樊雪飛, 李偉兵, 王曉鳴, 李文彬, 于 良

(1. 南京理工大學(xué)智能彈藥技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210094; 2. 山東特種工業(yè)集團(tuán)有限公司, 山東 淄博 255201)

1 引 言

雙模戰(zhàn)斗部是指在同一成型裝藥結(jié)構(gòu)下,通過(guò)不同的起爆方式而形成的兩種不同的毀傷元,如爆炸成型彈丸(EFP)和聚能桿式侵徹體(JPC)[1]。國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者進(jìn)行了大量研究,如David Bender等[2]應(yīng)用DYNA2D軟件模擬改變EFP裝藥結(jié)構(gòu)環(huán)起爆位置獲得不同形狀的侵徹體,蔣建偉[3]等運(yùn)用AUTODYN軟件模擬研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)多模毀傷元成型及侵徹的影響,李偉兵[4-5]研究了弧錐結(jié)合罩的結(jié)構(gòu)參數(shù)和起爆位置等對(duì)多模毀傷元成型的影響,Funston等人[6]在其專(zhuān)利中設(shè)計(jì)了一種新型成型裝藥,即K裝藥,通過(guò)隔板將點(diǎn)起爆形成的發(fā)散型爆轟波變?yōu)榫哂协h(huán)圈陣面的匯聚爆轟波,從而提高了爆轟載荷[7]。上述研究多側(cè)重于藥型罩結(jié)構(gòu)參數(shù)或者單一參數(shù)對(duì)雙模毀傷元的影響規(guī)律,但是針對(duì)特定雙模戰(zhàn)斗部的裝藥爆轟控制結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)雙模毀傷元成型的影響以及如何在同一裝藥結(jié)構(gòu)下考慮多個(gè)因素的影響見(jiàn)諸報(bào)道較少。

本研究應(yīng)用LS-DYNA仿真軟件研究裝藥爆轟控制結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)EFP和JPC毀傷元成型的影響,獲得隔板及裝藥參數(shù)對(duì)雙模毀傷元的影響規(guī)律,找出了最佳裝藥爆轟控制結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值范圍,結(jié)合正交設(shè)計(jì)方法優(yōu)化選取各結(jié)構(gòu)參數(shù)的最佳組合,并進(jìn)行了X光試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及方案選取

2.1 雙模戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于起爆方式對(duì)聚能侵徹體的影響主要體現(xiàn)在對(duì)主裝藥爆轟波形的控制上以及起爆改變引起的主裝藥爆轟波對(duì)藥型罩的不同作用過(guò)程,單點(diǎn)起爆主裝藥中爆轟波波陣面呈球面。裝藥中心點(diǎn)起爆要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才開(kāi)始對(duì)藥型罩作用,藥型罩頂點(diǎn)起爆,則一起爆就開(kāi)始對(duì)藥型罩作用,而且每一時(shí)刻爆轟波最大壓力區(qū)不一樣。中心點(diǎn)起爆形成的爆轟波壓力峰值比藥型罩頂點(diǎn)起爆形成的爆轟波壓力峰值來(lái)得晚,主要是由于起爆爆轟波需要在主裝藥中傳播一段時(shí)間才對(duì)藥型罩作用,李偉兵[8]等研究了藥型罩結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)多模毀傷元成型的影響,結(jié)合單點(diǎn)起爆位置對(duì)EFP成型的影響規(guī)律,優(yōu)化設(shè)計(jì)了成型裝藥。為實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)起爆形成雙模毀傷元,本文采取裝藥中心點(diǎn)起爆形成JPC毀傷元,藥型罩頂點(diǎn)起爆形成EFP毀傷元,具體裝藥結(jié)構(gòu)如圖1所示,其中裝藥口徑為Dk,涉及到的裝藥爆轟控制結(jié)構(gòu)參數(shù)有隔板直徑Dg,錐角β,厚度d,裝藥高度h,小藥片高度l,殼體厚度s。

圖1雙模毀傷元結(jié)構(gòu)圖

Fig.1Structure of dual mode warhead

2.2 仿真模型及研究方案

本研究采用的仿真模型如圖1所示,由于成型裝藥毀傷元的形成涉及高應(yīng)變率、高過(guò)載過(guò)程,因此仿真中采用ALE算法來(lái)計(jì)算涉及網(wǎng)格大變形、材料流動(dòng)問(wèn)題的聚能侵徹體形成過(guò)程,炸藥、隔板、藥型罩、空氣選用多物質(zhì)流歐拉算法,炸藥、隔板、藥型罩、空氣與殼體的相互作用采用流固耦合算法。其中,藥型罩和殼體材料分別為紫銅和45鋼,本構(gòu)方程選用Johnson-Cook模型,狀態(tài)方程為Grüneisen方程; Johnson-Cook[9]本構(gòu)方程式為:

