徐浩銘，顧文彬，劉建青，陳江海，徐景林，黃 鶴

（解放軍理工大學(xué)，江蘇 南京，210007）

隨著彈藥技術(shù)的不斷發(fā)展，以及各種毀傷目標(biāo)防護(hù)能力的不斷加強(qiáng)，串聯(lián)聚能裝藥逐漸成為戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)者比較重視的研究項(xiàng)目[1]。涂侯杰、張先鋒、王健[2-5]等分別對(duì)串聯(lián)戰(zhàn)斗部前級(jí)爆轟對(duì)后級(jí)的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬分析與試驗(yàn)。由于串聯(lián)聚能裝藥屬于爆炸高壓加載范疇，影響因素眾多，因此串聯(lián)EFP裝藥之間隔爆結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)復(fù)雜。

若串聯(lián)EFP裝藥的兩級(jí)距離較小且量較大，前級(jí)爆炸會(huì)對(duì)后級(jí)產(chǎn)生重大的影響，傳統(tǒng)隔爆手段略顯不足。本文根據(jù)串聯(lián)EFP裝藥的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種中心為圓錐空腔的圓柱形隔爆體，通過(guò)調(diào)整不同中心錐頂高度和隔爆體位置，達(dá)到充分利用和發(fā)揮后級(jí)EFP裝藥設(shè)計(jì)能力的目的。開展這種串聯(lián)聚能裝藥相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的研究具有重要應(yīng)用前景和理論意義，為今后設(shè)計(jì)破-破-爆型多級(jí)串聯(lián)戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)提供一定依據(jù)。

1 隔爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真模型

1.1 EFP裝藥和隔爆材料

本文EFP裝藥選擇前期研究?jī)?yōu)化得到的Ф65mm球缺型變壁厚EFP裝藥結(jié)構(gòu)方案[6]。裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)為：炸藥采用JH-2，其密度為1.7g/cm3，裝藥長(zhǎng)徑比為1；藥型罩采用紫銅材料，罩內(nèi)曲率半徑67mm、外曲率半徑62mm。聚氨酯泡沫(RPUF)是一種密度較輕、有一定吸能緩沖性能的較好的隔爆材料[7-8]，在國(guó)防、軍事領(lǐng)域廣泛用于抗沖擊波防護(hù)領(lǐng)域，也是本文隔爆體設(shè)計(jì)采用的材料。

1.2 串聯(lián)技術(shù)和隔爆設(shè)計(jì)

串聯(lián)聚能裝藥的關(guān)鍵技術(shù)分為兩級(jí)起爆控制的精確性和裝藥之間的互不干擾性。本文主要目的就是通過(guò)調(diào)整隔爆結(jié)構(gòu)中心錐頂高度，設(shè)計(jì)出一種位于前后級(jí)聚能裝藥中間的隔爆結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)兩級(jí)裝藥的隔爆防護(hù)，降低前級(jí)爆轟場(chǎng)對(duì)后級(jí)裝藥成型和侵徹的影響。

1.3 數(shù)值模型的建立

為了充分驗(yàn)證該串聯(lián)聚能裝藥的可行性，利用LS-DYNA有限元計(jì)算程序?qū)ζ涑尚瓦^(guò)程進(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算，整體模型如圖1所示，主要考察后級(jí)EFP的成型和侵徹性能。

圖1 串聯(lián)聚能裝藥的整體模型Fig.1 The model of tandem EFP charge

本文在定義數(shù)值模型材料時(shí)應(yīng)用了“填充法”(INITIAL_VOLUME_FRACTION_GEOMETRY)，填充炸藥、藥型罩和隔爆材料。與傳統(tǒng)建模不同的是，應(yīng)用此方法建立模型時(shí)，不需要通過(guò)定義復(fù)雜不同的PART來(lái)定義不同的流體材料，而是只需要定義一種材料（本模型中定義的為空氣材料），其余材料的建立與定義是通過(guò)K文件中的關(guān)鍵字實(shí)現(xiàn)的。此方法的使用極大地減少了建模過(guò)程的工作量。

