不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)組合藥型罩水中毀傷元的影響

徐鶴峰，焦志剛*，黃維平，邢存震

（1.沈陽(yáng)理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110059；2.遼沈集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110045）

由于海上的資源非常豐富，海上競(jìng)爭(zhēng)在未來(lái)各國(guó)戰(zhàn)略部署中的地位逐步提高，近些年，艦艇反導(dǎo)彈防御系統(tǒng)正在進(jìn)行多方位地完善與提高，在水線附近或飛行甲板等一些關(guān)鍵部位，艦艇具備強(qiáng)大的處理水面以上對(duì)其威脅的能力，但在水下的防御能力有待加強(qiáng)?，F(xiàn)代艦艇為了提高它的抗擊打能力，其結(jié)構(gòu)大都是采用高強(qiáng)度鋼或其他合金材料制成[1]，艦艇殼體大多設(shè)計(jì)成雙層殼體，兩層殼體之間擁有長(zhǎng)距離的水介質(zhì)，很多潛艇也是采用多密封艙室、復(fù)合裝甲、傾斜裝甲等結(jié)構(gòu)，使其抗沖擊抗破壞能力得到了很大的提高，科研人員進(jìn)行了多次的試驗(yàn)與探索，提出多種不同的新型聚能戰(zhàn)斗部[2]，通過(guò)改變聚能戰(zhàn)斗部的結(jié)構(gòu)來(lái)提高對(duì)裝甲的侵徹能力[3-4]，錐-球組合藥型罩即是新型聚能裝藥戰(zhàn)斗部中的一種。周方毅等[5]人提出了一種圓錐、球缺組合藥型罩的結(jié)構(gòu)，采用LS-DYNA有限元軟件建立有限元模型并計(jì)算，將數(shù)值模擬出的仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)作對(duì)比，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的正確性，同時(shí)采用正交設(shè)計(jì)方法優(yōu)化出圓錐、球缺聚能戰(zhàn)斗部的結(jié)構(gòu)參數(shù)，為下一步工作提供了參考。姜鑫圣[6]探究了水介質(zhì)與空氣中2種介質(zhì)的情況下爆炸成型彈丸的成形以及侵徹性能的差異，趙飛揚(yáng)[7]使用有限元分析軟件Autodyn-2D對(duì)組合藥型罩不同結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料的選擇以及隔板的參數(shù)進(jìn)行大量仿真，數(shù)值模擬確定了最佳戰(zhàn)斗部的結(jié)構(gòu)參數(shù)。R.Tosello[8]提出了由于現(xiàn)代艦艇的防御能力不斷提高，世界各國(guó)大多采用了多級(jí)串聯(lián)戰(zhàn)斗部的方法來(lái)增強(qiáng)魚(yú)雷戰(zhàn)斗部的毀傷效應(yīng)。

1 組合藥型罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬

1.1 幾何模型及參數(shù)

錐-球組合藥型罩幾何模型如圖1所示，其中戰(zhàn)斗部由炸藥、錐形藥型罩、球缺藥型罩、空氣與水域構(gòu)成。聚能裝藥長(zhǎng)徑比為1.5，裝藥直徑D=60 mm，裝藥高度L=90 mm，錐-球組合藥型罩壁厚n均為2 mm，錐形藥型罩角度α為60°，球缺罩內(nèi)外表面曲率半徑R2=33.5 mm、R1=35.5 mm，錐-球組合藥型罩高度h=38 mm。

圖1 幾何模型

1.2 有限元模型建立

使用Autodyn軟件對(duì)組合藥型罩進(jìn)行仿真計(jì)算，采用拉格朗日與歐拉耦合算法，由于模型是關(guān)于X軸對(duì)稱(chēng)，建立二維軸對(duì)稱(chēng)有限元模型，設(shè)置邊界條件，模擬無(wú)限空間，防止材料在邊界反射使得仿真結(jié)果失真，保證仿真的可靠性。有限元模型如圖2所示，網(wǎng)格劃分為均勻劃分，每個(gè)網(wǎng)格尺寸為0.25 mm×0.25 mm。

圖2 有限元模型

數(shù)值模擬的材料都選自Autodyn的材料庫(kù)，聚能裝藥選用B炸藥，爆速為7 980 m/s，爆壓為2.95×107kPa[9]，其余材料模型見(jiàn)表1。

