李永勝，王偉力，宋之勇

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抑制中心逆向侵徹體的異型環(huán)形裝藥設(shè)計(jì)

李永勝1，王偉力1，宋之勇2

（1.海軍航空工程學(xué)院，山東煙臺(tái)，264001；2. 91206部隊(duì)，山東青島，266108）

針對(duì)環(huán)形裝藥作用時(shí)在中軸線會(huì)形成一束向前、向后運(yùn)動(dòng)的中心聚能侵徹體，對(duì)后方目標(biāo)具有很強(qiáng)的破壞作用問(wèn)題，分析該侵徹體成形特性，通過(guò)殼體向內(nèi)側(cè)傾斜的方式，設(shè)計(jì)了一種倒梯形結(jié)構(gòu)，大幅減弱中心逆向侵徹體對(duì)后端的破壞效果；針對(duì)中空環(huán)形裝藥對(duì)內(nèi)外側(cè)藥型罩壓合作用的不對(duì)稱，從而導(dǎo)致環(huán)形射流在縱向的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了內(nèi)外側(cè)非對(duì)稱的裝藥結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)改變內(nèi)側(cè)裝藥與內(nèi)側(cè)殼體的傾角，使非對(duì)稱裝藥能夠?qū)?nèi)外側(cè)等壁厚的藥型罩產(chǎn)生盡可能均勻的壓合效果，從而形成高質(zhì)量的環(huán)形射流。

聚能裝藥；破壞效應(yīng)；環(huán)形射流；中心逆向侵徹體；優(yōu)化設(shè)計(jì)

聚能裝藥爆炸切割技術(shù)能夠快速、高效地實(shí)現(xiàn)大口徑開孔。環(huán)形聚能裝藥是一種中空的裝藥形式，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)較大孔徑的侵徹穿孔，而其裝藥質(zhì)量遠(yuǎn)低于爆炸成形彈丸的質(zhì)量。與傳統(tǒng)聚能裝藥結(jié)構(gòu)不同，環(huán)形聚能裝藥結(jié)構(gòu)除了具有中心對(duì)稱軸外，環(huán)形藥型罩截面還具有第二對(duì)稱軸[1]。這種新型環(huán)形聚能裝藥結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)得到了國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者的關(guān)注，并在多方面做了深入研究[2-7]。

雖然環(huán)形裝藥能夠產(chǎn)生大口徑的環(huán)形射流，但在仿真以及靶場(chǎng)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，中空環(huán)形裝藥的內(nèi)側(cè)殼體在爆炸作用下會(huì)在中軸線上形成向前、向后的中心聚能侵徹體，該侵徹體在對(duì)前方靶板進(jìn)行穿透的同時(shí)，也會(huì)對(duì)后方構(gòu)成很大毀傷效果。

目前國(guó)內(nèi)外研究者雖然意識(shí)到環(huán)形裝藥作用時(shí)，中軸線會(huì)形成具有很強(qiáng)破壞效果的聚能侵徹體，但缺少將中心侵徹體成形和環(huán)形射流成形二者統(tǒng)一起來(lái)進(jìn)行分析的研究成果。本文將探討通過(guò)對(duì)內(nèi)側(cè)裝藥、殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在抑制中心逆向侵徹體向后運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的同時(shí)，修正等壁厚藥型罩形成環(huán)形射流的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，促進(jìn)環(huán)形聚能裝藥技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。

1 環(huán)形裝藥毀傷試驗(yàn)

1.1 毀傷試驗(yàn)

根據(jù)前期環(huán)形聚能裝藥的原理研究[8-9]，設(shè)計(jì)并加工了環(huán)形裝藥，如圖1所示。其中，藥型罩開口角度為2=60°、殼體材料為高強(qiáng)度鋼，裝藥采用Comp.B炸藥，藥型罩材料采用紫銅。

圖1 環(huán)形裝藥設(shè)計(jì)參數(shù)

靶場(chǎng)布置如圖2所示，其中前后鋼靶為922#鋼，采用M20螺釘固定在靶板架上。

圖2 環(huán)形聚能裝藥毀傷試驗(yàn)布置

鋼靶的毀傷情況如圖3所示，該環(huán)形裝藥能夠?qū)η岸?0mm厚的922#鋼靶形成較為均勻的切割開孔，但在切割下的圓盤中心，以及環(huán)形裝藥后端對(duì)應(yīng)的鋼板中心處均形成一個(gè)規(guī)則的、口徑較大的孔洞。

