銅、鉬形成EFP和JPC毀傷元對比研究

陳 帥,李文彬,王曉鳴,姚文進(jìn)

(南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院,江蘇 南京 210094)

在聚能戰(zhàn)斗部的設(shè)計中,藥型罩的材料對毀傷元的成型具有顯著影響,特別是在同一裝藥結(jié)構(gòu)下,不同材料形成的毀傷元差異明顯。鉬具有密度高、熔點高和延展性好的優(yōu)點,是理想的藥型罩材料。HELD[1]根據(jù)理論推導(dǎo)出鉬破甲性能可與銅相媲美。伊健亞等[2-3]研究了鉬罩K裝藥形成聚能侵徹體的性能。對比銅罩,鉬罩形成毀傷元動能大,能量利用率高,綜合性能好。但其研究過程采用相同的藥型罩結(jié)構(gòu),忽視了成型裝藥中結(jié)構(gòu)對毀傷元成型的顯著影響,干擾了材料在毀傷元成型過程中性能的評估。賀海民等[4]采用90°錐形罩?jǐn)?shù)值模擬和試驗研究了鉬罩形成JPC毀傷元的成型和侵徹性能。鉬罩毀傷元表現(xiàn)出良好的擴孔性能,但是毀傷元出現(xiàn)早斷的現(xiàn)象,而銅毀傷元是連續(xù)體,同樣存在材料性能評估存在較大誤差的問題。

伊健亞和賀海民等人的研究主要集中在鉬罩形成JPC毀傷元的性能。為了評估鉬罩形成JPC和EFP毀傷元的特性,基于已優(yōu)化的雙模戰(zhàn)斗部,以銅罩為參照,設(shè)計等質(zhì)量和等體積2種鉬罩方案,采用LS-DYNA數(shù)值仿真,X光成型試驗和靜爆威力試驗,研究鉬罩形成毀傷元的特性。

1 雙模戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)

基于帶隔板結(jié)構(gòu)扁平偏心亞半球藥型罩雙模戰(zhàn)斗部,研究紫銅和純鉬藥型罩形成EFP和JPC毀傷元的成型性能。雙模戰(zhàn)斗部的結(jié)構(gòu)如圖1所示,由隔板、炸藥、藥型罩和殼體組成。當(dāng)戰(zhàn)斗部于成型裝藥端面中心點起爆時,起爆點為圖1中A點,起爆后爆轟波繞過隔板,在隔板和藥型罩間的裝藥區(qū)域發(fā)生碰撞,形成高于C-J爆轟波陣面的高溫高壓馬赫波區(qū)域,其壓垮藥型罩形成速度較高的JPC毀傷元;當(dāng)戰(zhàn)斗部于藥型罩頂點起爆時,起爆點為圖1中B點,起爆后C-J爆轟波陣面向藥型罩后方逆向傳播,爆轟能量壓垮藥型罩形成速度較低的EFP毀傷元。

圖1 雙模戰(zhàn)斗部成型裝藥結(jié)構(gòu)

由雙模戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)參數(shù)對毀傷元成型影響規(guī)律[5],以紫銅藥型罩為對比參照,形成較好雙模毀傷元時,裝藥口徑為Dk,隔板的直徑Dr為0.91Dk,隔板厚度Hr為0.07Dk,隔板半錐角為52°,裝藥高度L為1.14Dk,隔板和端面殼體間的裝藥厚度為0.1Dk,藥型罩內(nèi)外輪廓曲率半徑Rn和Rw分別為1.091Dk和1.058Dk。

2 仿真研究

2.1 有限元模型建立

建立如圖2所示的仿真模型,仿真中采用ALE算法計算涉及網(wǎng)格大變形、材料流動問題的聚能侵徹體形成過程,炸藥、隔板、藥型罩、空氣選用多物質(zhì)流歐拉算法,炸藥、隔板、藥型罩、空氣與殼體的相互作用采用流固耦合算法。根據(jù)裝藥結(jié)構(gòu)的對稱性,建立1/4模型,在模型的對稱面上施加對稱約束條件。