Grüneisen[9]狀態(tài)方程表達(dá)的壓力表達(dá)式為:

式中，ρ0為材料初始密度、E為內(nèi)能、ρ為當(dāng)前時(shí)間步對(duì)應(yīng)的材料密度、C,S1,S2,S3,γ0,α為材料特性參數(shù)、μ=ρ/ρ0-1。

主裝藥為JH-2炸藥,狀態(tài)方程選為JWL(Jones-Wilkins-Lee)[9]狀態(tài)方程; 其表達(dá)式為:

式中，A、B、R1、R2、ω是常數(shù),E是炸藥單位體積中的內(nèi)能。其中R1=4.6,R2=1.35,ω=0.25,其余參數(shù)見(jiàn)表1。

隔板采用酚醛樹(shù)脂材料,狀態(tài)方程同樣選用Grüneisen狀態(tài)方程,其中C=0.1933,S1=3.49,S2=-8.2,S3=9.6。裝藥中各材料的具體參數(shù)如表1所示。

表1藥型罩、隔板及炸藥材料參數(shù)

Table1The material parameter of liner, partition and explosive

liner(Cu)A/MPaB/MPaCnmρ/g·cm-389．92920．0250．311．098．96shell(45#Steel)A/MPaB/MPaCnmρ/g·cm-34964340．0140．261．037．83partition(phenolicresin)GSIGYEHPCFSρ/g·cm-32．40．050-9-1．196explosive(JH?2)D/m·s-1pCJ/GPaA/GPaB/GPaGρ/g·cm-3842529．66854．52．05-1．845

模型中裝藥口徑Dk為110 mm、藥型罩口部最大外半徑R為50 mm,外壁曲率半徑r1為110 mm,壁厚t為4 mm; 初步確定模型中各參數(shù)的原始取值為Dg=100 mm,d=4 mm,β=54°,h=125 mm,l=5 mm?？疾靻我蛔兞繉?duì)雙模毀傷元影響規(guī)律時(shí),保持其余參數(shù)取值不變。其中: 隔板直徑Dg變化范圍為76～104 mm(每次增加4 mm)、隔板厚度d變化范圍為2～16 mm(每次增加2 mm)、隔板半錐角β變化范圍為42°～70°(每次增加2°)、裝藥高度h變化范圍為110～145 mm(每次增加5 mm)、小藥片高度l變化范圍為3～17 mm(每次增加2 mm)。下文進(jìn)行曲線(xiàn)規(guī)律描述時(shí),為得到通用性的適合不同尺寸裝藥的參數(shù)取值范圍,以裝藥口徑Dk為量化標(biāo)準(zhǔn),以各參數(shù)與Dk的比值為橫軸,得出各參數(shù)的變化規(guī)律圖。

3 隔板結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響規(guī)律

3.1 隔板直徑的影響

計(jì)算隔板直徑各取值下雙模毀傷元的成型指標(biāo),得出頭部速度vtip和長(zhǎng)徑比L/D變化曲線(xiàn)圖2。由于EFP毀傷元的頭部速度和長(zhǎng)徑比隨隔板直徑的增加無(wú)明顯變化,JPC毀傷元頭部速度和長(zhǎng)徑比則隨之增加,因此選擇JPC毀傷元頭部速度和長(zhǎng)徑比較大時(shí)的取值作為最佳取值范圍,考慮到隔板直徑過(guò)大會(huì)影響爆轟波的傳播,因此選取隔板直徑Dg為0.8Dk～0.87Dk。

3.2 隔板厚度的影響

計(jì)算隔板厚度各取值下雙模毀傷元的成型指標(biāo),得出頭部速度vtip和長(zhǎng)徑比L/D變化曲線(xiàn)圖3。由于EFP毀傷元的頭部速度和長(zhǎng)徑比隨隔板厚度的增加無(wú)明顯變化, JPC毀傷元的頭部速度呈現(xiàn)逐漸增加后趨于平穩(wěn)的趨勢(shì),長(zhǎng)徑比則呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)。因此,當(dāng)JPC毀傷元頭部速度趨于穩(wěn)定后,選擇長(zhǎng)徑比較大時(shí)所對(duì)應(yīng)的取值作為最佳取值范圍,選取隔板厚度d為0.08Dk～0.12Dk。

a. changing curves of vtip

b. changing curves of L/D

圖2侵徹體成型參數(shù)隨隔板直徑的變化曲線(xiàn)

