閆玉鳳,陳智剛,魯修國(guó),周迪鋒,張遠(yuǎn)征

(中北大學(xué)地下目標(biāo)毀傷技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室,太原 030051)

0 引言

聚能裝藥作為一種產(chǎn)生高能量密度的技術(shù),在軍事領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,但是近年來(lái)隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展,各種軍事目標(biāo)的防護(hù)和抗打擊能力不斷提高,用傳統(tǒng)的穿、破甲彈藥摧毀目標(biāo)的困難越來(lái)越大,這就對(duì)射流性能提出了更高的要求。為了滿足這種要求,文中設(shè)計(jì)了一種單錐與雙錐和單錐與單錐相結(jié)合的兩種串聯(lián)裝藥結(jié)構(gòu)。

在現(xiàn)代聚能裝藥中,雙錐罩[1]以其形成的射流頭部速度大,中、后部速度梯度大,有效裝藥及侵徹能力通常優(yōu)于單罩的特點(diǎn)而得到國(guó)內(nèi)外廣泛的關(guān)注,雙錐罩作為一個(gè)變錐角的藥型罩,其頂部錐角小,底部錐角大,這有利于提高射流的頭部速度,增加射流速度梯度,便于射流拉長(zhǎng),除此之外,雙錐罩還可以增加藥型罩母線的長(zhǎng)度,增加裝藥量,從而提高破甲深度。有效對(duì)付各種現(xiàn)代裝甲及其堅(jiān)固防護(hù)目標(biāo),具有重要的理論和工程應(yīng)用價(jià)值。

1 兩種串聯(lián)結(jié)構(gòu)的描述

圖1 單-單錐串聯(lián)裝藥結(jié)構(gòu)

兩種串聯(lián)裝藥結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。藥型罩材料為紫銅,后級(jí)藥型罩壁厚為1mm,前級(jí)藥型罩壁厚為0.8mm。單-單錐藥型罩的前、后錐角的大小分別為60°、和 50°。

文中所述的串聯(lián)藥型罩成型裝藥結(jié)構(gòu)是在常規(guī)聚能裝藥破甲彈裝藥結(jié)構(gòu)技術(shù)的基礎(chǔ)上拓展引申的一種裝藥結(jié)構(gòu),用于增大孔徑和破甲深度,達(dá)到大幅度提高穩(wěn)定生成且相互加強(qiáng)的呈同軸分布的金屬射流量的目的。此結(jié)構(gòu)的作用過(guò)程是,當(dāng)破甲彈命中目標(biāo)時(shí),后級(jí)裝藥爆炸壓垮藥型罩形成金屬射流,由于其屬小錐角藥型罩,頭部速度較高迅速通過(guò)兩級(jí)裝藥結(jié)合部的圓柱形通道,此時(shí)前級(jí)炸藥被引爆,爆轟產(chǎn)物推動(dòng)藥型罩向軸線方向運(yùn)動(dòng),形成的金屬射流在藥型罩軸線方向與后級(jí)射流發(fā)生匯聚,形成了兩個(gè)同軸的金屬射流,每個(gè)射流內(nèi)的速度梯度使它們?cè)谛纬珊蟮倪\(yùn)動(dòng)過(guò)程中相互連接加強(qiáng),可延長(zhǎng)每段金屬射流的斷裂時(shí)間,使射流拉得更長(zhǎng),并保持金屬射流的穩(wěn)定性,進(jìn)一步加大金屬射流的長(zhǎng)度及破孔直徑,從而大幅度提高其侵徹能力。兩級(jí)間為與藥型罩材料相同的隔板。

圖2 單-雙錐串聯(lián)裝藥結(jié)構(gòu)

2 計(jì)算模型及材料模型

文中采用多物質(zhì)ALE[2]方法和運(yùn)動(dòng)網(wǎng)格法來(lái)進(jìn)行模擬。為了減少計(jì)算量,采用四分之一模型。計(jì)算中對(duì)金屬的材料變形采用Johnson-Cook Grǜneisen方程進(jìn)行描述,其中,藥型罩選用紫銅,靶板選用45#鋼,具體材料參數(shù)取值參見文獻(xiàn)[3]。炸藥裝藥為8701炸藥,選用高能炸藥爆轟模型(HIGH_EXPLOSIVE_BURN),狀態(tài)方程為JWL方程,其具體參數(shù)值見文獻(xiàn)[4]。選定的聚能裝藥口徑為40mm,炸高為140mm。為了充分考核聚能射流的侵徹能力,靶板厚度取為320mm。