圖2 數(shù)值仿真計算模型

2.2 材料模型選擇和參數(shù)選取

模型中分別采用軍用紫銅和純鉬作為藥型罩,殼體材料為尼龍,隔板材料為酚醛樹脂,其中藥型罩和殼體采用JOHNSON_COOK材料模型,隔板采用ELASTIC_PLASTIC_HYDRO材料模型,均采用GRUNEISEN狀態(tài)方程描述其在爆轟波作用下的動力響應(yīng)行為。藥型罩和殼體材料特性參數(shù)的選取如表1[6-9]所示,表中,ρ為密度;G為剪切模量;c為材料聲速;S1,S2,S3,γ0,α,V1為狀態(tài)方程常系數(shù)。

表1 銅、鉬藥型罩材料參數(shù)

炸藥選用8701,采用HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型和JWL狀態(tài)方程描述爆炸驅(qū)動過程的爆轟壓力,其材料參數(shù)的選取如表2[6-7]所示,表中,pCJ為炸藥C-J壓力;A,B,R1,R2,ω,E,V2為JWL狀態(tài)方程常系數(shù)。

表2 裝藥材料參數(shù)

2.3 計算結(jié)果

以藥型罩外輪廓為基準(zhǔn),以優(yōu)化獲得的紫銅藥型罩為參照,設(shè)計等質(zhì)量和等體積純鉬藥型罩,數(shù)值仿真模擬紫銅藥型罩和純鉬藥型罩形成JPC和EFP毀傷元的成型性能。其中毀傷元成型過程數(shù)值仿真結(jié)果如表3所示。

表3 銅、鉬藥型罩仿真計算結(jié)果

以EFP毀傷元的成型過程為例,在50～170 μs時刻區(qū)間內(nèi),毀傷元拉伸變形,其中銅的拉伸過程最為顯著;170 μs后,毀傷元成型趨于穩(wěn)定;在170～230 μs時刻區(qū)間內(nèi),毀傷元的形態(tài)未發(fā)生明顯變化,毀傷元速度出現(xiàn)微弱衰減。穩(wěn)定成型后等質(zhì)量鉬罩的速度最高,銅罩次之,等體積鉬罩的速度最低。由于等體積鉬和銅罩的體積相同,鉬的密度是銅的1.118 3倍,成型后的速度為銅毀傷元的0.932 67倍,動能為銅毀傷元的0.972 78倍;等質(zhì)量鉬與銅罩的質(zhì)量相等,成型后毀傷元的速度為銅毀傷元的1.029倍,動能為銅毀傷元的1.059倍。因此等質(zhì)量鉬罩、參照銅罩、等體積鉬罩成型后的動能關(guān)系為1.059∶1∶0.972 78。以銅為參照,對于形成EFP毀傷元,鉬材料性能對毀傷元動能的影響在2.7%～5.9%?；谀芰渴睾憷碚?相較于EFP毀傷元的密實度對其侵徹效能的影響,鉬材料性能的影響幾乎可以忽略。

由于JPC毀傷元在整個成型和侵徹過程中存在較大的頭尾速度差,因此沒有明顯的成型完成狀態(tài)。在50～90 μs時刻區(qū)間內(nèi),銅罩毀傷元的長度從121 mm拉伸至290 mm。90 μs時刻,銅罩形成的毀傷元長度最長,等質(zhì)量鉬罩形成的毀傷元次之,等體積鉬罩毀傷元的長度最小;銅罩毀傷元的速度最高,其次為等質(zhì)量鉬罩和等體積鉬罩。由于桿式射流的侵徹效能受到多種因素的影響,無法簡單的通過能量守恒來判定毀傷元的侵徹效能,故采用靜爆威力試驗研究銅、鉬藥型罩形成JPC毀傷元的侵徹性能。

