聚能裝藥破甲深度炸高不敏感性研究*

高 飛，王雨時(shí)，聞 泉，張志彪，王光宇

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 南京 210094)

0 引言

聚能裝藥依靠炸藥的爆轟使金屬罩快速變形，形成一股能量密度高和方向性強(qiáng)的金屬射流。實(shí)踐表明，對(duì)于一定的聚能裝藥結(jié)構(gòu)，其射流形成過(guò)程受炸高影響比較大。若炸高過(guò)低，射流得不到充分的拉伸會(huì)導(dǎo)致破甲效果差。若炸高過(guò)高，射流拉伸長(zhǎng)度超過(guò)自身材料拉伸極限，就會(huì)斷裂成多段，使破甲威力顯著下降。鄭平泰等[1]通過(guò)試驗(yàn)研究了不同炸高下鑄鋁藥型罩聚能射流對(duì)混凝土的侵徹，從試驗(yàn)結(jié)果看，不同炸高下射流侵徹深度相差較大，對(duì)應(yīng)炸高150～350 mm時(shí)侵深極差為157 mm。張向榮等[2]采用數(shù)值模擬方法研究了炸高對(duì)鎢銅合金藥型罩在空氣中和水下聚能射流破甲深度的影響。馬海洋等[3]采用數(shù)值模擬的方法研究了4種炸高下線(xiàn)型聚能裝藥破甲物理過(guò)程，發(fā)現(xiàn)聚能射流頭部第一次斷裂的位置并不是最佳炸高位置，最佳炸高為射流第一次斷裂后的某個(gè)位置。目前研究不同炸高下聚能裝藥破甲威力的文獻(xiàn)較多，但未見(jiàn)有文獻(xiàn)研究如何通過(guò)改變裝藥結(jié)構(gòu)來(lái)提高其破甲深度的炸高不敏感性。為了降低聚能射流破甲深度對(duì)炸高的敏感性，從而適用于多種復(fù)雜環(huán)境，設(shè)計(jì)出一種對(duì)炸高不敏感的聚能裝藥結(jié)構(gòu)是很有必要的。

1 數(shù)值模擬

1.1 聚能裝藥幾何模型及有限元模型

聚能裝藥結(jié)構(gòu)如圖1所示。裝藥為聚黑-2，密度1.688 g/cm3。裝藥直徑Ф64 mm，裝藥部分全高85 mm。藥型罩錐角60°，等壁厚1.3 mm，高49.6 mm，材料為低碳鋼。殼體材料為尼龍。

圖1 聚能裝藥結(jié)構(gòu)

運(yùn)用AUTODYN-2D軟件對(duì)上述裝藥結(jié)構(gòu)建立幾何模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。此聚能裝藥結(jié)構(gòu)具有軸對(duì)稱(chēng)性，建立1/2模型。由于聚能射流成型過(guò)程中屬于高應(yīng)變和高應(yīng)變率過(guò)程，故采用歐拉網(wǎng)格劃分藥型罩和靶板，炸藥和殼體采用拉格朗日網(wǎng)格劃分，炸藥對(duì)藥型罩的作用采用流固耦合方法。為防止應(yīng)力在邊界反射，除軸線(xiàn)外，在歐拉網(wǎng)格邊界設(shè)定流出邊界。

為減小計(jì)算量，將整個(gè)侵徹過(guò)程分為射流成型階段和射流侵徹靶板階段。在射流成型階段，不考慮靶板的影響，計(jì)算域尺寸為155 mm×60 mm，計(jì)算域內(nèi)填充材料，聚能裝藥有限元模型和網(wǎng)格劃分如圖2所示。圖3為t=20 μs射流形態(tài)，此時(shí)射流即將到達(dá)靶板。為了建立直徑100 mm、厚300 mm的45鋼靶板模型，擴(kuò)大計(jì)算域，取炸高為50 mm，如圖4所示。在t=25 μs時(shí)炸藥和殼體對(duì)射流作用已經(jīng)結(jié)束，此時(shí)刪除炸藥和殼體。

