曹 濤，顧文彬,劉建青，王振雄，徐景林，劉 欣

(解放軍理工大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院,南京 210007)

【裝備理論與裝備技術(shù)】

曲率半徑對環(huán)形聚能裝藥侵徹深度的影響

曹 濤，顧文彬,劉建青，王振雄，徐景林，劉 欣

(解放軍理工大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院,南京 210007)

模擬了5種不同曲率半徑ASC射流成型與侵徹半無限靶的過程，提出了ASC射流侵徹“三區(qū)域”理論，定義了ASC切割能力；研究結(jié)果表明：ASC在不同的位置具有不同的射流成型狀況和靶板侵徹深度；不同曲率半徑ASC侵徹深度均呈現(xiàn)明顯區(qū)域特征，分別為曲率敏感區(qū)、穩(wěn)定侵徹區(qū)、侵徹加強區(qū)；穩(wěn)定侵徹區(qū)“平臺高度”可作為ASC切割能力，但應(yīng)高度重視小曲率半徑ASC曲率敏感區(qū)侵徹深度；本模型中，曲率半徑ρ大于80 mm時，ASC切割能力為穩(wěn)定侵徹區(qū)“平臺”高度26.5 mm。

ASC；曲率半徑；侵徹；“三區(qū)域”理論

線型聚能裝藥(LSC)從20世紀六十年代開始廣泛應(yīng)用于航空航天和軍事領(lǐng)域，其結(jié)構(gòu)具有面對稱性，炸藥爆轟后形成薄片狀射流，使目標產(chǎn)生線型切口，因此具有很強的定向切割能力。環(huán)形聚能裝藥(ASC)是在LSC的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種新型裝藥，用于在目標上快速切割預(yù)定直徑的圓洞。ASC裝藥和金屬藥型罩以環(huán)形對稱面為界分為外側(cè)和內(nèi)側(cè)兩個部分。內(nèi)外側(cè)對應(yīng)半徑不同，外側(cè)裝藥質(zhì)量與藥型罩質(zhì)量均大于內(nèi)側(cè)，故ASC結(jié)構(gòu)具有不對稱性，從而導(dǎo)致射流成型與侵徹性能相比LSC發(fā)生較大變化。曲率半徑ρ是區(qū)分ASC與LSC最直接的參數(shù)，LSC可認為ρ為無窮大。研究曲率半徑對ASC侵徹深度的影響對于ASC的設(shè)計與應(yīng)用具有重要的理論意義與工程價值。

針對ASC裝藥結(jié)構(gòu)不對稱問題，國內(nèi)外研究者進行了大量有開拓性的理論探討與實驗研究[1-4]。李永勝等[5]優(yōu)化設(shè)計了反艦導(dǎo)彈串聯(lián)戰(zhàn)斗部前級裝藥，運用LS-DYNA軟件，對環(huán)形切割器藥型罩材料、藥型罩開口角度及起爆方式進行了優(yōu)選，并通過靶板實驗驗證了環(huán)形切割器對靶板的侵徹毀傷效果。段嘉慶等[6]根據(jù)兩壁微元壓垮加速度曲線，設(shè)計了內(nèi)壁質(zhì)量小于外壁質(zhì)量，但內(nèi)壁厚大于外壁厚的藥型罩模型，改進了射流成型與偏斜問題。黃群濤等[7]通過對環(huán)形藥型罩及其裝藥結(jié)構(gòu)的合理匹配，解決了環(huán)形藥型罩翻轉(zhuǎn)成型過程中的偏斜飛散問題，并且進行了45號鋼的侵徹模擬計算。吳建宇等[8]研究了炸高對于環(huán)形聚能射流侵徹特性的影響，重點分析了不同炸高下射流形態(tài)變化及侵徹切口截面形狀。上述研究或是通過優(yōu)化設(shè)計來改善ASC射流成型與侵徹性能，或是尋求解決射流偏斜的新途徑(而這些途徑往往工程上很難實現(xiàn))，或是借助LSC的研究方法，討論炸高對ASC侵徹能力的影響。目前，從等壁厚楔形罩ASC結(jié)構(gòu)特點出發(fā)，研究曲率半徑這個主要特征參數(shù)對其侵徹深度的影響國內(nèi)外還未見報道。

基于此，本研究在控制裝藥截面形狀與炸高相同的情況下，借助LS-DYNA有限元軟件建立五組不同曲率半徑的ASC 3D模型，模擬出不同大小ASC射流成型及侵徹45#鋼半無限靶板的過程，旨在探尋曲率半徑對ASC侵徹能力的影響規(guī)律，為后續(xù)研究工作和工程實踐提供參考。

1 建模與參數(shù)驗證

1.1 材料基本參數(shù)