3 試驗研究

基于雙模戰(zhàn)斗部成型裝藥,采用X光實驗和靜爆威力試驗,研究銅、鉬藥型罩形成EFP和JPC毀傷元的成型和侵徹性能。試驗以紫銅藥型罩為參照,與等體積的鉬罩(V1)、等質(zhì)量的鉬罩(M1)形成3組對照試驗。試驗中3種戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)方案,其主裝藥使用8701炸藥,裝藥端點起爆采用標(biāo)準(zhǔn)8#雷管,藥型罩端點起爆采用直徑2.6 mm航空小雷管。各方案嚴(yán)格按照設(shè)計方案尺寸進(jìn)行加工,加工的過程中保證鉬藥型罩具有良好的表面光潔度,銅罩、等質(zhì)量鉬罩和等體積鉬罩如圖3所示。

圖3 3種藥型罩零件圖

3.1 銅、鉬雙模毀傷元X光試驗結(jié)果

銅、鉬藥型罩X光試驗結(jié)果如表4所示,獲得形成JPC毀傷元的成型形貌如圖4和圖5所示,藥型罩形成EFP毀傷元的成型形貌如圖6所示。

表4 銅、鉬藥型罩X光試驗結(jié)果

圖4(a)～圖4(c)分別為銅、等質(zhì)量鉬、等體積鉬藥型罩形成JPC毀傷元的X光實驗結(jié)果和仿真結(jié)果對比,數(shù)值仿真和X光試驗獲得毀傷元長徑比和輪廓形態(tài)相吻合。圖5為70 μs時刻紫銅和等質(zhì)量藥型罩形成JPC毀傷元的X光實驗結(jié)果。

圖4 第一時刻JPC毀傷元的成型形態(tài)X光試驗與仿真對比

圖5 70 μs時刻JPC毀傷元的成型形態(tài)

圖6(a)、圖6(b)分別為80 μs時等質(zhì)量鉬罩和銅罩形成EFP毀傷元的X光試驗結(jié)果和數(shù)值仿真結(jié)果的形貌對比。其中圖6(a)等質(zhì)量鉬罩形成的EFP毀傷元尾部發(fā)生破碎,但毀傷元的外輪廓數(shù)值仿真和試驗基本一致,X光試驗中毀傷元頭部出現(xiàn)的模糊尖角,這與雷管于藥型罩中心點爆破干擾成型有關(guān);圖6(b)中銅罩形成EFP毀傷元的數(shù)值模擬和X光試驗結(jié)果一致。

圖6 銅、鉬藥型罩形成EFP毀傷元80 μs時刻形態(tài)

3.2 銅、鉬雙模毀傷元靜破甲試驗

基于上述研究方案,進(jìn)行銅罩和鉬罩形成毀傷元的靜破甲試驗,試驗采用如圖7所示的3層靶塊疊放布置方案,理想毀傷元侵徹軸線上,穿過3層靶塊經(jīng)過6個接觸面,圖7中分別進(jìn)行了標(biāo)注。靜爆威力試驗共進(jìn)行了7發(fā),試驗中毀傷元擴孔侵深統(tǒng)計結(jié)果如表5所示。

圖7 靶板布置

表5 銅、鉬形成毀傷元侵徹性能

回收典型侵徹靶塊并進(jìn)行切靶分析,獲得侵徹孔徑的形狀如圖8和圖9所示。

圖8 銅JPC和等質(zhì)量鉬JPC侵徹結(jié)果

圖9 銅EFP和等質(zhì)量鉬EFP侵徹結(jié)果

3.3 結(jié)果分析

由表3～表5和圖6、圖9,對比銅、鉬藥型罩形成EFP毀傷元的數(shù)值仿真和試驗結(jié)果,可以得到:

①鉬EFP毀傷元成型后動能大,與銅EFP相比,提高約2.7%～5.9%,但密實度低,成型形態(tài)不夠理想,X光試驗出現(xiàn)尾部斷裂環(huán),表明加工后未熱處理的鉬罩可能存在加工硬化現(xiàn)象,影響毀傷元成型。