圖2 聚能裝藥有限元模型和網(wǎng)格劃分

1.2 材料模型與狀態(tài)方程的選取

炸藥裝藥選為聚黑-2，采用JWL材料模型和EOS狀態(tài)方程來(lái)描述炸藥的爆轟過(guò)程。低碳鋼藥型罩和45鋼靶板材料模型為Johnson-Cook模型，狀態(tài)方程均為Shock方程。尼龍殼體材料模型取為Von Mises模型，狀態(tài)方程為Shock方程，且添加失效為靜水拉伸臨界壓力。不同材料模型和狀態(tài)方程中所選用的參數(shù)如表1～表3所列，其中藥型罩材料1006低碳鋼和殼體材料尼龍均采用AUTODYN軟件材料庫(kù)中的材料模型和狀態(tài)方程參數(shù)。

圖3 射流成型階段形態(tài)

圖4 射流即將侵徹靶板階段

表1 聚黑-2材料模型和狀態(tài)方程參數(shù)[4]

密度ρ/( g·cm-3 )爆速D/( m·s-1 )C-J壓力PCJ/GPa初始內(nèi)能E0/GPa1.688830029.69.3JWL系數(shù)A/GPaB/GPaR1R2ωk852184.61.30.341

表2 1006低碳鋼藥型罩和45鋼材料模型及狀態(tài)方程參數(shù)[5]

表3 尼龍材料模型和狀態(tài)方程參數(shù)[6]

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 射流到達(dá)靶板時(shí)性能分析

對(duì)射流頭部即將運(yùn)動(dòng)至靶板時(shí)進(jìn)行截圖，不同炸高條件下射流運(yùn)動(dòng)至靶板時(shí)的形態(tài)如圖5所示。表4列出了射流到達(dá)靶板時(shí)的參數(shù)。隨著炸高的增大，射流軸向速度梯度的存在使射流被拉伸，當(dāng)射流塑性失穩(wěn)時(shí)就會(huì)斷裂。從圖5可看出，炸高H范圍為50～100 mm時(shí)，射流得到充分拉伸且頭部未發(fā)生斷裂；炸高H=150 mm時(shí)射流到達(dá)靶板時(shí)頭部頸縮，發(fā)生斷裂；炸高繼續(xù)增大時(shí)，射流頭部多處發(fā)生頸縮和斷裂。斷裂的射流不能保持侵徹連續(xù)性，且斷裂的射流粒子運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)和偏移，最終侵徹深度會(huì)降低。射流斷裂的越早，則最佳炸高越小，最佳炸高下射流侵徹深度也會(huì)減小。若能通過(guò)改變裝藥結(jié)構(gòu)使射流斷裂的時(shí)間縮短，則不同炸高時(shí)射流侵徹深度極差就會(huì)減小，從而有利于提高聚能裝藥破甲深度的炸高不敏感性。

圖5 不同炸高條件下射流運(yùn)動(dòng)至靶板時(shí)的形態(tài)

表4 不同炸高條件下射流到達(dá)靶板時(shí)的參數(shù)

炸高H/mm射流長(zhǎng)度L/mm頭部速度vj /(m·s-1)杵體速度vt/(m·s-1)5088.746 636688100133.656 561748150177.356 560798200221.656 554838250265.066 552826300309.366 546822350351.696 539849400396.776 535838450441.226 537837500482.686 535859

從表4可知，隨著炸高的增大，射流拉伸長(zhǎng)度持續(xù)變大，射流頭部速度有所降低，杵體速度有所增大。射流長(zhǎng)度與侵徹能力成正相關(guān)，若能通過(guò)改變裝藥結(jié)構(gòu)使射流頭部速度和杵體速度的差值減小，則射流長(zhǎng)度就會(huì)減小，不同炸高時(shí)射流侵徹深度極差減小，有利于提高聚能裝藥破甲深度的炸高不敏感性。

