新型夾層聚能裝藥射流成型及毀傷效果研究

童超慧,梁增友,周通通,高豪強

(中北大學(xué) 機電工程學(xué)院, 太原 030051)

0 引言

火箭彈、反坦克導(dǎo)彈和中大口徑榴彈均采用聚能裝藥結(jié)構(gòu)。隨著目標(biāo)裝甲防護能力的增強和大量新型裝甲出現(xiàn),迫切的需要優(yōu)化桿式聚能射流的性能,優(yōu)化方式包括改進材料及結(jié)構(gòu)兩方面,而裝藥結(jié)構(gòu)的優(yōu)化是提升桿式聚能射流侵徹性能最有效的方法之一。夾層裝藥技術(shù)是爆轟波波形控制技術(shù)之一,其原理是通過不同爆速的炸藥內(nèi)外搭配實現(xiàn)對爆轟波形的調(diào)節(jié)。

針對改善聚能裝藥結(jié)構(gòu)來優(yōu)化桿式射流侵徹性能,國外學(xué)者進行了大量的研究[1-4],Funston等[5]研究了桿式聚能射流的成型及侵徹性能。李福金等[6]研究了夾層裝藥爆轟波波形傳播過程及對射流的影響;Han等[7]研究了復(fù)合藥型罩雙層殼體單一裝藥結(jié)構(gòu)的射流成型及侵徹性能;徐全振[8]學(xué)者對夾層裝藥單層殼體的裝藥結(jié)構(gòu)的桿式射流進行了數(shù)值模擬;Zhang[9]對雙層聚能裝藥射流的形成與穿透進行了研究;王維占等[10]進行了周向約束對桿式射流成型影響的研究,較為詳細的闡述了合理匹配殼體材料和襯套高度及壁厚,可有效地提高射流侵徹威力;崔云航等[11]對線型聚能裝藥結(jié)構(gòu)進行了數(shù)值模擬及優(yōu)化設(shè)計;Chen等[12]研究了剛性邊界約束下聚能桿式射流的成形規(guī)律,發(fā)現(xiàn)在有剛性約束條件下,射流性能明顯提高;Ge等[13]采用理論、數(shù)值模擬和實驗相結(jié)合的方法對截錐形聚能藥型罩的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計;步相東[14-15]設(shè)計了一種T式裝藥結(jié)構(gòu)聚能戰(zhàn)斗部,對T式波形調(diào)整器的作用過程進行了爆轟波形控制技術(shù)的理論分析和原理描述,以80 mm聚能射流裝藥為應(yīng)用背景進行夾層裝藥作用過程的數(shù)值模擬計算;此外,Liu[16-17]對夾層聚能裝藥作用機理以及在破甲、聚能毀傷方面的應(yīng)用進行了相關(guān)研究,結(jié)果均表明夾層聚能裝藥比單一聚能裝藥更有優(yōu)勢,能使射流頭部速度顯著提高;徐夢林等[18]針對現(xiàn)代戰(zhàn)場復(fù)雜多樣的軍事目標(biāo),提出一種具有多種毀傷模式的新型聚能裝藥戰(zhàn)斗部,根據(jù)目標(biāo)類別可選擇以最佳方式進行毀傷;李玉品等[19]利用數(shù)值模擬研究了夾層聚能裝藥結(jié)構(gòu)下爆轟波的傳播特點,分析了大錐角、球缺與弧錐結(jié)合3種典型藥型罩形狀下單層裝藥與夾層聚能裝藥2種結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的爆轟波波形以及壓垮驅(qū)動過程和侵徹過程?，F(xiàn)有研究主要集中在通過改善藥形罩形狀及裝藥種類方面提升聚能裝藥結(jié)構(gòu)侵徹效果,對于含有約束殼體夾層裝藥結(jié)構(gòu)下聚能桿式射流成型及侵徹能力的研究報道較少。