②X光試驗中的鉬EFP毀傷元成型形態(tài)與數(shù)值仿真中鉬EFP毀傷元成型形態(tài)較為吻合。

③侵徹結(jié)果表明等質(zhì)量的鉬EFP毀傷元侵徹孔徑相較于銅EFP毀傷元提高9.2%,侵徹深度相較于銅EFP毀傷元降低20%,侵徹深度的顯著降低原因在于鉬EFP毀傷元密實度小。

由表3～表5和圖4、圖5、圖8,對比銅、鉬藥型罩形成JPC毀傷元的數(shù)值仿真和試驗結(jié)果,可以得到:

①X光試驗結(jié)果表明,鉬形成的桿式射流延伸性較好,毀傷元速度高,表3數(shù)值仿真結(jié)果顯示,90 μs時刻等質(zhì)量鉬罩與等體積鉬罩相比,成型后的速度提高10.5%,毀傷元的有效長度提高11.6%,X光試驗結(jié)果同樣顯示等質(zhì)量鉬藥型罩形成的毀傷元相同時刻位移更大、速度更高。

②與銅JPC毀傷元靜爆試驗相比,鉬JPC毀傷元侵徹孔徑約為銅JPC毀傷元的2倍,但是侵徹深度顯著低于銅,圖8鉬JPC毀傷元的侵徹孔徑截面顯示,鉬毀傷元侵徹過程中侵徹阻抗大,在層疊靶的F-b和F-c接觸面,出現(xiàn)侵徹累積現(xiàn)象,造成侵徹體橫向擴孔效應(yīng)明顯。

③鉬JPC毀傷元的侵徹孔頭部大,開坑大,中間小,其中開坑大為毀傷元成型過程中,尾部較大造成,與銅JPC毀傷元在F-a接觸面的長條狀開坑現(xiàn)象一致;中間孔徑為鉬毀傷元真實的侵徹孔徑;對比圖8中銅、鉬JPC毀傷元侵徹軸線上最后一層接觸面F-e和F-c,可見鉬JPC毀傷元侵徹層疊靶,在接觸面上出現(xiàn)顯著二次開坑現(xiàn)象,對比銅JPC侵徹孔波浪形輪廓,鉬JPC毀傷元表現(xiàn)出與銅JPC毀傷元不同的侵徹機制。

④鉬、銅藥型罩毀傷元成型仿真與試驗較為吻合,鉬毀傷元成型過程中的塑性性能,于EFP和JPC毀傷元下表現(xiàn)不一致,塑性變形過程存在材料損傷行為,不利于穩(wěn)定成型,材料使用狀態(tài)不合理會加劇該現(xiàn)象。

4 結(jié)論

①與銅JPC毀傷元相比,鉬JPC毀傷元侵徹孔徑大,約為銅JPC毀傷元侵徹孔徑的2倍,侵徹深度小于銅,侵徹孔徑形態(tài)表明存在明顯的侵徹阻抗,并在層疊靶塊接觸面侵徹累積。

②與銅EFP毀傷元相比,鉬EFP毀傷元成型后的動能更大,提高約2.7%～5.9%,但鉬EFP毀傷元成型后的密實度小,侵徹靶板孔徑略大,侵徹深度小,表明鉬EFP毀傷元成型過程中材料特性影響顯著,存在有別于銅EFP毀傷元的成型機制。

③紫銅罩、等體積鉬罩和等質(zhì)量鉬罩?jǐn)?shù)值仿真與實驗結(jié)果較吻合,等質(zhì)量鉬罩的成型性能優(yōu)于等體積鉬罩,基于等質(zhì)量原則設(shè)計不同材料藥型罩的對比試驗優(yōu)于等體積原則,為以后的不同材料藥型罩對比試驗設(shè)計提供了參考。