Fig.2The change of the forming parameters with the diameter of the partition

a. changing curves of vtip

b. changing curves of L/D

圖3侵徹體成型參數(shù)隨隔板厚度的變化曲線(xiàn)

Fig.3The change of the forming parameters with the thickness of the partition

3.3 隔板錐角的影響

計(jì)算隔板半錐角各取值下雙模毀傷元的成型指標(biāo),得出頭部速度vtip和長(zhǎng)徑比L/D變化曲線(xiàn)圖4。由于EFP毀傷元的頭部速度和長(zhǎng)徑比隨隔板半錐角的增加無(wú)明顯變化,但JPC毀傷元的頭部速度和長(zhǎng)徑比則呈現(xiàn)減小趨勢(shì),因此選擇JPC毀傷元頭部速度和長(zhǎng)徑比較大時(shí)所對(duì)應(yīng)取值作為最佳取值范圍,考慮到隔板半錐角過(guò)小會(huì)導(dǎo)致隔板體積過(guò)大影響裝藥量,故選取隔板半錐角β為52°～60°。

a. changing curves of vtip

b. changing curves of L/D

圖4侵徹體成型參數(shù)隨隔板錐角的變化曲線(xiàn)

Fig.4The change of the forming parameters with the cone angle of the partition

4 裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響規(guī)律

4.1 裝藥高度的影響

計(jì)算裝藥高度各取值下雙模毀傷元的成型指標(biāo),得出頭部速度vtip和長(zhǎng)徑比L/D變化曲線(xiàn)圖5。由于EFP毀傷元頭部速度和長(zhǎng)徑比隨裝藥高度增加無(wú)明顯變化, JPC毀傷元頭部速度呈遞增趨勢(shì),長(zhǎng)徑比則呈緩慢遞減趨勢(shì)。因此,為使JPC毀傷元頭部速度和長(zhǎng)徑比均能取值較大,選擇曲線(xiàn)中間部分作為取值范圍,選取裝藥高度h為1.1Dk～1.2Dk。

a. changing curves of vtip

b. changing curves of L/D

圖5侵徹體成型參數(shù)隨裝藥高度的變化曲線(xiàn)

Fig.5The change of the forming parameters with the height of the charge

4.2 小藥片高度的影響

計(jì)算小藥片高度各取值下雙模毀傷元的成型指標(biāo),得出頭部速度vtip和長(zhǎng)徑比L/D變化曲線(xiàn)圖6。由于EFP毀傷元頭部速度和長(zhǎng)徑比隨小藥片高度的增加無(wú)明顯變化, JPC毀傷元頭部速度和頭尾速度差整體呈現(xiàn)緩慢遞減趨勢(shì)?？紤]到小藥片高度過(guò)大浪費(fèi)裝藥量,過(guò)小則影響裝藥頂點(diǎn)起爆,因此小藥片高度取值不能過(guò)大過(guò)小且對(duì)應(yīng)的JPC毀傷元頭部速度和長(zhǎng)徑比盡量取較大值,故選取小藥片高度l為0.06Dk～0.12Dk。

5 裝藥爆轟控制結(jié)構(gòu)參數(shù)正交設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 正交設(shè)計(jì)方案

將隔板結(jié)構(gòu)參數(shù)(隔板直徑Dg、隔板厚度d、隔板錐角β),裝藥高度h,小藥片高度l以及殼體厚度s作為正交優(yōu)化的六個(gè)參數(shù),每個(gè)因素選取5個(gè)水平參與正交設(shè)計(jì)[10]。各因素及其對(duì)應(yīng)的水平見(jiàn)表2。

a. changing curves of vtip

b. changing curves of L/D

圖6侵徹體成型參數(shù)隨小藥片高度的變化曲線(xiàn)

Fig.6The change of the forming parameters with the height of the small charge

表2正交設(shè)計(jì)各因素水平表

Table2Factor levels in orthogonal design

levelfactorDg/Dkd/Dkβh/Dks/Dkl/Dk10．80．02501．050．020．0320．840．04521．090．040．0530．870．06541．140．050．0640．910．07561．180．070．0850．950．09581．230．090．10

