付 璐，李樹強(qiáng)，王景文，尹兆杰，于國(guó)輝，周俊祥

(中國(guó)兵器工業(yè)第208研究所，北京 102202)

0 引言

在受限的彈體空間內(nèi)，戰(zhàn)斗部威力的提高對(duì)武器裝備作戰(zhàn)性能的發(fā)揮起到至關(guān)重要的作用。目前，爆炸成型戰(zhàn)斗部的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)為小尺寸緊湊型戰(zhàn)斗部技術(shù)、高初速侵徹體戰(zhàn)斗部?jī)?yōu)化技術(shù)［1］、遠(yuǎn)距離飛行穩(wěn)定控制技術(shù)、大炸高下提高侵徹體毀傷威力技術(shù)、新型高能炸藥及藥型罩材料在戰(zhàn)斗部上的應(yīng)用技術(shù)。

高速桿式射流具有抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，尤其在大炸高下可以減輕戰(zhàn)斗部質(zhì)量，并保持較高的破甲威力，一直是戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)者研究的重點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外對(duì)高速桿式射流的研究比較活躍，主要基于通過計(jì)算機(jī)仿真和試驗(yàn)的研究方法，研究大錐角藥型罩壓垮、射流的形成、延伸和失穩(wěn)全過程以及影響因素分析等方面［1-4］。但是，關(guān)于較大炸高(20倍裝藥口徑)下桿式射流侵徹威力的報(bào)道較少。

文中利用試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了在大炸高下，藥型罩罩高、曲率半徑對(duì)桿式射流侵徹威力的影響，并得到了最佳的裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍;試驗(yàn)統(tǒng)一在相同的炸高1.2 m(20D)情況下，對(duì)同一結(jié)構(gòu)因素做出改變的戰(zhàn)斗部進(jìn)行了靜爆試驗(yàn)，以桿式射流侵徹鋼靶的深度為考核指標(biāo)，得到了最佳的戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)參數(shù)。通過研究大炸高條件下桿式射流戰(zhàn)斗部的裝藥結(jié)構(gòu)和侵徹威力，擬獲得了抗干擾能力強(qiáng)的高速桿式射流，這對(duì)于大幅度縮短裝藥，提高防空反導(dǎo)彈藥和反輕型裝甲目標(biāo)彈藥的毀傷效能有著現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。

1 偏心亞半球型裝藥結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬

1.1 偏心亞半球型裝藥結(jié)構(gòu)

文中設(shè)計(jì)的偏心亞半球型裝藥結(jié)構(gòu)如圖1所示，幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有:采用船尾裝藥結(jié)構(gòu)，藥型罩口徑D，藥型罩罩高H，藥型罩外曲率半徑R1，內(nèi)曲率半徑R2，裝藥長(zhǎng)度L。殼體厚度δ。

圖1 偏心亞半球型裝藥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2 戰(zhàn)斗部幾何模型

1.2 數(shù)值模擬算法和材料參數(shù)選擇

計(jì)算模型建立和有限元網(wǎng)格劃分使用Truegrid前處理軟件。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，模型中不考慮殼體，僅考慮藥型罩、炸藥和空氣三部分，見圖2。采用多物質(zhì)Euler格式來模擬炸藥的爆轟、藥型罩的壓垮和侵徹體的成型過程。

網(wǎng)格單元選用solid164八節(jié)點(diǎn)六面體單元。模型共劃分318 125節(jié)點(diǎn)，301 840單元。藥型罩采用MAT_JOHNSON_COOK材料模型和GRUNEISEN狀態(tài)方程來描述動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程以及高應(yīng)變下的材料變形問題。材料參數(shù)見表1。

表1 銅材料參數(shù)［2］

炸藥采用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN高能材料模型和JWL狀態(tài)方程，JWL狀態(tài)方程精確描述了在爆炸驅(qū)動(dòng)過程中爆轟氣體產(chǎn)物的壓力、體積、能量特性，表達(dá)式為:

式中:peos為來自于狀態(tài)方程的炸藥爆轟產(chǎn)物壓力;P為炸藥單元所釋放的壓力;F為炸藥燃燒質(zhì)量分?jǐn)?shù);V為爆轟產(chǎn)物相對(duì)體積;E為爆轟產(chǎn)物單位體積的內(nèi)能;A、B、R1、R2和w為輸入?yún)?shù)。采用8701炸藥，材料參數(shù)如表2。