1.4 材料參數(shù)的選取

模型中各部分所用靶板材料為45#鋼，藥型罩材料為紫銅，隔爆體材料為聚氨酯，都采用Gruneisen狀態(tài)方程；裝藥為8701，采用JWL狀態(tài)方程，材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 各種材料計(jì)算參數(shù)Tab.1 Computation parameters of materials

2 試驗(yàn)與數(shù)值模擬分析

2.1 延時(shí)時(shí)間的選取

延時(shí)起爆時(shí)間（t）對(duì)后級(jí)EFP的成型和穩(wěn)定飛行影響非常大。在兩級(jí)裝藥間距一定的情況下，t較小時(shí)與前級(jí)裝藥高壓爆轟場(chǎng)相遇，t較大時(shí)前級(jí)裝藥爆轟場(chǎng)到達(dá)后級(jí)裝藥，這都會(huì)大大影響后級(jí)EFP成型和降低速度。因此，為了合理控制延時(shí)起爆時(shí)間，最大限度地降低前級(jí)裝藥爆轟場(chǎng)對(duì)后級(jí)EFP成型性能的影響，分別在串聯(lián)EFP延時(shí)0μs、10μs、20μs、25μs、30μs的情況下進(jìn)行侵徹靶板數(shù)值模擬，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同延時(shí)串聯(lián)EFP裝藥侵徹鋼靶數(shù)值模擬結(jié)果Tab.2 Simulation results of tandem EFP penetrating the steel target under different delay time

分析表2可以發(fā)現(xiàn)，隨著延時(shí)的增加，后級(jí)EFP受到前級(jí)爆轟場(chǎng)影響，形狀變得更加細(xì)長(zhǎng)，侵徹出的孔徑變??；而侵徹深度隨著延時(shí)時(shí)間的增加先增大后減小，說(shuō)明本串聯(lián)結(jié)構(gòu)較為合理的延時(shí)為20μs。

2.2 試驗(yàn)布置

圖2為靜破甲試驗(yàn)布置圖，主要用于分析不同錐頂中心高度的隔爆體在不同位置對(duì)串聯(lián)EFP裝藥侵徹性能的影響。串聯(lián)EFP裝藥有利炸高取210mm，兩級(jí)裝藥間距150mm，隔爆體高度40mm。采用中心起爆兩級(jí)延時(shí)20μs方式，分別對(duì)隔爆體距后級(jí)20mm、40mm、60mm、80mm、100mm 5種情況進(jìn)行侵徹靶板試驗(yàn)，進(jìn)行2發(fā)試驗(yàn)，結(jié)果取均值。

圖2 串聯(lián)EFP裝藥分侵徹鋼靶試驗(yàn)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the tandem EFP charge penetrating steel target

2.3 不同中心錐頂高度影響分析

前級(jí)裝藥爆轟產(chǎn)物和空氣沖擊波直接作用在后級(jí)裝藥上，會(huì)產(chǎn)生較大的沖量，從而改變后級(jí)EFP形狀和性能。試驗(yàn)所用的隔爆體高度為40mm，基于以上因素綜合考慮，本文設(shè)計(jì)了錐頂高度H分別為10mm、20mm和30mm 3種形狀的隔爆結(jié)構(gòu)，通過(guò)比較穿孔深度和孔徑來(lái)得到相關(guān)規(guī)律，數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 不同錐頂中心高度隔爆體串聯(lián)EFP穿孔數(shù)據(jù)Tab.3 Data of the tandem EFP penetration results under different cone height of explosion-proof body