5.2 計(jì)算結(jié)果及分析

正交表的構(gòu)造以及EFP和JPC的成型參數(shù)見(jiàn)表3,由于該結(jié)構(gòu)裝藥為匹配雙模毀傷元成型,故選取同一時(shí)刻的EFP與JPC成型參數(shù)進(jìn)行比較,而此時(shí)EFP計(jì)算時(shí)間較短仍存在一定的頭尾速度差。利用極差分析法[11]對(duì)25次仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析,計(jì)算各列水平下的極差S,通過(guò)極差S的大小可以得到各因素對(duì)各個(gè)指標(biāo)影響的主次順序。分析可得殼體厚度和隔板直徑分別是影響EFP和JPC毀傷元頭部速度的最主要因素,對(duì)EFP毀傷元頭部速度的影響主次順序?yàn)?s、Dg、d、β、h、l; 對(duì)JPC毀傷元頭部速度的影響主次順序?yàn)?Dg、s、d、β、l、h。按照同樣的極差分析方法,計(jì)算各因素對(duì)于雙模毀傷元頭尾速度差和長(zhǎng)徑比的影響規(guī)律。結(jié)果表明,隔板厚度是影響EFP和JPC毀傷元頭尾速度差的主要因素,對(duì)EFP毀傷元頭尾速度差的影響主次順序?yàn)?d、h、β、s、l、Dg; 對(duì)JPC毀傷元頭尾速度差的影響主次順序?yàn)?d、Dg、h、s、l、β; 殼體厚度和隔板直徑分別是是影響EFP和JPC毀傷元長(zhǎng)徑比的最主要因素,對(duì)EFP毀傷元長(zhǎng)徑比影響的主次順序?yàn)?s、d、h、Dg、β、l; 而對(duì)JPC毀傷元長(zhǎng)徑比影響的主次順序?yàn)?d、Dg、s、h、l、β。

表3正交表的構(gòu)造(L25)及計(jì)算結(jié)果(150 μs)

Table3Orthogonal table and calculated results

projectsABCDEF123456EFPvtip/m·s-1Δv/m·s-1L/DJPCvtip/m·s-1Δv/m·s-1L/D11111112023521．27337910104．0021222222121441．43366310313．8831333332169381．4034098783．2441444442205451．40385211704．0551555552223431．41388111394．4262123452205431．42364111404．3872234512224351．4034546762．7282345122012461．21320511673．6892451232122551．43375912024．26102512342166481．40374612754．76113135242122591．33363311363．98123241352167541．46355811944．37133352412142371．84383512224．54143413522209381．97388112624．47153524131906211．03381713765．87164142532229381．42373310814．02174253142024551．24367811974．68184314252123541．41376711153．96194425312174401．43388411223．93204531422201351．42385214245．22215154322172411．4236619503．87225215432209381．46390511994．12235321542220341．44384913815．18245432152023431．25378314486．02255543212123421．40394013825．24

為了分析每個(gè)因素中各個(gè)水平對(duì)三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響情況,現(xiàn)將各指標(biāo)隨因素水平變化的情況用圖形表示出來(lái)。其中A、B、C、D、E、F分別代表隔板直徑Dg、隔板厚度d、隔板錐角β、裝藥高度h、殼體厚度s以及小藥片高度l共6個(gè)不同參數(shù),1、2、3、4、5分別代表各個(gè)參數(shù)下對(duì)應(yīng)的5個(gè)水平,這樣可以清楚的知道各個(gè)因數(shù)對(duì)每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響規(guī)律,并可以得到不同因數(shù)之間對(duì)同一指標(biāo)的影響差異。

將毀傷元的頭部速度vtip,頭尾速度差Δv,長(zhǎng)徑比L/D作為評(píng)價(jià)指標(biāo),根據(jù)相關(guān)資料文獻(xiàn)可知,毀傷元頭部速度越大,對(duì)侵徹越有利。針對(duì)EFP毀傷元頭尾速度差不能過(guò)大,否則容易導(dǎo)致毀傷元因較大的頭尾速度差而發(fā)生斷裂。其次將大長(zhǎng)徑比的毀傷元作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