本文中基于一定的裝藥結(jié)構(gòu),通過增加約束殼體及裝藥類型,設(shè)計出新型夾層聚能裝藥結(jié)構(gòu),優(yōu)化了射流成型過程,改善了成型射流對靶板的侵徹威力,同時文中利用數(shù)值模擬研究了4種裝藥結(jié)構(gòu)下桿式射流的成型特性,通過侵徹裝甲鋼靶板,分析新型裝藥結(jié)構(gòu)在射流成型及破甲威力方面的優(yōu)勢。

1 模型建立

1.1 裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)張先鋒[20]對不同爆速炸藥匹配關(guān)系的夾層聚能裝藥的射流參數(shù)計算分析,外高內(nèi)低的夾層聚能裝藥能夠形成較為明顯的超壓爆轟,對爆轟波波形調(diào)整效果更好,故基于外高內(nèi)低的夾層聚能裝藥進行本次裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計。新型夾層聚能裝藥結(jié)構(gòu)如圖1所示,本仿真采用錐形藥型罩,錐角為80°,外層殼體與約束殼體厚度均為2 mm,其中藥型罩厚度為2.5 mm,裝藥口徑為80 mm,內(nèi)層裝藥厚度為60 mm,外層裝藥軸向徑向厚度均為8 mm,整個結(jié)構(gòu)高度為110 mm,采用中心起爆方式,通過控制裝藥種類以及內(nèi)層約束殼體的有無,來觀察不同結(jié)構(gòu)下桿式射流的成型過程以及對裝甲鋼靶板的侵徹性能。

圖1 新型聚能裝藥結(jié)構(gòu)圖

1.2 有限元模型及材料參數(shù)

本文中采用非線性動力學(xué)仿真軟件AUTODYN-2D 建立仿真模型,如圖2所示。

圖2 有限元模型

炸藥、藥型罩、靶板都采用Euler算法以適應(yīng)其在爆轟過程中大變形的特點,Euler域設(shè)定Flow-out邊界,網(wǎng)格尺寸為0.5 mm×0.5 mm。藥型罩材料為高導(dǎo)無氧銅,狀態(tài)方程為Linear,強度模型為Johnson-cook,靶板材料為裝甲鋼(RHA),殼體、裝甲鋼模型參數(shù)主要來自Autodyn材料庫中內(nèi)置的參數(shù),模型具體參數(shù)如表1所示。

表1 藥型罩、殼體及靶板材料參數(shù)

炸藥選取HMX作為外層高爆速炸藥,采用JWL狀態(tài)方程,其密度為1.891 g,狀態(tài)方程如下:

(1)

該模型通過狀態(tài)方程式來描述炸藥爆轟產(chǎn)物的壓力。

式(1)中:P表示爆轟物壓力,V表示相對體積,E表示單位質(zhì)量的炸藥內(nèi)能,其余參數(shù)均為材料常數(shù)。

選取TNT作為內(nèi)層低爆速炸藥,采用Lee-Traver狀態(tài)方程,其密度為1.63 g/cm3,主要參數(shù)如表2所示。為了對比所設(shè)計新結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢,設(shè)計了不同裝藥結(jié)構(gòu)進行仿真。文中炸藥沖擊起爆模型參數(shù)來自文獻[21-22]及AUTODYN中內(nèi)置的參數(shù)。

表2 炸藥模型及主要參數(shù)

2 爆轟波及射流成型模擬及分析

2.1 方案設(shè)計

為了研究所設(shè)計的新型裝藥結(jié)構(gòu)在桿式射流成型方面的優(yōu)勢,根據(jù)內(nèi)部有束殼體及是否夾層裝藥,設(shè)計3種聚能裝藥的方案,并與單一聚能裝藥結(jié)構(gòu)進行對比研究,具體方案如表3所示。