表2 8701炸藥材料參數(shù)［2］

空氣材料采用流體模型為MAT_NULL，狀態(tài)方程用EOS_LINEAR_POLYNOMIAL來描述。線性多項(xiàng)式狀態(tài)方程表示單位初始體積內(nèi)能的線性關(guān)系，壓力值由下式給出:

式中:C0、C1、C2、C3、C4、C5和 C6為常數(shù);E 為初始內(nèi)能。其中，μ=1/V－1，V為相對(duì)體積。材料參數(shù)見表3。

表3 空氣材料參數(shù)［2］

1.3 數(shù)值模擬分析

1)藥型罩高度對(duì)侵徹體成型性能的影響

為研究罩高對(duì)偏心亞半球藥型罩形成侵徹體的影響，藥型罩采用等壁厚設(shè)計(jì)，參考尺寸:口徑D=100 mm，外曲率半徑R1=134 mm，內(nèi)曲率半徑R2=130 mm，裝藥長(zhǎng)度L=150 mm，殼體厚度δ=2 mm。

分別取 H/D 為0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35 和0.4的偏心亞半球型裝藥結(jié)構(gòu)在其他參數(shù)不變情況下進(jìn)行數(shù)值模擬。起爆方式采用裝藥頂端環(huán)形起爆。

計(jì)算結(jié)果表明:H/D＜0.2時(shí)，形成的侵徹體形狀短而粗，即形成爆炸成型彈丸。H/D≥0.2形成桿式侵徹體。H/D值越大，侵徹體越細(xì)長(zhǎng)，頭尾速度差越大，有分裂成高速射流和低速杵體的趨勢(shì)。侵徹體成型如圖3所示。

2)曲率半徑對(duì)侵徹體成型性能的影響

參考模型參數(shù)為:藥型罩采用等壁厚設(shè)計(jì)，口徑D=100 mm，罩高H=30 mm，裝藥長(zhǎng)度L=150 mm，殼體厚度δ=2 mm。

圖3 不同藥型罩高度的裝藥結(jié)構(gòu)在t=150 μs形成的侵徹體形狀

圖4 t=150 μs時(shí)刻，裝藥長(zhǎng)徑比對(duì)侵徹體頭尾速度的影響

為研究藥型罩曲率半徑對(duì)偏心亞半球藥型罩形成侵徹體的影響，文中分別對(duì) R/D 為 0.5、0.7、0.9、1.1、1.3、1.5 和1.7 的偏心亞半球型裝藥結(jié)構(gòu)在其他參數(shù)不變情況下進(jìn)行數(shù)值模擬。

表4 不同曲率半徑t=150 μs時(shí)的計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明:彈丸頭、尾部速度隨R/D值增大而增大。隨R/D值增大，彈丸外形也逐漸變得更加密實(shí)，彈丸尾部空腔逐漸減小。綜合考慮彈丸外形、速度等因素，1.3≤R/D≤1.7時(shí)，形成的桿式射流較好。侵徹體成型如圖5所示。

圖5 不同藥型罩曲率半徑的裝藥結(jié)構(gòu)在t=80 μs形成的侵徹體形狀

1.4 桿式射流侵徹靶板的數(shù)值模擬

根據(jù)總體模型進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，建立了數(shù)值模擬所需要的幾何模型，為了節(jié)省計(jì)算單元，建立1/4模型，模型由藥型罩、炸藥、空氣域、靶板四部分組成，如圖6所示。主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為:裝藥口徑為63 mm、H/D=0.3、R/D=1.7，靶板采用 45#鋼錠，直徑為 200 mm，厚度為90 mm。

圖6 幾何模型示意圖

建立有限元計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，采用LS-DYNA有限元軟件，在1.2 m(20D)炸高下，對(duì)前面單因素?cái)?shù)值仿真確定的優(yōu)化方案進(jìn)行了侵徹靶板的數(shù)值模擬，圖7為不同時(shí)刻桿式射流侵徹90 mm厚靶板的全過程。

