崔智麗，徐浩銘，經(jīng)來旺

(1.安徽理工大學(xué) 理學(xué)院，淮南 232001；2.中國人民解放軍96172部隊，景德鎮(zhèn) 333000)

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炸高對侵徹效應(yīng)影響試驗和數(shù)值模擬研究*

崔智麗1，徐浩銘2，經(jīng)來旺1

(1.安徽理工大學(xué) 理學(xué)院，淮南 232001；2.中國人民解放軍96172部隊，景德鎮(zhèn) 333000)

摘要:為了研究炸高因素對爆炸成型彈丸(EFP)成型性能及侵徹深度的影響，利用有限元軟件LSDYNA，建立了球缺罩型聚能裝藥仿真計算模型。研究了十種不同炸高條件下，EFP著靶時性能參數(shù)和侵徹45#鋼靶過程，并與該裝藥靜破甲試驗結(jié)果進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明：試驗與數(shù)值模擬結(jié)果較吻合，最大誤差為10%，EFP裝藥的有利炸高與裝藥直徑之比為3.9～4.4，最大破甲深度約為裝藥直徑的0.92倍。

關(guān)鍵詞:爆炸成型彈丸; 數(shù)值模擬; 炸高; 侵徹

聚能裝藥開孔技術(shù)相對于費(fèi)時費(fèi)力的傳統(tǒng)機(jī)械鉆孔法，具有簡單快速且效費(fèi)比高等特點。通過聚能裝藥爆炸產(chǎn)生的爆炸成型彈丸(EFP)，對裝甲鋼、巖石等目標(biāo)進(jìn)行開孔侵徹，并形成一定直徑和深度的開孔，該項技術(shù)在軍事領(lǐng)域中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。EFP是由藥型罩金屬經(jīng)炸藥爆炸鍛成的，開始形成時破片處于流動狀態(tài)，經(jīng)過一段時間后這種流動狀態(tài)結(jié)束，EFP頭尾速度趨于一致，形成一枚堅實完整的彈丸，EFP侵徹靶板的機(jī)理即不同于動能彈，又不同于金屬射流，而是介于兩者之間。研究和試驗表明[1-3]，EFP的侵徹性能與其速度和比動能密切關(guān)系，所以優(yōu)化EFP著靶時狀態(tài)參數(shù)是提高EFP侵徹能力有效途徑。

1數(shù)值模型

1.1裝藥結(jié)構(gòu)選擇

選擇劉建青、顧文彬等等優(yōu)化設(shè)計得到的φ 65 mm球缺型變壁厚EFP[3]，裝藥結(jié)構(gòu)長徑比N=1.0；藥型罩采用紫銅材料，罩頂厚δ=2.1 mm、罩內(nèi)表面曲率半徑r1=67 mm、外表面曲率半徑r2=62 mm，如圖1所示。

1.2材料方程的選取

聚能裝藥爆炸、藥型罩壓垮、EFP形成及拉伸、EFP侵徹鋼靶、串聯(lián)EFP裝藥成型及其侵徹鋼靶等過程是一種多物質(zhì)相互作用的大變形運(yùn)動。目前，對EFP的數(shù)值模擬研究大多采用Langrage算法，由于在Langrage算法中考慮空氣需要定義空氣與彈丸的接觸面，彈丸成形過程中會因空氣網(wǎng)格大的變形而出現(xiàn)負(fù)體積，導(dǎo)致計算無法進(jìn)行下去，所以Langrage算法計算模型中常忽略空氣對彈丸成型的影響，這與實際不相符合，用該方法難以準(zhǔn)確模擬[4-7]。

材料受到外荷載時的動態(tài)響應(yīng)主要表現(xiàn)為變形、流動和斷裂。其動態(tài)響應(yīng)的描述是一個非常復(fù)雜的過程，一般采用狀態(tài)方程和本構(gòu)方程來描述。材料的狀態(tài)方程是一個關(guān)系到壓力、密度和一些熱力學(xué)參數(shù)(內(nèi)能和溫度)的關(guān)系式，它反映了材料的體積特性；而本構(gòu)方程則體現(xiàn)了材料的偏向應(yīng)變，它與材料的應(yīng)變、應(yīng)變率、內(nèi)能以及晶粒大小有關(guān)。模型中各部分所用材料的本構(gòu)模型與狀態(tài)方程如表1、表2、表3、表4所示。