2.2 爆轟波傳播過程

采用中心起爆方式起爆裝藥,外層裝藥厚度為8 mm,遠大于爆轟波正常傳播時裝藥的臨界直徑。3種對比裝藥結(jié)構(gòu)及新型夾層裝藥結(jié)構(gòu)的爆轟波傳播過程如圖3所示。

表3 聚能裝藥結(jié)構(gòu)方案

圖3 不同裝藥方案爆轟波傳播過程

由圖3可以看出,對比單一裝藥爆轟波傳播過程,方案1僅在單一TNT裝藥中加上一層約束殼體就對爆轟波形有較為明顯的改善,方案2、3由于內(nèi)外層炸藥的爆速差異明顯,有利于夾層裝藥爆轟過程中爆轟波形的調(diào)整,并使內(nèi)層裝藥形成超壓爆轟。圖3(a)爆轟波始終以球面波的形式進行傳播,由A處看出傳至藥形罩時仍與藥形罩有較大的夾角;同時,由圖3(b)B處可以看出爆轟波在到達藥型罩之前內(nèi)層裝藥爆轟波始終領(lǐng)先于外層,而由圖3(c)(d)可以看出,在爆轟波到達藥型罩之前,內(nèi)層炸藥的爆轟波先是領(lǐng)先于外層炸藥,后被外層炸藥的爆轟波追上并反超,而方案3中新型聚能裝藥結(jié)構(gòu)由于存在約束殼體,阻止了內(nèi)層炸藥中的稀疏波進入外層炸藥,從而使外層炸藥的爆轟波傳播比方案2更快,形成了與藥型罩外形更為匹配的爆轟波形,有效提高了炸藥對藥型罩的做功。

2.3 桿式射流(JPC)成型及參數(shù)分析

在80 μs時,4種方案下的聚能裝藥結(jié)構(gòu)的JPC成型結(jié)果如圖4所示,并根據(jù)數(shù)據(jù)繪制了該時刻JPC速度分布曲線圖,如圖5所示(橫軸為距離起爆點位置,曲線上標(biāo)記為對應(yīng)射流上的位置及速度)。

圖4 4種方案JPC成型形態(tài)

由圖4可以看出,加有約束殼體的單一裝藥結(jié)構(gòu)(方案1)的JPC長度明顯要比單一裝藥結(jié)構(gòu)有所提高,同時,方案1中還形成了杠鈴型杵體。而相比于單一裝藥,方案3、4夾層裝藥結(jié)構(gòu)所形成的JPC有非常明顯的形態(tài)變化,更為細長均勻。新型夾層聚能裝藥結(jié)構(gòu)(方案3)相較于其他3種裝藥方案所形成的JPC最為細長,并且可以看到新結(jié)構(gòu)所形成的JPC有明顯的拉伸斷裂現(xiàn)象,說明JPC頭部速度較高,有利于后續(xù)侵徹裝甲鋼,同時也證明約束殼體可以使射流獲得較高動能。而由圖5中JPC速度分布曲線可以發(fā)現(xiàn),3種聚能裝藥結(jié)構(gòu)所形成的JPC速度沿軸向基本呈線性關(guān)系,說明速度梯度較為均勻。

圖5 JPC速度分布曲線

JPC特性參數(shù)如表4,其中,Vh為射流頭部速度(未斷裂部分),Vt為射流尾部速度,L為JPC長度,Ek為射流動能。

由表4可知,新型夾層聚能裝藥結(jié)構(gòu)(方案3)相比于單一裝藥、其他2種方案,射流頭、尾部速度、射流長度及動能均有提升。相比于單一裝藥,射流頭部速度提升了3 052.1,射流尾部速度提升了244.14,射流長度提升了206,動能提高了182.11 kJ;相對于有約束殼體的單一裝藥(方案1),射流頭部速度提升了2 477.5,射流尾部速度提升了285.73,射流長度提升了164.5,動能提高了181.42 kJ;相比于無約束殼體的夾層裝藥結(jié)構(gòu)(方案2),射流頭部速度提升了174.1,射流尾部速度提升了101,射流長度提升了16,動能提高了163.73 kJ。