2.2 射流侵徹45鋼靶板過(guò)程分析

圖6為炸高H=150 mm時(shí)射流侵徹靶板過(guò)程，圖7為炸高H=150 mm時(shí)射流侵徹深度h隨時(shí)間t的變化曲線(xiàn)。

從圖6和圖7可看出：t=37 μs時(shí)射流到達(dá)靶板；37 μs

圖6 炸高為150 mm時(shí)射流侵徹靶板過(guò)程

圖7 炸高為150 mm時(shí)射流侵徹深度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

2.3 不同炸高射流侵徹45鋼靶板結(jié)果對(duì)比

為研究該聚能裝藥破甲深度的炸高不敏感性，炸高范圍取50～300 mm進(jìn)行射流侵徹靶板數(shù)值計(jì)算，不同炸高條件下射流最終侵徹深度如圖8所示。表5列出了不同炸高條件下射流侵徹靶板孔徑的具體參數(shù)，其中D為裝藥直徑，h為侵徹深度，d為開(kāi)孔直徑。

根據(jù)圖8侵徹深度對(duì)比可看出，炸高為50 mm時(shí)，靶板口部開(kāi)孔直徑較大，隨侵徹深度的增加，孔徑變化較小，孔內(nèi)壁過(guò)渡平緩；炸高為100 mm時(shí)，靶板口部孔徑有所減小，孔徑變化較為明顯，孔中部壁面較為平整；炸高為150～300 mm時(shí)，射流侵徹深度先有所減小，后開(kāi)始增大，靶板孔徑參數(shù)變化??；炸高繼續(xù)增大至500 mm時(shí)，射流侵徹深度逐漸減小，且減小的幅度較為緩慢。

從表5中列出的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，炸高為50～500 mm時(shí)，射流侵徹深度總體上呈先增大后減小的趨勢(shì)，但是射流侵徹深度在增大和減小的過(guò)程中各存在一次波動(dòng)。炸高為300 mm時(shí)，射流侵徹深度出現(xiàn)最大值為241 mm。炸高在0.78D～8.33D時(shí)，射流侵徹深度范圍為168～241 mm。低炸高時(shí)射流開(kāi)孔直徑較大，隨著炸高的增大，射流開(kāi)孔直徑基本上無(wú)變化。

圖8 不同炸高下的射流侵徹?cái)?shù)值計(jì)算結(jié)果

表5 不同炸高條件下射流侵徹靶板計(jì)算結(jié)果

3 藥型罩參數(shù)對(duì)聚能裝藥破甲深度炸高不敏感性的影響

3.1 錐角對(duì)聚能裝藥破甲深度炸高不敏感性的影響

在不改變裝藥高度和裝藥直徑條件下，藥型罩錐角分別取55°、60°和65°，藥型罩厚度分別取1.1 mm、1.3 mm和1.5 mm。

為對(duì)比不同裝藥結(jié)構(gòu)形成的射流到達(dá)靶板時(shí)參數(shù)，表6～表8分別列出了藥型罩厚度為1.1 mm、1.3 mm和1.5 mm時(shí)不同藥型罩錐角形成射流到達(dá)靶板時(shí)的射流長(zhǎng)度L、頭部速度vj和杵體速度vt。

從表6～表8中數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：同一藥型罩厚度下，隨著藥型罩錐角的增大，射流到達(dá)靶板時(shí)的頭部速度增大，杵體速度減小，射流頭部和尾部速度差變大，因而射流長(zhǎng)度變大。射流頭部速度隨炸高的增大而降低，且炸高在50～200 mm時(shí)，速度減小較快，炸高繼續(xù)增大時(shí)，射流頭部速度基本保持穩(wěn)定狀態(tài)。同樣炸高在50～200 mm時(shí)，杵體速度增加較快，炸高繼續(xù)增大時(shí)，杵體速度基本保持穩(wěn)定狀態(tài)。