仿真結(jié)果得到:亞半球型裝藥結(jié)構(gòu)形成的桿式射流能夠穿透90 mm厚的鋼錠，可以清楚看到桿式射流侵徹鋼靶的開坑階段、準(zhǔn)定常階段和穿透階段;通過模擬可知，侵徹初始階段具有較高頭部速度，速度在3 800 m/s左右，但受靶板阻力影響，頭部速度逐漸降低，大約在320 μs時(shí)射流集中對(duì)靶板進(jìn)行穩(wěn)定侵徹，在360 μs時(shí)完全穿透靶板，其入口口徑為Φ32 mm，出口口徑為Φ20 mm。桿式射流在穿透靶板后仍具有一定的余速，為900 m/s左右。

圖7 桿式射流侵徹90 mm厚鋼靶過程

2 靜破甲試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)條件及布置

為研究大炸高情況下桿式射流的侵徹威力，根據(jù)需要設(shè)計(jì)了六種方案，開展靜爆試驗(yàn)，主要針對(duì)藥型罩高度和曲率半徑對(duì)桿式射流侵徹深度和侵徹孔徑的影響進(jìn)行了分析。設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù):裝藥口徑為63 mm，殼體厚度2.25 mm。選用紫銅藥型罩，藥柱選用8701炸藥。偏心亞半球型戰(zhàn)斗部放在自制的一定高度的試驗(yàn)臺(tái)上，用電雷管引爆。試驗(yàn)彈體及現(xiàn)場(chǎng)布置如圖6所示。戰(zhàn)斗部豎直放置，藥型罩口朝下，彈體正下方放置鋼質(zhì)靶板，保證戰(zhàn)斗部軸線與靶板平面垂直。靶板采用45#鋼錠，直徑為200 mm，厚度為90 mm。

圖8 試驗(yàn)布置圖

2.2 試驗(yàn)方案

選擇相同藥型罩曲率半徑、不同罩高的偏心亞半球型戰(zhàn)斗部，試驗(yàn)炸高為1.2 m，實(shí)施靜爆試驗(yàn)。戰(zhàn)斗部形成的桿式射流對(duì)45#鋼靶的侵徹試驗(yàn)結(jié)果照片如圖9所示，試驗(yàn)方案與結(jié)果數(shù)據(jù)見表5。

表5 試驗(yàn)方案與侵徹結(jié)果

選擇相同藥型罩罩高、不同曲率半徑的偏心亞半球型戰(zhàn)斗部，試驗(yàn)炸高為1.2 m，實(shí)施靜爆試驗(yàn)。戰(zhàn)斗部形成的桿式射流對(duì)45#鋼靶的侵徹試驗(yàn)結(jié)果照片如圖10所示，試驗(yàn)方案與結(jié)果數(shù)據(jù)見表6。

表6 試驗(yàn)方案與侵徹結(jié)果

2.3 試驗(yàn)分析

1)為研究單因素對(duì)桿式射流侵徹威力的影響，設(shè)計(jì)了6種試驗(yàn)方案。從侵徹孔徑上，6組試驗(yàn)的侵徹孔徑均在0.5D左右。以桿式射流侵徹鋼靶的深度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析藥型罩罩高對(duì)桿式射流侵徹威力的影響，藥型罩H/D=0.2的裝藥結(jié)構(gòu)形成的桿式射流頭尾部速度較低，侵徹能力較弱;藥型罩H/D=0.3的裝藥結(jié)構(gòu)形成的桿式射流侵徹90 mm厚45#鋼錠的深度最大，侵徹威力最好;藥型罩H/D=0.4的裝藥結(jié)構(gòu)形成的桿式射流由于尾部速度較低，沖擊靶板前射流拉斷，影響了侵徹威力。

2)以桿式射流侵徹鋼靶的深度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析藥型罩曲率半徑對(duì)桿式射流侵徹威力的影響，藥型罩R/D=0.5、1.1的裝藥結(jié)構(gòu)形成的桿式射流頭尾部速度較低，尾部空腔大;對(duì)比之下，藥型罩R/D=1.7的裝藥結(jié)構(gòu)形成的桿式射流頭尾速度大、氣動(dòng)外形良好，能夠穿透90 mm厚鋼錠。