表1　仿真計算中采用的材料模型和狀態(tài)方程

表2　JH-2炸藥計算參數(shù)

表3　紫銅計算參數(shù)

表4　45#鋼計算參數(shù)

1.3模型的建立

本次EFP侵徹鋼靶過程數(shù)值模擬，裝藥采用中心點起爆方式起爆，炸高為250 mm，鋼靶直徑為110 mm，厚度為100 mm，圖2為EFP侵徹鋼靶數(shù)值模擬整體網(wǎng)格圖。

2炸高影響分析

2.1不同炸高條件下EFP著靶時性能分析

在不同炸高條件下，EFP的侵徹效應(yīng)與其接觸靶板時刻的狀態(tài)有直接關(guān)系。

圖3為不同炸高下EFP到達(dá)靶板時，即開始侵徹靶板前EFP形態(tài)的計算結(jié)果對比圖。表5為到達(dá)靶板時EFP各項參數(shù)，l為EFP長度，vj為EFP頭部速度，vm為EFP中部速度，vt為EFP尾部速度。

對于一定結(jié)構(gòu)的EFP裝藥，不同時刻爆炸形成的EFP其狀態(tài)是確定的。由于炸高不同，侵徹靶板開始時刻的EFP狀態(tài)區(qū)別很大，不同炸高導(dǎo)致EFP破甲前長徑比和速度梯度分布不同。炸高越小，EFP形成不充分，速度梯度還比較大，長度沒有達(dá)到最大，直徑較粗；炸高越大，EFP拉伸越充分，直徑越小，速度梯度較小，侵徹威力越強(qiáng)。本質(zhì)而言，EFP長徑比和速度梯度分布特性決定其破甲效果。

2.2EFP侵徹鋼靶過程數(shù)值模擬

圖4為EFP侵徹鋼靶過程的數(shù)值模擬，圖5為侵徹深度隨時間T變化的P-T曲線。

通過分析以上結(jié)果和侵徹深度時程曲線，得知EFP侵徹鋼靶過程如下：

100 μs時刻EFP開始接觸靶板，至110 μs時刻形成一個比EFP直徑稍大的彈坑，此階段屬于EFP侵徹的開坑階段。

從110 μs時刻EFP穩(wěn)定侵徹靶板開始到孔底部擴(kuò)大區(qū)形成的135 μs時刻，EFP侵徹靶板有比較穩(wěn)定的形態(tài)，開孔直徑變化不大，侵徹速度穩(wěn)定，此階段EFP侵徹時間約為25 μs，占整個侵徹過程時長的45%，侵徹深度為3.5 cm，約占整個侵深的60%左右，此階段屬于EFP侵徹的穩(wěn)定階段。

從135 μs時刻開始，EFP速度已降至1100 m/s左右，且速度下降很快，靶板的強(qiáng)度作用越來越明顯，侵徹能力變得很弱，155 μs時刻之后，失去侵徹能力的EFP殘留體在孔底部產(chǎn)生激蕩，此階段屬于侵徹的終止階段。

2.3不同炸高條件下EFP侵徹鋼靶數(shù)值模擬

分別對2.1節(jié)中的10種炸高條件下EFP侵徹鋼靶過程進(jìn)行仿真計算，圖6分別為仿真計算的最終侵徹效果。

表6為EFP對靶板侵徹成孔參數(shù)，表中H為炸高，D為藥型罩直徑，d1為入孔直徑，P為侵徹深度。

圖7為侵徹深度P隨炸高H變化曲線數(shù)值模擬結(jié)果，圖8為開孔直徑d1隨炸高H變化曲線數(shù)值模擬結(jié)果。對比表6結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，炸高小于240 mm時，隨著炸高的增加，EFP著靶前不斷拉伸，速度和長徑都不斷增長，使得侵徹鋼靶時的深度也不斷增加，但隨著EFP的拉伸，開孔孔徑卻在逐漸減小；炸高大于240 mm時，侵徹前EFP的性能變化趨于穩(wěn)定，侵徹效果也基本不變。