表4 射流成型模擬結(jié)果

通過上述數(shù)據(jù)的分析可以看出,新型夾層聚能裝藥結(jié)構(gòu)比普通結(jié)構(gòu)更具優(yōu)勢,所形成的JPC頭部、尾部速度、射流長度、及動能都有顯著提升,有利于破甲。

3 侵徹性能分析

分別對單一裝藥和方案1、2、3進行侵徹鋼靶的數(shù)值模擬,以比較新型裝藥結(jié)構(gòu)(方案3)形成JPC的侵徹性能。靶板為250 mm厚的裝甲鋼(RHA),侵徹起始時間為起爆后50 μs,約2倍炸高。普遍認為當(dāng)射流速度低于2 000 m/s時,射流不再具有侵徹裝甲鋼的能力[23],故取JPC頭部速度不大于2 000 m/s作為停止侵徹的標(biāo)志。圖6為侵徹結(jié)束后靶板的開孔結(jié)果,表5為開孔特征參數(shù),其中為侵徹深度,為入孔直徑,為孔底直徑。

圖6 侵徹裝甲鋼模擬

由圖6可以看出,新型聚能裝藥結(jié)構(gòu)在侵徹深度方面具有明顯優(yōu)勢,整體來看,有約束殼體的裝藥結(jié)構(gòu)比對應(yīng)的無約束殼體的裝藥結(jié)構(gòu)侵徹效果好;而外高內(nèi)低夾層裝藥結(jié)構(gòu)侵徹效果要比單一裝藥結(jié)構(gòu)好。從開孔形狀來看,4種裝藥方案所形成的開孔孔徑變化均較為平穩(wěn); 有約束殼體的2種裝藥方案(方案1、方案3)入孔直徑較大,并且到達一定侵深時形成了明顯的縮口,有約束殼體的單一裝藥結(jié)構(gòu)(方案1)形成了“漏斗”狀孔型,新型結(jié)構(gòu)(方案3)形成“葫蘆”狀孔型。根據(jù)表5的具體數(shù)據(jù),新型聚能裝藥結(jié)構(gòu)相比于方案2,侵徹深度方面增加了23 mm (約11.1%),孔底直徑也稍有增加;而相對于2種單一裝藥結(jié)構(gòu)基本各項侵徹參數(shù)均大幅增加,而相比于方案1開孔直徑反而有所減少。

表5 對裝甲鋼的侵深和開孔結(jié)果

4 結(jié)論

本文中利用Autodyn對新型夾層聚能裝藥結(jié)構(gòu)下桿式聚能射流的成型和侵徹裝甲鋼性能進行了數(shù)值模擬,通過對不同裝藥結(jié)構(gòu)及單一裝藥進行對比研究,得到如下結(jié)論:

1) 新型裝藥結(jié)構(gòu)中的約束殼體在一定程度上能夠抑制內(nèi)層炸藥稀疏波進入外層,使爆轟波波形與藥型罩型狀更加契合,提高了炸藥對藥型罩的做功能力。

2) 新型夾層聚能裝藥結(jié)構(gòu)較單一裝藥及其他2種裝藥結(jié)構(gòu)能夠大幅度提高JPC的射流頭部、尾部速度、射流長度及動能,相對于表現(xiàn)最好的普通夾層聚能裝藥而言,新型夾層聚能裝藥結(jié)構(gòu)所形成的JPC頭部速度提高了3%,射流尾部速度提高了10%,射流長度提升了4%,射流動能提高了53%。

3) 新型夾層聚能裝藥結(jié)構(gòu)下形成的JPC對裝甲鋼的侵徹深度有顯著提高,開孔的孔徑雖不如帶有約束殼體的單一裝藥方案,但在孔深方面有巨大優(yōu)勢。