圖3 鋼靶的毀傷情況

1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)孔洞形態(tài)、邊緣殘留物的分析，并結(jié)合ANSYS/LS-DYNA有限元仿真，可以推斷出，環(huán)形裝藥爆炸后，形成的沖擊波和爆轟產(chǎn)物作用到內(nèi)側(cè)殼體上，使其發(fā)生塑性變形并向軸線運(yùn)動(dòng)。內(nèi)側(cè)殼體受爆轟產(chǎn)物驅(qū)動(dòng)向軸線運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，徑向尺寸逐漸縮小，由于上端與殼體頂端部分、下端與藥型罩連接，受到邊界效應(yīng)和卸載波的作用，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，截面會(huì)呈現(xiàn)一個(gè)拱形。另外根據(jù)質(zhì)量守恒，隨著半徑的減小，使得內(nèi)部各點(diǎn)均處于三向受壓狀態(tài)，從而導(dǎo)致截面積的增加；內(nèi)收過(guò)程質(zhì)點(diǎn)徑向速度不對(duì)稱，內(nèi)側(cè)質(zhì)點(diǎn)的徑向收縮速度大于外側(cè)質(zhì)點(diǎn)的徑向速度，內(nèi)側(cè)的周長(zhǎng)小于外側(cè)，而內(nèi)側(cè)的變形速度大于外側(cè)，相對(duì)于外側(cè)，內(nèi)側(cè)過(guò)度的變形直接導(dǎo)致了內(nèi)鼓的變形模式，即截面呈現(xiàn)拱形。最終在軸線附近發(fā)生碰撞時(shí)的截面成為一個(gè)“X”形，先中間碰撞，后兩端碰撞，從而形成中心聚能侵徹體，并向前后方運(yùn)動(dòng)，內(nèi)側(cè)殼體運(yùn)動(dòng)如圖4所示。形成的聚能侵徹體由于周向受到均布的爆炸載荷的擠壓作用，只能沿軸向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而侵徹并穿透前后端靶板。

圖4 內(nèi)側(cè)殼體運(yùn)動(dòng)示意圖

2 異型環(huán)形裝藥優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 原理分析

環(huán)形聚能裝藥截面結(jié)構(gòu)樣式可以是柱形、柱錐形、正梯形以及倒梯形4種典型樣式，同樣的爆轟載荷對(duì)4種不同結(jié)構(gòu)樣式的內(nèi)側(cè)殼體作用時(shí)，殼體在軸線碰撞形成的“X”形截面夾角不同、中心侵徹體的軸向運(yùn)動(dòng)速度也不同，會(huì)導(dǎo)致向后運(yùn)動(dòng)的侵徹體所占的比例、速度及其梯度有很大差異。相比較而言，倒梯形裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)中心逆向侵徹體向后運(yùn)動(dòng)的抑制作用最好。但倒梯形的裝藥形式可能導(dǎo)致爆轟載荷對(duì)內(nèi)外側(cè)藥型罩壓合作用的不對(duì)稱，從而使形成的環(huán)形射流產(chǎn)生縱向的偏轉(zhuǎn)，影響環(huán)形射流的成型質(zhì)量。因此，可以考慮改變內(nèi)側(cè)裝藥傾角，使裝藥與殼體之間有部分空氣或其它材料，衰減側(cè)向多余的爆轟載荷，達(dá)到對(duì)內(nèi)外側(cè)藥型罩對(duì)稱均勻的壓合作用，該異型環(huán)形聚能裝藥截面如圖5所示。

圖5 環(huán)形聚能裝藥截面示意圖

但最優(yōu)的倒梯形內(nèi)傾角度、非對(duì)稱的裝藥結(jié)構(gòu)形式等需要通過(guò)數(shù)值仿真進(jìn)一步確認(rèn)。

2.2 有限元模型

2.2.1模型建立

運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA軟件，建立異型環(huán)形裝藥毀傷效應(yīng)有限元模型，根據(jù)對(duì)稱性，為了簡(jiǎn)化計(jì)算采用1/4模型。為了易于觀察，顯示過(guò)程中均采用1/2模型，如圖6所示。