根據(jù)圖5中不同炸高下射流達(dá)到靶板時(shí)的形態(tài)發(fā)現(xiàn)，150 mm≤H≤250 mm時(shí)，射流拉伸長(zhǎng)度已超過(guò)藥型罩材料拉伸的極限長(zhǎng)度，射流斷裂成2段；炸高H=300 mm時(shí)，射流斷裂成3段；繼續(xù)增大炸高時(shí)，射流斷裂越嚴(yán)重。因此炸高大于350 mm時(shí)形成的射流長(zhǎng)度雖然較大，但侵徹能力可能會(huì)有所下降。

表9列出了不同藥型罩錐角形成射流侵徹靶板仿真計(jì)算結(jié)果，圖9(a)～圖9(c)為藥型罩厚度分別為1.1 mm、1.3 mm和1.5 mm時(shí)不同藥型罩錐角形成射流的炸高曲線(xiàn)。

表6 藥型罩厚1.1 mm下不同藥型罩錐角形成射流到達(dá)靶板時(shí)參數(shù)

表7 藥型罩厚1.3 mm下不同藥型罩錐角形成射流到達(dá)靶板時(shí)參數(shù)

表8 藥型罩厚1.5 mm下不同藥型罩錐角形成射流到達(dá)靶板時(shí)參數(shù)

表9 不同藥型罩錐角形成射流侵徹靶板計(jì)算結(jié)果

圖9 不同藥型罩錐角形成射流侵徹結(jié)果

由表9中仿真數(shù)據(jù)可看出:炸高為50～500 mm時(shí)射流破甲深度在最佳炸高之前和最佳炸高之后并不是單調(diào)遞增和單調(diào)遞減，破甲深度呈波動(dòng)變化。藥型罩厚度為1.1 mm和1.3 mm、藥型罩錐角為55°～65°時(shí)，射流破甲深度極差先減小后變大；藥型罩厚度為1.5 mm、藥型罩錐角為55°～65°時(shí)，射流破甲深度極差逐漸變大。

從圖9(a)和圖9(b)中可看出：在藥型罩厚1.1 mm和1.3 mm的情況下，當(dāng)藥型罩錐角為60°時(shí)，射流炸高曲線(xiàn)較為平緩，射流侵徹深度極差較小。藥型罩厚度增大到1.5 mm后，藥型罩錐角為55°形成的射流炸高曲線(xiàn)比藥型罩錐角60°較為平緩，且極差小。

為降低炸高對(duì)射流破甲深度的影響，藥型罩厚度一定且較小時(shí)，藥型罩錐角取60°較好。藥型罩厚度一定且較大時(shí)，藥型罩的錐角應(yīng)取小些。

3.2 厚度對(duì)聚能裝藥破甲深度炸高不敏感性的影響

表10列出了不同藥型罩厚度形成射流侵徹靶板仿真計(jì)算結(jié)果，圖10(a)～圖10(c)分別為藥型罩錐角55°、60°和65°時(shí)不同藥型罩厚度形成射流的炸高曲線(xiàn)。

由表10中仿真數(shù)據(jù)可看出：藥型罩錐角為55°、藥型罩厚度為1.1～1.5 mm時(shí)，射流破甲深度極差逐漸減小；藥型罩錐角為60°、藥型罩厚度為1.1～1.5 mm時(shí)，射流破甲深度極差先變大后減??；藥型罩錐角為65°、藥型罩厚度為1.1～1.5 mm時(shí)，射流破甲深度極差逐漸變大。

表10 不同藥型罩厚度形成射流侵徹靶板計(jì)算結(jié)果

從圖10(a)和圖10(b)中可看出，在藥型罩錐角為55°、藥型罩厚1.5 mm時(shí)，射流炸高曲線(xiàn)較為平緩，射流侵徹深度極差較小。藥型罩錐角增大到60°后，3種藥型罩厚度形成的射流侵徹深度極差相差不大，且在炸高為350 mm時(shí)，侵徹深度均有所降低。藥型罩錐角繼續(xù)增大到65°后，藥型罩厚1.1 mm形成的射流侵徹深度曲線(xiàn)較為平緩，且極差較小。

