陳振華，張國偉，高元浩，孫國慶

(中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051)

0 引言

伴隨著各種制導(dǎo)武器的迅猛發(fā)展，空襲和防空作戰(zhàn)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中的地位越來越重要，而將敵方各種來襲導(dǎo)彈成功攔截和擊毀，已成為各國掌控制空權(quán)的共識(shí)，反導(dǎo)技術(shù)愈來愈成為各國研究的焦點(diǎn)內(nèi)容。近程反導(dǎo)是作為防護(hù)己方目標(biāo)免受導(dǎo)彈襲擊的最后一道屏障，在近程反導(dǎo)方面各國采取的措施主要是以諸如定向戰(zhàn)斗部、可控離散桿戰(zhàn)斗部、聚焦戰(zhàn)斗部等破片形式的動(dòng)能攔截為主，利用破片對(duì)導(dǎo)彈關(guān)鍵部位侵徹，使導(dǎo)彈偏離其預(yù)定軌道或直接侵徹并引爆戰(zhàn)斗部，從而達(dá)到反導(dǎo)的目的，其中以直接引爆戰(zhàn)斗部效果最佳。但隨著各國對(duì)導(dǎo)彈防護(hù)能力的加強(qiáng)以及鈍感炸藥的研制與應(yīng)用，直接引爆戰(zhàn)斗部的難度越來越大，從而使反導(dǎo)效率越來越低。鑒于射流在軍事、民用領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，主要是利用射流侵徹靜止或低速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)，如爆炸切割、石油射孔彈、反坦克破甲彈等，它具有高溫、高速、侵徹能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，若采用射流侵徹并引爆導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部將會(huì)使反導(dǎo)效率得到明顯提高?；谶@種思路，文中重點(diǎn)探討3種射流形態(tài)對(duì)移動(dòng)斜靶的侵徹情況。

1 仿真方案的確定

聚能裝藥是一種一端裝有內(nèi)凹金屬罩的炸藥裝藥，在另一端爆炸后，爆轟波作用到金屬罩上，將罩以很大的速度向中心擠壓，使罩金屬變形并在軸線上發(fā)生碰撞，在碰撞的高壓作用下，匯成一股連續(xù)高速金屬射流。聚能裝藥的3種射流形態(tài)分為金屬射流(JET)、聚能桿式射流(JPC)和自鍛破片(EFP)，文中通過調(diào)節(jié)藥型罩的錐角，用TrueGrid軟件建立金屬射流、桿式射流和自鍛破片戰(zhàn)斗部模型，通過ANSYS/LS-DYNA數(shù)值模擬它們各自對(duì)移動(dòng)斜靶的侵徹，得出哪種射流形態(tài)對(duì)移動(dòng)斜靶的侵徹效果最好。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型結(jié)構(gòu)的建立

為了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，分別建立藥型罩錐角為50°、100°和150°3種典型聚能裝藥結(jié)構(gòu)，其射流形態(tài)分別代表金屬射流、聚能桿式射流和自鍛破片。口徑均為90 mm，藥型罩壁厚為2.3 mm，殼體的壁厚為4 mm，裝藥高度采用1.8d。其模型圖如圖1～圖2所示。

圖1 數(shù)值模擬總體模型

圖2 3種聚能裝藥的藥型罩模型結(jié)構(gòu)

文中建立的斜靶模型的靶面與水平線成60°夾角，沿著60°的方向移動(dòng)，賦予500 m/s的速度，其靶厚采用100 mm的厚度，靶板在z方向距藥型罩口部的距離為27 cm。

2.2 材料模型

在文中的數(shù)值模擬中，涉及到炸藥、空氣、藥型罩、殼體和靶板5種材料模型，其中炸藥采用B炸藥，藥型罩材料為紫銅，靶板為45#鋼，殼體為鋼質(zhì)材料。

1)B 炸藥的主要參數(shù)為:ρ=1.82 g/cm3，VD=8.48 km/s，PCJ=34.2 GPa［1］。選用 MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型，狀態(tài)方程為EOS_JWL狀態(tài)方程，其基本形式為:

其中:p為壓力;E為爆轟產(chǎn)物的內(nèi)能;V為爆轟產(chǎn)物的相對(duì)體積;A、B、R1、R2和 ω 為待定常數(shù)，如表1所示。