3 兩種裝藥射流成型過(guò)程的數(shù)值模擬

首先對(duì)兩種射流成型過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬,兩種裝藥起爆后射流成型過(guò)程中對(duì)應(yīng)時(shí)刻狀態(tài)如圖3、圖4所示。侵徹靶板前射流各參數(shù)如表1所示。

表1 不同裝藥下30μs時(shí)形成的射流長(zhǎng)度與速度

從上可知:這種以雙錐罩為前級(jí)的裝藥結(jié)構(gòu)形成的射流比以單錐罩為前級(jí)的裝藥結(jié)構(gòu)形成的射流更為均勻,同時(shí),前者具有較高的射流頭部速度及較大的頭尾速度差,射流長(zhǎng)度較長(zhǎng),這在一定程度上保證射流具有了經(jīng)受遠(yuǎn)程、長(zhǎng)距離的延伸而不過(guò)早斷裂的能力,而后者形成的射流頭尾速度差較小,射流長(zhǎng)度較短,侵徹效果就會(huì)明顯的下降。

4 兩種裝藥射流侵徹靶板的數(shù)值模擬

4.1 單-單錐串聯(lián)裝藥的數(shù)值模擬

通過(guò)模擬可知,侵徹初始階段前端射流由后級(jí)藥型罩壓垮所形成,具有較高頭部速度,35μs時(shí)已經(jīng)開始了對(duì)靶板的侵徹,但在靶板阻力影響下,頭部速度逐漸降低,此時(shí)前級(jí)裝藥形成的后續(xù)射流拉伸前進(jìn),與前段射流相匹配。計(jì)算到最后時(shí)其侵徹深度為267.442 mm,最大孔徑為24.523 mm。

圖5 單-單錐藥型罩射流侵徹靶板過(guò)程

4.2 單-雙錐串聯(lián)裝藥的數(shù)值模擬

圖6 為不同時(shí)刻射流侵徹靶板過(guò)程模擬,兩種結(jié)構(gòu)對(duì)靶板的侵徹過(guò)程略有不同,此種結(jié)構(gòu)在侵徹過(guò)程中,其穩(wěn)定侵徹階段持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),射流能夠保持良好的形態(tài),基本無(wú)斷裂,保證了侵徹效果。在計(jì)算到200μs時(shí)320mm的靶板沒(méi)有完全穿透,最大侵徹深度為314.5mm。最大孔徑為26.256mm。其形成的孔徑較單錐裝藥結(jié)構(gòu)要大,且在相同時(shí)刻下穿深明顯比單-單錐裝藥要深。

打靶板瞬間兩種裝藥形成的射流頭部速度和時(shí)間的關(guān)系曲線和各裝藥靶板穿深分別如圖7、圖8所示。

圖6 單-雙錐藥型罩射流侵徹靶板過(guò)程

從圖7可以看出:因?yàn)殡p錐罩較單錐罩而言,前者能夠加大其裝藥量,提高壓垮速度,所以這種以雙錐罩為前級(jí)的裝藥結(jié)構(gòu)形成的射流頭部速度比以單錐罩為前級(jí)的裝藥結(jié)構(gòu)所形成的射流頭部速度要高,在 35μs 射流開始侵徹靶板之后,由于靶板阻力的存在,頭部速度迅速下降,從圖8可知,前者形成的射流先開始侵徹靶板,這時(shí)因?yàn)槠渚哂休^高的頭部速度,在相同炸高下,前者對(duì)靶板的穿深深度明顯要比后者深。

5 串聯(lián)聚能裝藥試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)裝置

在上面數(shù)值模擬的基礎(chǔ)之上,文中主要對(duì)前級(jí)藥型罩為單錐的串聯(lián)聚能裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)中采用環(huán)行起爆方式,對(duì)靶板進(jìn)行破甲實(shí)驗(yàn),以驗(yàn)證數(shù)值模擬的正確性。其中,藥型罩采用電鑄加工的紫銅串聯(lián)藥型罩,前級(jí)錐角60°、后級(jí)錐角 50°,前級(jí)裝藥中心孔半徑為4mm,整個(gè)裝藥結(jié)構(gòu)外部包覆2mm的鋼質(zhì)殼體,采用電雷管及起爆環(huán)。圖9為試驗(yàn)裝置圖,靶板為6塊45#鋼板(按照?qǐng)D10排列,其厚度依次為40mm 、40mm 、40mm 、40mm 、60mm 、60mm;直徑均為200mm)。