表1 材料模型

2 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)水中毀傷元的影響

2.1 裝藥長(zhǎng)徑比對(duì)水中毀傷元的影響

當(dāng)炸藥被起爆后，產(chǎn)生的爆轟波壓垮錐-球組合藥型罩形成了水中毀傷元，因此聚能裝藥的長(zhǎng)徑比是一個(gè)重要因素，長(zhǎng)徑比不宜過(guò)大與過(guò)小，為探究聚能裝藥長(zhǎng)徑比對(duì)組合藥型罩形成水中毀傷元性能的影響規(guī)律，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)為錐角60°，錐-球組合藥型罩的壁厚均為2 mm，裝藥直徑為60 mm，錐-球藥型罩材料為銅，取聚能裝藥長(zhǎng)徑比分別為1.2、1.3、1.4、1.5、1.6，對(duì)其毀傷元性能進(jìn)行分析對(duì)比，50μs時(shí)不同長(zhǎng)徑比形成的水中毀傷元如圖3所示。

圖3 不同長(zhǎng)徑比下的水中毀傷元

不同長(zhǎng)徑比下錐-球組合藥型罩形成水中毀傷元的動(dòng)能隨時(shí)間的變化情況如圖4所示，毀傷元頭部速度隨長(zhǎng)徑比的變化情況如圖5所示，毀傷元長(zhǎng)度與頭部直徑隨長(zhǎng)徑比的變化情況如圖6所示。

圖4 不同長(zhǎng)徑比水中毀傷元?jiǎng)幽茈S時(shí)間的變化

由圖4可以看出，不同長(zhǎng)徑比下的水中毀傷元?jiǎng)幽茈S時(shí)間的變化曲線，在炸藥爆轟開(kāi)始，長(zhǎng)徑比最小的先傳遞到錐-球組合藥型罩表面，在同一時(shí)刻聚能裝藥長(zhǎng)徑比最小的，其形成的毀傷元?jiǎng)幽茏畲?，但隨著作用時(shí)間的增加，15μs時(shí)，各個(gè)長(zhǎng)徑比下產(chǎn)生的毀傷元?jiǎng)幽艽笮』疽恢?，?jīng)過(guò)15μs時(shí)，大的長(zhǎng)徑比形成的水中毀傷元?jiǎng)幽芟啾扔陂L(zhǎng)徑比較短的形成的動(dòng)能整體偏大。

由圖5可以看出，隨著長(zhǎng)徑比的增加，其水中毀傷元的頭部速度也在增加，但長(zhǎng)徑比超過(guò)1.4時(shí)，其水中毀傷元的頭部速度基本保持穩(wěn)定。

圖5 不同長(zhǎng)徑比下水中毀傷元的頭部速度

由圖6可以看出，隨著長(zhǎng)徑比的增加，水中毀傷元的長(zhǎng)度大致相同，長(zhǎng)徑比為1.4時(shí)，水中毀傷元長(zhǎng)度略有減小，水中毀傷元頭部直徑在長(zhǎng)徑比1.6時(shí)是較小的，由于聚能裝藥長(zhǎng)徑比增大，水對(duì)毀傷元的阻礙相對(duì)更強(qiáng)，所以導(dǎo)致毀傷元的頭部直徑較小。綜上所述，聚能裝藥長(zhǎng)徑比在1.5時(shí)水中毀傷元的性能更好。

圖6 不同長(zhǎng)徑比下水中毀傷元的長(zhǎng)度及頭部直徑

2.2 錐罩壁厚對(duì)毀傷元的影響

本節(jié)主要研究錐罩壁厚對(duì)毀傷元在水中成型的影響，在保證其他條件不變的情況下，只改變錐罩的壁厚來(lái)分析其對(duì)毀傷元的影響，分別對(duì)錐罩壁厚為1.6 mm、1.8 mm、2.0 mm、2.2 mm、2.4 mm的錐-球組合藥型罩進(jìn)行數(shù)值模擬。50μs時(shí)不同錐罩壁厚的毀傷元成型如圖7所示。

圖7 不同錐罩壁厚的水中毀傷元

不同錐罩壁厚下錐-球組合藥型罩形成水中毀傷元的動(dòng)能隨時(shí)間變化如圖8所示，毀傷元頭部速度隨錐罩壁厚變化曲線如圖9所示，毀傷元長(zhǎng)度與頭部直徑隨錐罩壁厚變化曲線如圖10所示。

圖9 不同錐罩壁厚下毀傷元的頭部速度

由圖8可以看出，不同錐罩壁厚下水中毀傷元?jiǎng)幽茈S時(shí)間的變化情況，在起爆開(kāi)始的一段時(shí)間內(nèi)，不同壁厚的毀傷元的動(dòng)能基本保持相同，總體來(lái)看，壁厚對(duì)于水中毀傷元?jiǎng)幽軒缀鯖](méi)有太大的影響，壁厚為1.8 mm、2.0 mm形成的水中毀傷元相比于其他壁厚形成的毀傷元的動(dòng)能略有提高。