由以上結(jié)果可以看出，炸高在120～240 mm區(qū)間時，隨著炸高的增加，EFP著靶前被拉伸，速度分布和長徑比變化都較快，長度增加而直徑變小，長徑比增大，比動能逐漸增加，這樣就使得侵徹鋼靶的深度也在增加，孔徑卻在逐漸減小，堆積作用變得越來越不明顯；炸高在大于240 mm之后，侵徹前EFP的速度分布和長徑比變化較小，特別是在炸高大于300 mm之后，其變化已經(jīng)很小，EFP的拉伸基本完成，長徑比變化不大，侵徹效果也基本保持不變。

2.4實驗對比分析

為了驗證炸高對EFP裝藥侵徹性能的影響規(guī)律，同時為數(shù)值模擬結(jié)果提供事實依據(jù)，進(jìn)行了10組不同炸高EFP侵徹驗證性實驗。實驗每組2發(fā)取平均值，結(jié)果如圖9所示，分別為炸高120 mm、240 mm、350 mm三種條件下EFP侵徹鋼靶實驗結(jié)果。

表7為試驗值與仿真計算EFP對靶板侵徹成孔參數(shù)對比，表中H為炸高，R為裝藥直徑，P為侵徹深度，d1為入孔孔徑。圖10為試驗與仿真計算的P-H對比曲線，圖11為試驗與仿真計算的d1-H對比曲線。

表7　仿真計算與試驗結(jié)果對比

從對比結(jié)果可以看出，侵徹深度的試驗值與數(shù)值模擬值之間的相對誤差最大為-9.2%、最小為-1.3%，入孔孔徑的試驗值與數(shù)值模擬值之間的相對誤差最大為10%、最小為-1.4%，均在±10%之內(nèi)。說明侵徹深度和入孔孔徑數(shù)值模擬結(jié)果與試驗情況都吻合較好。

3結(jié)論

對不同炸高條件下EFP裝藥的成型性能和侵徹鋼靶過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并進(jìn)行了驗證實驗對比分析，研究結(jié)論如下：

(1)用ALE流-固耦合算法對EFP的形成和侵徹鋼靶過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，對EFP戰(zhàn)斗部終點效應(yīng)研究具有實用價值。

(2)通過對比分析表明，數(shù)值模擬計算結(jié)果與實驗結(jié)果較吻合，說明建立的模型和選用的參數(shù)合理可靠，運(yùn)用數(shù)值模擬與實驗相結(jié)合的方法，可以較好地研究EFP侵徹效應(yīng)規(guī)律，能大大降低研究的成本。

(3)該EFP裝藥的有利炸高區(qū)間為240 mm至270 mm，最大侵徹深度約為裝藥直徑的0.92倍。

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Experimental and Numerical Investigation of Blasting Height Effect on Penetration Properties

CUIZhi-li1,XUHao-ming2,JINGLai-wang1

(1.Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001，China；2.PLA 96172 Corps,Jingdezhen 333000,China)

Abstract:In order to study the relationship between blasting height and the penetration depth,the finite element software LSDYNA was used to simulate the penetration process of the EFP shaped charge,and the EFP performance and penetration ability under different blasting height were also discussed by comparing with experiment results.The results show that the experimental date was similar to the numerical simulation.The EFP showed better performance when the ratio of effective blasting height versus diameter of shell-bottom was about 3.9～4.4,and the ratio of maximum penetration depth versus the charging diameter was 0.92.

Key words:EFP; numerical simulation; blasting height; penetration

doi:10.3963/j.issn.1001-487X.2016.02.008

收稿日期:2016-04-07

作者簡介:崔智麗(1979-)，女，碩士、講師，主要從事巖石動態(tài)斷裂研究，(E-mail) zhlcui@aust.edu.cn。

基金項目:國家自然科學(xué)基金重點項目(煤炭聯(lián)合基金項目)(No.51134025)

中圖分類號:O358

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1001-487X(2016)02-0039-06