圖9 試驗(yàn)裝置圖

5.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖10 為射流侵徹后的靶板效果圖,圖10(a)為靶板正面,圖10(b)為靶板背面。

由于試驗(yàn)中是將6塊靶板按圖10的順序疊放來(lái)作為侵徹目標(biāo)的,侵徹結(jié)果表明,6塊靶板被完全穿透,各塊靶板穿孔均勻,速度梯度明顯,其中,2、3、4 號(hào)靶孔徑相近,屬穩(wěn)定侵徹階段,6號(hào)靶上未出現(xiàn)布袋型孔,這說(shuō)明射流在穿透6塊靶板后仍有較高的余速,尚未達(dá)到侵徹終止階段。另外,從試驗(yàn)靶板可以觀察到,各塊靶板的孔壁處有銅材料附著,分析原因在于射流在開坑過(guò)程中,前端射流受到后續(xù)射流的推動(dòng),向四周擴(kuò)散從而附著在各塊靶板的孔壁處。

將靶板1放大(見圖11)。經(jīng)測(cè)量,第一塊靶的出口直徑約為20.12mm、入口直徑約為25.68mm,與模擬結(jié)果24.523mm相比,基本吻合,這說(shuō)明前文中對(duì)串聯(lián)藥型罩的數(shù)值模擬方法正確合理,可以作為對(duì)以雙錐罩為前級(jí)的串聯(lián)戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)的有利工具。

圖10 侵徹靶板效果圖

圖11 第一塊靶的侵徹效果圖

6 結(jié)論

文中對(duì)兩種典型的串聯(lián)聚能裝藥結(jié)構(gòu)的射流成型和侵徹靶板的過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明這兩種射流參數(shù)及侵徹特性有明顯差異。主要結(jié)論如下:

1)文中提出的兩種串聯(lián)聚能裝藥結(jié)構(gòu)均能很好的形成射流,且能達(dá)到后級(jí)射流先行,前級(jí)射流隨進(jìn)的效果,能夠有效提高射流對(duì)靶板的侵徹深度。

2)由于雙錐罩形成的射流質(zhì)量分布均勻,在延伸過(guò)程中相比單錐罩不易拉斷,且射流較粗,具有一定的擴(kuò)孔作用,因此,以雙錐罩為前級(jí)的裝藥結(jié)構(gòu)形成的射流比以單錐罩為前級(jí)的裝藥結(jié)構(gòu)形成的射流對(duì)靶板的穿孔孔徑要大。

3)在戰(zhàn)斗部總體高度不變的情況下,前級(jí)使用雙錐罩能夠加大前級(jí)的裝藥量,提高了前級(jí)罩的壓垮速度,從而提高了前級(jí)罩形成的隨進(jìn)射流的速度,在相同炸高下,其侵徹深度比采用單錐罩作為前級(jí)時(shí)的戰(zhàn)斗部提高了20%左右。

4)由于雙錐藥型罩的加工精度要求較高,所以尚未針對(duì)前級(jí)采用雙錐罩的串聯(lián)裝藥進(jìn)行試驗(yàn),但通過(guò)對(duì)前級(jí)采用單錐罩的串聯(lián)裝藥的試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬對(duì)比,驗(yàn)證了數(shù)值模擬的正確性,所以對(duì)于前級(jí)采用雙錐罩的串聯(lián)結(jié)構(gòu)的模擬結(jié)果具有一定的參考價(jià)值,為后期進(jìn)一步的設(shè)計(jì)研究提供借鑒。

[1] 陳賢林,范中波.三錐S形聚能裝藥及其射流的性能分析[J].爆炸與沖擊,1993,13(4):34-40.

[2] 趙海鷗.LS-DYNA動(dòng)力學(xué)分析指南[M].北京:兵器工業(yè)出版社,2003.

[3] 時(shí)黨勇,李裕春,張勝民.基于ANSYS/LS-DYNA 8.1進(jìn)行顯示動(dòng)力學(xué)分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005:3-4.

[4] 董海山,周芳芳.高能固體炸藥及相關(guān)物性[M].北京:科技出版社,1995.