圖6 有限元模型

模型由裝藥、藥型罩、殼體、空氣、前靶板和后靶板6部分組成。由于聚能裝藥爆炸是一個(gè)高速、大變形的過(guò)程，Lagrange算法往往由于網(wǎng)格的畸變、扭曲及相互間的疊置導(dǎo)致計(jì)算的失敗，而Euler算法具有適合克服網(wǎng)格發(fā)生畸變的優(yōu)勢(shì)，因此將裝藥、藥型罩和空氣3種材料采用Euler網(wǎng)格單元?jiǎng)澐?，在?jì)算中單元使用多物質(zhì)ALE算法，克服了單元嚴(yán)重畸變引起的數(shù)值計(jì)算困難的問(wèn)題；而異型環(huán)形聚能裝藥的殼體和前、后端靶板3種材料采用Lagrange網(wǎng)格單元?jiǎng)澐帧楸ＷC計(jì)算的精確和可靠性，在空氣域四周設(shè)置透射邊界，以避免沖擊波在空氣域邊界反射造成的誤差。對(duì)于整個(gè)模型，在對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束。環(huán)形切割器裝藥起爆方式為頂端環(huán)形起爆。

2.2.2材料模型參數(shù)

裝藥材料為Comp.B炸藥，采用High-Explosive-Burn材料模型和JWL狀態(tài)方程，材料參數(shù)見表1。異型環(huán)形裝藥的藥型罩材料為紫銅，采用Steinberg材料模型和Grüneisen狀態(tài)方程，材料參數(shù)見表2。

表1 Comp.B炸藥的材料參數(shù)

Tab.1 Parameters of the comp.B explosive

表2 紫銅藥型罩的材料參數(shù)

Tab.2 Parameters of the copper liner

異型環(huán)形裝藥的殼體材料為高強(qiáng)度鋼，前、后端靶板材料為922#鋼，均采用Johnson-Cook材料模型，狀態(tài)方程為Grüneisen方程，材料參數(shù)見表3?？諝獠捎肗ull流體動(dòng)力模型，狀態(tài)方程為Grüneisen方程，材料參數(shù)見表4。

表3 鋼殼體和靶板的材料參數(shù)

Tab.3 Parameters of the steel shell and target

表4 空氣的材料參數(shù)

Tab.4 Parameters of air

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.3.1內(nèi)殼傾角對(duì)中心侵徹體的影響

內(nèi)殼傾角雖然不同，但中心侵徹體的形成過(guò)程大致相同，僅形成過(guò)程中的一些數(shù)據(jù)不同。不同內(nèi)殼傾角條件下中心侵徹體形成過(guò)程中的主要數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表5所示。

表5 中心侵徹體成形數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)（內(nèi)殼傾角）

Tab.5 Statistics data of produced center projectile（inner shell angle）

表5中：為環(huán)形切割器內(nèi)殼在軸線發(fā)生碰撞時(shí)的時(shí)間；為計(jì)算終止時(shí)中心侵徹體的總長(zhǎng)度；L為計(jì)算終止時(shí)中心逆向侵徹體長(zhǎng)度；L/為計(jì)算終止時(shí)逆向侵徹體占總長(zhǎng)度的比例；vmax為逆向侵徹體頭部最大速度；vfinal為計(jì)算終止時(shí)逆向侵徹體頭部速度的分布。由表5可見：（1）隨著內(nèi)殼傾角的增大，環(huán)形裝藥藥量增大，作用在內(nèi)殼的爆炸載荷也增加，使內(nèi)殼向軸向運(yùn)動(dòng)的速度增加，而內(nèi)殼距軸線的距離減小，從而導(dǎo)致內(nèi)殼在軸線方向發(fā)生碰撞的時(shí)間縮短。（2）隨著內(nèi)殼傾角的增大，內(nèi)殼的總面積增大，形成中心侵徹體的總質(zhì)量也增大，表現(xiàn)在中心侵徹體的總長(zhǎng)度增大，但逆向侵徹體的速度減小，且逆向侵徹體長(zhǎng)度占中心侵徹體總長(zhǎng)度比例減小，逆向侵徹體的頭部速度也顯著降低。（3）當(dāng)內(nèi)殼傾角為45°時(shí)，雖然仍有軸向向后運(yùn)動(dòng)的逆向侵徹體單元，但這些單元相對(duì)很少，已基本消除了逆向侵徹體對(duì)后端的破壞作用，不存在沖擊起爆后級(jí)裝藥的危險(xiǎn)。