從桿式射流侵徹靶板的穿深和孔徑上看，靜爆試驗(yàn)侵徹鋼靶的威力結(jié)果與優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案數(shù)值模擬的結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的合理性。

圖9 桿式射流對(duì)鋼錠的毀傷情況

圖10 桿式射流對(duì)鋼錠的毀傷情況

3)較大的炸高對(duì)桿式射流的破甲深度存在一定的影響。試驗(yàn)過程中，炸高為1.2 m條件下，桿式射流在向前運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生徑向分散和擺動(dòng)，沖擊靶板前因不斷拉伸，斷裂成顆粒而離散，射流開孔附近形成“淺坑”，影響射流穿孔的深度。

3 結(jié)論

通過研究藥型罩高度和曲率半徑兩因素對(duì)偏心亞半球型裝藥結(jié)構(gòu)形成侵徹體侵徹威力的影響并進(jìn)行了侵徹靶板的數(shù)值模擬和靜爆試驗(yàn)研究，可以得出以下結(jié)論:

1)對(duì)偏心亞半球型裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，當(dāng)H/D＜0.2時(shí)，形成的侵徹體形狀短而粗，即形成爆炸成型彈丸;當(dāng)H/D≥0.2形成桿式射流。另外，桿式射流頭、尾速度隨R/D值增大而增大，且隨R/D值增大，彈丸外形也逐漸變得更加密實(shí)，射流尾部空腔逐漸減小，當(dāng)1.3≤R/D≤1.7時(shí)，形成的桿式射流性能較好。

2)對(duì)藥型罩高度和曲率半徑兩因素設(shè)計(jì)了6種亞半球型戰(zhàn)斗部的結(jié)構(gòu)方案，分別為H/D=0.2、0.3、0.4 和 R/D=0.5、1.1、1.7，并相應(yīng)進(jìn)行了靜破甲試驗(yàn)。試驗(yàn)表明:在大炸高情況下，對(duì)于裝藥口徑63 mm的亞半球型裝藥結(jié)構(gòu)而言，藥型罩參數(shù)H/D=0.3或R/D=1.7的裝藥結(jié)構(gòu)形成的桿式射流侵徹威力最佳。經(jīng)優(yōu)化后的聚能裝藥結(jié)構(gòu)在20倍裝藥口徑炸高仍具有一定的侵徹能力。

3)偏心亞半球型裝藥結(jié)構(gòu)在爆炸載荷下能夠形成的高速桿式射流，具有對(duì)炸高不敏感的特點(diǎn)，同時(shí)，具有比EFP飛行速度大，侵徹能力更強(qiáng)的特點(diǎn)。

4)選擇優(yōu)化后的裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行侵徹鋼靶的數(shù)值模擬，以鋼靶穿深為評(píng)價(jià)指標(biāo)，模擬了桿式射流侵徹靶板的全過程，其結(jié)果與靜爆試驗(yàn)基本符合，說明方法是正確的。

［1］Mattsson K，Sorensen N，Ouve R，et al.Development of the K-charge，a short L/D shaped charge［C］∥ Reinecke W G.18th International Symposium on Ballistics，San Antonio，Texas，Terminal Ballistics Vulnerability Wound Ballistics，1999:528-534.

［2］吳晗玲，段卓平，汪永慶.桿式射流形成的數(shù)值模擬研究［J］.爆炸與沖擊，2006，26(4):328-332.

［3］王海福，江增榮，俞為民，等.桿式射流裝藥水下作用行為研究［J］.北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，26(3):189-192.

［4］李偉兵，王曉鳴，李文彬，等.裝藥長(zhǎng)徑比對(duì)聚能桿式侵徹體成型的影響［J］.彈道學(xué)報(bào)，2011，23(4):61-65.

［5］隋樹元，王樹山.終點(diǎn)效應(yīng)學(xué)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2000.

［6］北京工業(yè)學(xué)院八系編寫組.爆炸及其作用:下冊(cè)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1979.

［7］汪慶桃，陳斌，張曉偉.爆炸成型桿式射流形成特性研究［C］∥第五屆全國(guó)計(jì)算爆炸力學(xué)會(huì)議，2012.

［8］李成兵，沈兆武，裴明敬.高速桿式彈丸初步研究［J］.含能材料，2007，15(3):248-252.