分析表3中數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在串聯(lián)EFP裝藥設(shè)置中心高度為10mm的隔爆體時(shí)侵徹深度較大，但后級(jí)EFP的侵徹孔徑較小，應(yīng)用在隨進(jìn)戰(zhàn)斗部前級(jí)裝藥上的價(jià)值不高；中心高度為20mm和30mm的隔爆體的平均侵徹孔徑和深度相差不大；但是從結(jié)果可以看出中心高度為20mm時(shí)隔爆體設(shè)置位置對(duì)隔爆效果影響顯著，優(yōu)化后得到的侵徹效果也最佳。圖3所示為隔爆體3種中心錐頂高度在5種不同位置條件下，串聯(lián)裝藥侵徹45#鋼靶剖面圖。

圖3 不同錐頂中心高度隔爆體串聯(lián)EFP裝藥侵徹鋼靶試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Test results of tandem EFP penetrating steel target under different cone height of explosion-proof body

2.4 數(shù)值模擬與試驗(yàn)對(duì)比分析

最優(yōu)方案A8的數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖4所示。

圖4 串聯(lián)EFP侵徹試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparison of test and numerical simulation results of tandem EFP penetrating steel target

由圖4可見(jiàn)，兩級(jí)裝藥侵徹出的孔洞形狀大體上是一致的，可以大致分辨出前后兩級(jí)EFP的侵徹區(qū)域。后級(jí)EFP的侵徹孔型較為細(xì)長(zhǎng)，這是由于后級(jí)裝藥在小間距條件下，不可避免地受到前級(jí)裝藥爆轟場(chǎng)的影響，以及速度和長(zhǎng)徑比都有所變化的影響。模擬的孔徑結(jié)果略大于試驗(yàn)，而侵深則略小于試驗(yàn)，主要原因可能是數(shù)值模擬中已失效的隔爆材料殘留部分在試驗(yàn)中可能仍對(duì)后級(jí)裝藥成型有所影響，造成了兩者之間的細(xì)微誤差。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)數(shù)值模擬和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)比分析了不同形狀隔爆體在不同條件下對(duì)串聯(lián)EFP成型及侵徹性能的影響。兩者差值中最大為8.75%；平均為5.2%，吻合性較好。運(yùn)用此方法，可以較好地研究串聯(lián)裝藥成型及侵徹相關(guān)過(guò)程中的重要影響因素和匹配關(guān)系。

（2）開展了兩級(jí)裝藥間距150mm，不同錐頂中心高度隔爆體在不同位置隔條件下串聯(lián)EFP侵徹45#鋼靶板實(shí)試驗(yàn)，得到最優(yōu)方案A8，既大大提高了侵徹深度，又盡可能保證了后級(jí)裝藥的開孔直徑，充分說(shuō)明隔爆體優(yōu)化對(duì)串聯(lián)EFP破孔能力提高的重要性。

[1]周天勝.串聯(lián)聚能裝藥戰(zhàn)斗部技術(shù)綜述[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),1997,6(1):61-65.

[2]涂侯杰,惲壽榕,趙衡陽(yáng).破爆型串聯(lián)戰(zhàn)斗部第一級(jí)爆炸對(duì)第二級(jí)影響的研究 [J].兵工學(xué)報(bào),1994(3):18-22.

[3]張先鋒,陳惠武.破爆型串聯(lián)戰(zhàn)斗部前級(jí)對(duì)后級(jí)影響數(shù)值模擬[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),2006,26(2) :66-68.

[4]張先鋒,陳慧武,何勇,等.反鋼筋混凝土串聯(lián)聚能裝藥技術(shù)研究[J].爆炸與沖擊,2008,28(3):207-212.

[5]王健,阮文俊.串聯(lián)隨進(jìn)戰(zhàn)斗部前后級(jí)影響數(shù)值仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2010,22(9):2 231-2 234.

[6]顧文彬,劉建青,唐勇,等.球缺型EFP戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,32(2) :165-168.

[7]陳網(wǎng)樺,朱衛(wèi)華,彭金華,等.硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料隔爆性能的研究[J].爆炸與沖擊,1997,17(3):281-284.

[8]林玉亮,盧芳云,王曉燕,等.低密度聚氨酯泡沫壓縮行為實(shí)驗(yàn)研究[J].高壓物理學(xué)報(bào),2006,20(1):88-92.