表1 8701炸藥的主要參數(shù)

2)藥型罩選用紫銅為材料，采用MAT_JOHNSON_COOK模型和EOS_GRUNEISEN狀態(tài)方程。狀態(tài)方程的基本形式為:

對(duì)于可壓縮材料:

對(duì)于膨脹材料:

3)空氣采用MAT_NULL模型，狀態(tài)方程采用EOS_LINEAR_POLYNOMIAL，其狀態(tài)方程的基本形式為:

4)殼體采用鋼質(zhì)材料，采用MAT_JOHNSON_COOK模型和EOS_GRUNEISEN狀態(tài)方程。

5)靶板采用45#鋼。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 總體分析

如圖3所示，3種聚能裝藥對(duì)移動(dòng)斜靶的侵徹各不相同，對(duì)于金屬射流而言，在150 μs穿透靶板，并于202 μs的時(shí)候射流上半段脫節(jié)，其杵體對(duì)靶板進(jìn)行二次開坑。對(duì)于桿式射流而言，168 μs穿透靶板，其射流大致沿著開坑路線侵徹，未發(fā)生脫節(jié)現(xiàn)象;對(duì)于自鍛破片而言，未能穿透靶板，只是開坑效果不錯(cuò)，而且自鍛破片在侵徹靶板的時(shí)候產(chǎn)生類似于穿甲彈“滑彈”的效果，無法完成作戰(zhàn)指標(biāo)。

圖3 3種聚能裝藥對(duì)斜靶的侵徹情況

3.2 射流過程中完整性分析

如圖4所示，根據(jù)仿真結(jié)果顯示，金屬射流在侵徹過程中，射流在橫向方向發(fā)生偏移，其偏移量為1.646 cm。而桿式射流的偏移量為1.412 cm。

圖4 剛穿透靶板時(shí)兩種射流情況

3.3 射流對(duì)靶板的開坑分析

如圖5所示，根據(jù)仿真結(jié)果顯示，金屬射流恰好透過靶板，其透孔的體積為18.313 cm3，開坑直徑為52.24 mm，恰好透過靶板的孔徑為25.27 mm;而桿式射流透孔的體積為30.557 cm3。開坑直徑為74.26 mm，恰好透過靶板的孔徑為25.67 mm。

圖5 兩種聚能裝藥穿透靶板時(shí)靶板的情況

3.4 侵徹后射流頭部速度分析

金屬射流恰好透過靶板，其射流的頭部速度為1 840 m/s，相比其剛接觸靶板的頭部速度7 425 m/s，其速度降為75.22%。而桿式射流透過靶板后的頭部射流速度為2 172 m/s，相比其剛接觸靶板的頭部速度5 560 m/s，其速度降為60.93%。

3.5 侵徹時(shí)間分析

金屬射流于58 μs開始接觸靶板，于150 μs透過靶板，穿透靶板所用時(shí)間為92 μs;桿式射流于68 μs開始接觸靶板，于168 μs透過靶板，穿透靶板所用時(shí)間為100 μs，其對(duì)比數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 JET和JPC總體對(duì)比數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

1)通過對(duì)比金屬射流和桿式射流穿透靶板時(shí)射流的形態(tài)，金屬射流的偏移量較桿式射流明顯，而且到了后期，金屬射流的偏移量更明顯，無法維持射流的穩(wěn)定性。

2)通過對(duì)比分析金屬射流和桿式射流穿透靶板的仿真數(shù)據(jù)，桿式射流透孔的體積是金屬射流透孔體積的1.67倍，桿式射流開坑直徑和底部孔徑均優(yōu)于金屬射流。

3)通過對(duì)比分析金屬射流和桿式射流接觸靶板和透過靶板射流頭部速度數(shù)據(jù)，在兩者作用時(shí)間相差不大的情況下，金屬射流的頭部速度降大于桿式射流的速度降，桿式射流的作用效果相對(duì)較佳。

通過對(duì)3種射流形態(tài)的仿真模擬，綜合分析對(duì)比三者的仿真數(shù)據(jù)，可以得出，桿式射流相對(duì)金屬射流能更穩(wěn)定的侵徹移動(dòng)靶板，而且侵徹效果更優(yōu)于金屬射流。

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