為降低炸高對(duì)射流破甲深度的影響，藥型罩錐角一定且較小時(shí)，藥型罩厚度應(yīng)取大些較好。藥型罩錐角一定且較大時(shí)，藥型罩厚度應(yīng)取小些較好。

3.3 試驗(yàn)對(duì)比分析

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的可信性以及炸高對(duì)射流侵徹45鋼靶板的影響，進(jìn)行了4種不同炸高射流侵徹試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖11所示。藥型罩厚度為1.3 mm、錐角為60°，取炸高分別為50 mm、130 mm、150 mm和160 mm。靶板剖開(kāi)后孔型及測(cè)量結(jié)果如圖12所示，射流侵徹出現(xiàn)傾斜的原因是聚能裝藥安裝在三腳架上時(shí)不穩(wěn)，電雷管接線(xiàn)后，裝藥可能發(fā)生傾斜。表11列出了射流侵徹靶板深度試驗(yàn)與仿真對(duì)比。從圖12和表11中數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，射流侵徹靶板深度的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差最大為1.9%，說(shuō)明仿真模型、仿真參數(shù)和仿真結(jié)果都是可信的。

圖10 不同藥型罩厚度形成射流侵徹結(jié)果

圖11 試驗(yàn)裝置

表11 試驗(yàn)值和仿真值侵徹深度對(duì)比

炸高H/mm50130150160仿真值/mm168209214212試驗(yàn)值/mm170207210214誤差/%-1.21.01.9-1.0

圖12 靜破甲試驗(yàn)靶板剖面孔型圖

4 結(jié)論

對(duì)不同炸高條件下聚能裝藥結(jié)構(gòu)射流破甲性能進(jìn)行了數(shù)值仿真研究，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證進(jìn)行了對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

1)通過(guò)AUTODYN軟件仿真計(jì)算得到在炸高為50 mm、130 mm、150 mm和160 mm時(shí)射流破甲深度分別為168 mm、209 mm、214 mm和212 mm，試驗(yàn)破甲深度分別為170 mm、207 mm、210 mm和214 mm，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差最大為1.9%，說(shuō)明仿真方法和效果是可信的。

2)在藥型罩厚1.1 mm和1.3 mm下，藥型罩錐角為60°時(shí)，射流炸高曲線(xiàn)較為平緩，射流侵徹深度極差較小。藥型罩厚度增大到1.5 mm后，藥型罩錐角為55°形成的射流炸高曲線(xiàn)比藥型罩錐角60°較為平緩，且極差小。為降低炸高對(duì)射流破甲深度的影響，藥型罩厚度一定且較小時(shí)，藥型罩錐角取60°較好。藥型罩厚度一定且較大時(shí)，藥型罩的錐角應(yīng)取小些。

3)在藥型罩錐角為55°，藥型罩厚1.5 mm時(shí)，射流炸高曲線(xiàn)較為平緩，射流侵徹深度極差較小。藥型罩錐角增大到60°后，3種藥型罩厚度形成的射流侵徹深度極差相差不大。藥型罩錐角繼續(xù)增大到65°后，藥型罩厚1.1 mm形成的射流侵徹深度曲線(xiàn)較為平緩，且極值較小。為降低炸高對(duì)射流破甲深度的影響，藥型罩錐角一定且較小時(shí)，藥型罩厚度取大些較好。藥型罩錐角一定且較大時(shí)，藥型罩厚度取小些較好。

4)在不考慮聚能裝藥最大破甲威力的前提下，凡是能縮短射流斷裂時(shí)間并減小射流與杵體速度差的設(shè)計(jì)方案都有利于提高聚能裝藥破甲深度的炸高不敏感性。