圖8 不同錐罩壁厚下水中毀傷元?jiǎng)幽茈S時(shí)間的變化

由圖9可以看出，水中毀傷元頭部速度隨著錐罩壁厚的變化情況，壁厚為1.6 mm時(shí)，由于壁厚較薄，所以其水中毀傷元頭部速度最大，壁厚從1.8 mm到2.4 mm范圍變化，水中毀傷元的頭部速度是先升高后下降，在壁厚2.2 mm時(shí)，毀傷元的頭部速度較大。由圖10可以看出，水中毀傷元長(zhǎng)度及頭部直徑隨錐罩壁厚的變化曲線，隨著錐罩壁厚的增加，其水中毀傷元的長(zhǎng)度逐漸變短，在錐罩壁厚為1.8 mm時(shí)，其水中毀傷元的頭部直徑最小，其他壁厚下的水中毀傷元頭部直徑大致相同。

圖10 不同錐罩壁厚下毀傷元的長(zhǎng)度及頭部直徑

2.3 錐罩角度對(duì)毀傷元的影響

錐-球組合藥型罩的錐角影響水中毀傷元的性能，為探究錐罩錐角對(duì)水中毀傷元性能的影響，設(shè)計(jì)如下方案：錐-球組合藥型罩材料為銅，壁厚為2 mm，裝藥直徑為60 mm，聚能裝藥長(zhǎng)徑比為1.5，球缺罩內(nèi)外表面曲率半徑分別為33.5 mm、35.5 mm，只改變錐罩錐角，變化范圍為44～60°，每次變化4°，50μs時(shí)不同錐罩錐角的毀傷元成型如圖11所示。不同錐罩角度下錐-球組合藥型罩形成水中毀傷元的動(dòng)能隨時(shí)間變化如圖12所示，毀傷元頭部速度隨錐罩角度變化曲線如圖13所示，毀傷元長(zhǎng)度與頭部直徑隨錐罩角度變化曲線如圖14所示。

從圖12可以看出，錐罩角度的不同時(shí)，水中毀傷元?jiǎng)幽茈S時(shí)間變化的情況，在起爆開(kāi)始的一段時(shí)間內(nèi)，錐罩角度不同形成的水中毀傷元?jiǎng)幽艽笾孪嗤?0～50μs范圍內(nèi)，錐罩角度為52°時(shí)，水中毀傷元的動(dòng)能較大。

圖12 不同錐罩角度下水中毀傷元?jiǎng)幽茈S時(shí)間的變化

從圖13可以看出，毀傷元頭部速度隨著錐罩角度的變化，在44～56°范圍時(shí)，毀傷元頭部速度一直增加，錐罩角度在56°時(shí)，毀傷元頭部速度達(dá)到最大，隨著錐罩角度的增大，毀傷元的頭部速度有所下降。

圖13 不同錐角下毀傷元的頭部速度

從圖14可以看出，錐罩角度在48°時(shí)，水中毀傷元的長(zhǎng)度達(dá)到最大，錐罩角度在60°時(shí)，毀傷元頭部直徑較大。

圖14 不同錐角下毀傷元的長(zhǎng)度與頭部直徑

3 結(jié)論

探究聚能裝藥結(jié)構(gòu)中3種因素分別為裝藥長(zhǎng)徑比、錐罩角度、錐罩壁厚對(duì)錐-球組合藥型罩形成的水中毀傷元的影響，并通過(guò)數(shù)值模擬分析出，隨著長(zhǎng)徑比的增加，水中毀傷元的動(dòng)能是略有提高，但在水中毀傷元頭部速度方面上，長(zhǎng)徑比達(dá)到1.4以上時(shí)，水中毀傷元的頭部速度變化不大；在長(zhǎng)徑比為1.5時(shí)，水中毀傷元的頭部直徑最大。

對(duì)比錐-球組合藥型罩中錐罩角度時(shí)，在44～60°的變化范圍內(nèi)，錐罩角度為56°時(shí)，水中毀傷元的頭部速度是最大的，但水中毀傷元的頭部直徑在錐罩為60°時(shí)較為顯著。

對(duì)比錐-球組合藥型罩中錐罩壁厚時(shí)，在錐罩壁厚為1.6～2.4 mm變化范圍內(nèi)，錐罩壁厚為1.6 mm時(shí)，其水中毀傷元的頭部速度是最大的，但頭部直徑不太理想；錐罩壁厚為2.4 mm時(shí)，水中毀傷元的頭部直徑是較大的，但水中毀傷元的長(zhǎng)度有所下降；綜合考慮，錐罩壁厚為2 mm時(shí)，水中毀傷元不論在頭部直徑還是頭部速度較為優(yōu)異。在實(shí)際的工程中，可以根據(jù)不同的情況選擇需要的結(jié)構(gòu)參數(shù)。