚度為10mm，圖4所示為炸藥起爆后爆轟波作用到內(nèi)側(cè)殼體（30CrMnSiNi2A）上典型單元的壓力-時間變化曲線。由圖3 知，炸藥起爆18μs 后爆轟波到達(dá)內(nèi)側(cè)殼體靠近藥型罩底部附近，內(nèi)側(cè)殼體表面最大壓力達(dá)到8.97GPa。爆轟波作用到內(nèi)殼體的時間明顯晚于外殼體，且產(chǎn)生的壓力遠(yuǎn)小于外殼體。內(nèi)殼體材料相同時，殼體厚度增大，射流偏移程度減小，射流頭部速度變化不大。另外，無外殼時，射流微元X 方向上速度值最??；隨著σ 的增加，射流微元X 方向上速度先增大后減??；當(dāng)σ 為10mm 時，X 方向上速度減小到；當(dāng)σ 繼續(xù)增加時，射流微元X 方向上又呈現(xiàn)增大趨勢。綜合考慮選取殼體厚度10mm。圖4 為距裝藥后端97mm 處單元A 壓力-時間變化曲線。

由圖4 知，無內(nèi)殼約束時，爆轟波有明顯向下匯聚的現(xiàn)象，同時，沒有內(nèi)殼的約束，爆轟波向后產(chǎn)生的壓力過大，對后級隨進(jìn)戰(zhàn)斗部產(chǎn)生不利影響。綜合考慮，選取內(nèi)殼體厚度為7.5mm。

圖3 30CrMnSiNi2A 內(nèi)側(cè)殼體壓力-時間變化曲線

圖4 單元A 壓力-時間變化曲線

4 結(jié)語

殼體對環(huán)形射流成形以及侵徹性能影響較大，主要表現(xiàn)為：

（1）由于采用藥型罩頂端環(huán)形線起爆方式，炸藥起爆后爆轟波作用到后蓋產(chǎn)生的壓力較?。ㄏ啾韧鈿んw），數(shù)值仿真結(jié)果表明，不同后蓋材料對射流成形及侵徹能力幾乎沒有影響?？紤]到裝藥安全性，后蓋材料可以采用硬質(zhì)塑料或者低密度非金屬材料，以保證后蓋產(chǎn)生的破片不會對后級隨進(jìn)戰(zhàn)斗部產(chǎn)生影響。

（2）炸藥起爆后，爆轟波迅速作用到外殼，同時，爆轟波繼續(xù)向炸藥中傳播，外殼向炸藥中反射的沖擊波與炸藥中傳播過來的爆轟波共同作用到藥型罩上，由于內(nèi)側(cè)殼體與炸藥之間設(shè)置了空氣間隙（為保證形成良好射流），爆轟波作用到內(nèi)殼體時間明顯晚于外殼體，且爆轟波壓力明顯小于作用到外側(cè)殼體上的。

（3）環(huán)形聚能裝藥結(jié)構(gòu)中內(nèi)外殼體對射流成形及侵徹性能有很大影響，裝藥量和裝藥形式不變的前提下，改變殼體厚度，射流侵徹能力發(fā)生很大變化。