分析圖7: 殼體厚度和隔板參數(shù)是影響評(píng)價(jià)指標(biāo)最重要的因素,取殼體厚度s為0.09Dk; 隔板參數(shù)中隔板直徑和厚度對(duì)三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)影響較大,錐角影響較小,因此選擇隔板直徑Dg為0.91Dk,隔板厚度d為0.07Dk,隔板半錐角β為52°; 裝藥高度和小藥片高度對(duì)雙模毀傷元成形影響小于其他結(jié)構(gòu)參數(shù),取裝藥高度h為1.14Dk,小藥片高度l為0.1Dk?？紤]爆轟控制結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)EFP和JPC雙模毀傷元的整體影響,最終確定設(shè)計(jì)方案為“A4B4C2D3E5F5”。由于此方案并不在正交設(shè)計(jì)表中,因此需要按照優(yōu)化設(shè)計(jì)后的方案重新進(jìn)行計(jì)算和仿真,得出200 μs時(shí)刻該方案的三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)值以及雙模毀傷元侵徹體的成型情況如表4所示。

a. changing curves of vtip

b. changing curves of Δv

c. changing curves of L/D

圖7雙模毀傷元各指標(biāo)隨因數(shù)的變化曲線(xiàn)

Fig.7The curve of change in different index for the Dual Mode damage element

表4正交設(shè)計(jì)方案下EFP和JPC的成型形態(tài)和成型參數(shù)

Table4The forming shape and forming parameters of EFP and JPC under orthogonal design

simulationresultsformulationpicturevtip/m·s-1Δv/m·s-1L/DEFP(200μs)218881．698JPC(200μs)392811474．970

5.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)裝置主要包括成型裝藥、目標(biāo)靶塊、炸高筒、兩個(gè)呈45°交匯的X光射線(xiàn)管以及300 kV的脈沖X光機(jī)、兩個(gè)底片和底片保護(hù)盒等。試驗(yàn)與仿真成型圖如表5所示。

表5仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

Table5Comparison of the experiment results and simulation ones

typeEFP80μs120μsJPC80μs100μsexperimentresultssimulationresults

毀傷元成型參數(shù)方面,如表6所示,仿真與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。該設(shè)計(jì)方案下,EFP和JPC雙模毀傷元頭部速度均達(dá)到最大值,滿(mǎn)足頭部速度大,侵徹能力強(qiáng)的指標(biāo); 此外,EFP毀傷元的頭尾速度差較小,滿(mǎn)足頭尾速度差小,防止斷裂的原則; 與此同時(shí)雙模毀傷元的長(zhǎng)徑比均達(dá)到較高值。因此對(duì)于雙模毀傷元的成型該方案均可達(dá)到較好的成型形態(tài)和成型參數(shù)。

表6不同時(shí)刻毀傷元試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比

Table6Comparison of the experiment data with simulated ones for damage element at different time

typemethodvtip/m·s-1vtail/m·s-1L/mmD/mmEFP(120μs)simulation2222200764．551．1experiment2025195465．054．0JPC(80μs)simulation40542533113．950．4experiment40002500123．1453．36

6 結(jié) 論

(1) 研究發(fā)現(xiàn),JH-2裝藥條件下,裝藥爆轟控制結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)JPC毀傷元的影響大于EFP毀傷元。最終確定裝藥口徑110 mm的成型裝藥最佳爆轟控制結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)取值范圍為: 隔板直徑Dg為0.8Dk～0.87Dk,隔板厚度d為0.08Dk～0.12Dk,隔板半錐角β為52°～60°,裝藥高度h為1.1Dk～1.2Dk,小藥片高度l為0.06Dk～0.12Dk。

(2) 通過(guò)正交設(shè)計(jì)和極差分析得出此成型裝藥中裝藥爆轟控制結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于雙模毀傷元影響的主次順序。對(duì)于EFP和JPC毀傷元頭部速度影響的主次順序分別為:s、Dg、d、β、h、l和s、h、d、Dg、l、β。對(duì)于EFP和JPC毀傷元頭尾速度差影響的主次順序?yàn)?d、h、β、s、l、Dg和Dg、s、h、l、β、d。對(duì)于EFP和JPC毀傷元長(zhǎng)徑比影響的主次順序?yàn)?s、d、h、Dg、β、l和s、Dg、d、h、β、l。

(3)該110 mm裝藥口徑的成型裝藥,其形成雙模毀傷元時(shí),裝藥爆轟控制結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)組合為Dg=0.91Dk,d=0.07Dk,β=52°,h=1.14Dk,s=0.09Dk,l=0.1Dk。并進(jìn)行了X光攝影試驗(yàn)驗(yàn)證了雙模毀傷元成型較好

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