2.3.2內(nèi)側(cè)裝藥傾角對(duì)環(huán)形射流的影響

通過(guò)改變內(nèi)殼傾角，雖然可以達(dá)到消除中心逆向侵徹體對(duì)后級(jí)裝藥引爆的目的，但裝藥形式發(fā)生了變化，作用到藥型罩上的爆炸載荷不再對(duì)稱，從而導(dǎo)致形成的環(huán)形射流運(yùn)動(dòng)形態(tài)發(fā)生較大變化，如圖7所示。環(huán)形射流產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)是由于藥型罩內(nèi)外兩側(cè)受爆轟載荷作用的不對(duì)稱性引起的，因此考慮改變裝藥內(nèi)側(cè)傾角，使裝藥與內(nèi)殼有一部分空氣，達(dá)到衰減多余爆炸載荷的目的。在內(nèi)殼傾角為45°時(shí)，不同的內(nèi)側(cè)裝藥傾角下環(huán)形射流形成過(guò)程中的主要數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表6。

圖7 環(huán)形射流形態(tài)（內(nèi)殼傾角）

表6 環(huán)形射流成形數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)（裝藥內(nèi)側(cè)傾角）

Tab.6 Statistics data of annular jet（inner charge angle）

表6中：為聚能侵徹體的總長(zhǎng)度；Δmin為射流所選節(jié)點(diǎn)的最小偏移距離；Δmax為射流所選節(jié)點(diǎn)的最大偏移距離；min為射流所選節(jié)點(diǎn)的最小速度偏離度；max為射流所選節(jié)點(diǎn)的最大速度偏離度；為射流侵徹靶板的深度。由表6可見：（1）當(dāng)裝藥內(nèi)側(cè)傾角為0°時(shí)，射流偏向中軸線的距離最大，且偏向的趨勢(shì)最大；當(dāng)裝藥內(nèi)側(cè)傾角為45°時(shí)，射流偏離中軸線的距離最大，且偏離的趨勢(shì)最大，從而導(dǎo)致這兩種情況的射流侵徹效果最差。（2）當(dāng)裝藥內(nèi)側(cè)傾角為10°和30°時(shí)，與上述兩種情況相似，只是程度差一點(diǎn)。只有在裝藥內(nèi)側(cè)傾角為20°時(shí)，射流偏移中軸線的距離較小，射流頭部與杵體差異性小，且侵徹效果最好。

3 結(jié)論

結(jié)合數(shù)值仿真與靶場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)環(huán)形聚能裝藥中心侵徹體成形過(guò)程進(jìn)行了分析，為了抑制中心逆向侵徹體對(duì)后端的破壞作用，對(duì)環(huán)形聚能裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出如下結(jié)論：（1）環(huán)形聚能裝藥采用倒梯形結(jié)構(gòu)，內(nèi)殼傾角為45°時(shí)，對(duì)中心逆向侵徹體的抑制作用最為理想。（2）為保證爆炸載荷對(duì)內(nèi)外側(cè)藥型罩壓合作用的一致性，內(nèi)側(cè)裝藥的傾角為20°時(shí)，對(duì)環(huán)形射流偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象的修正作用最為理想。（3）該抑制中心逆向侵徹體的異型環(huán)形裝藥原理設(shè)計(jì)，能夠進(jìn)一步促進(jìn)環(huán)形裝藥的工程應(yīng)用。

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Design on Special-shaped Annular Charge to Weaken Damage of Center Reverse Projectile

LI Yong-sheng1, WANG Wei-li1, SONG Zhi-yong2

(1.Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai,264001; 2. The 91206st Unit of PLA, Qingdao,266108)

When the annular charge detonation, a center shaped charge projectile will form, which move forward and backward in medial axis, and seriously damage the following target. Based on the forming characteristics of the center projectile, a inverted ladder-shaped charge formation with the shell incline to inside was designed, which can weaken the reverse projectile damage effect to the following target. Because of the asymmetric press of detonation wave to inside and outside liner, the hollow annular jet will deflect in lengthways to some extent. To revise the deflection, the project present an asymmetric charge structure to produce the uniform press effect on equal thickness liner as far as possible, which can form high-quality annular jet.

Shaped charge；Damage effect；Annular jet；Center reverse projectile；Optimization design

1003-1480（2015）05-0021-04

TJ410.2

A

2015-08-31

李永勝（1981-），男，博士，主要從事目標(biāo)毀傷與終點(diǎn)效應(yīng)的研究。

國(guó)家部委基礎(chǔ)研究專項(xiàng)（00404010102）；海軍航空工程學(xué)院青年科研基金項(xiàng)目（HYQN201207）。