裝藥采用B炸藥，用高能炸藥材料模型High_explosive_burn描述，炸藥爆轟過程采用燃燒反應(yīng)率乘以高能炸藥的狀態(tài)方程控制炸藥化學(xué)能的釋放。計算時B炸藥的C-J系數(shù)和JWL狀態(tài)方程參數(shù)參見文獻[9]。

應(yīng)用LS-DYNA軟件仿真聚能效應(yīng)時,只要材料參數(shù)得當(dāng)，藥型罩的材料模型選擇Johnson-Cook或者Steinberg都能很好地模擬聚能射流的形成過程[10]。紫銅藥型罩材料采用Steinberg材料模型和Gruneisen狀態(tài)方程，具體參數(shù)參見文獻[10]。

空氣采用空物質(zhì)模型，與Gruneisen狀態(tài)方程連用。假設(shè)空氣介質(zhì)為無粘性的理想氣體，爆炸波的膨脹過程為絕熱過程。具體參數(shù)參見文獻[11]。

45#鋼靶板采用Johnson-cook材料模型和Grüneisen狀態(tài)方程[12]。Johnson-cook材料模型采用乘積關(guān)系描述應(yīng)變、應(yīng)變率和溫度對應(yīng)力的影響關(guān)系，其具體形式為

(1)

1.2 建模說明

模型由炸藥、金屬藥型罩、空氣和靶板4部分構(gòu)成，均采用Solid164三維實體單元。炸藥、藥型罩和空氣采用歐拉網(wǎng)格，靶板采用拉格朗日網(wǎng)格。在模擬計算中為了防止單元大變形引起計算終止，采用多物質(zhì)ALE算法。為了研究ASC射流侵徹半無限靶板的能力，模型中對空氣域外圍、靶板外圍與底部設(shè)置無反射邊界條件。

理論上ASC采用圓周環(huán)向起爆方式能夠獲得更好的射流成型效果，也有研究人員提出實現(xiàn)環(huán)形起爆的方法[13]，其基本方式是通過在環(huán)形切割器頂部覆蓋圓餅狀傳爆藥塊，單點起爆傳爆藥塊中心，實現(xiàn)環(huán)向同時起爆。這種起爆方式對傳爆藥塊和ASC相對位置的加工工藝要求非常高，并且在ASC曲率半徑較大時，用于起爆的傳爆藥量大大增加，造成了不必要的浪費和切割器重量增加。本研究綜合考慮工程實際和ASC結(jié)構(gòu)特點，采用截面中心兩點對稱同時起爆方式。

1.3 參數(shù)驗證

為了驗證上述參數(shù)及算法的合理性，根據(jù)文獻[13]對內(nèi)外罩等壁厚ASC進行的侵徹試驗，建立相同工況的模型。數(shù)值模擬與實驗結(jié)果對比如表1所示。

表1 數(shù)值模擬結(jié)果與實驗對比

在上述條件下數(shù)值模擬的結(jié)果與實驗結(jié)果具有較好的一致性，靶板下側(cè)圓周線穿透率誤差為4%，說明數(shù)值模擬材料參數(shù)和算法是合理的。

2 計算結(jié)果與分析

2.1 環(huán)形聚能射流成型與侵徹過程

為了清楚地認識環(huán)形射流形成與侵徹靶板的過程，圖1展示了曲率半徑ρ=150 mm ASC藥型罩和靶板1/2剖面圖。t=4 μs時，在爆轟波的驅(qū)動下，藥型罩開始變形。由于壓垮速度不一樣，罩頂部材料運動速度高于兩側(cè)罩壁，使得藥型罩發(fā)生翻轉(zhuǎn)，環(huán)形射流逐步形成并且不斷被拉長。與線型聚能切割刀[14]類似，起爆點下方射流最先觸靶，觸靶前射流頭部保持較高速度，并且形態(tài)也未發(fā)生明顯斷裂，說明炸高的選取是合理的。在考察曲率半徑對ASC侵徹深度影響時，控制環(huán)形切割器截面形狀一致，炸高均取40 mm。

圖1 ASC射流成型與侵徹靶板過程

射流觸靶后對靶板的侵徹過程為一般聚能射流破甲過程，主要分為3個階段：

1) 開坑階段：也就是破甲的開始，從射流頭部觸靶到射流在靶板中建立高溫、高壓、高應(yīng)變區(qū)。

2) 準定常階段：射流的能量分散緩慢，破甲參數(shù)變化不大，是射流穩(wěn)定侵徹的階段，大部分孔深都屬于此階段。

3) 終止階段:射流速度下降，靶板強度作用逐步體現(xiàn)出來，最終導(dǎo)致侵徹終止。

所不同的是軸對稱聚能裝藥射流速度豎直向下，而ASC射流存在徑向速度。圖2為環(huán)形射流頭部觸靶前徑向速度分布。其中圓心角θ=0°對應(yīng)起爆點截面，θ=90°對應(yīng)兩起爆點對稱面。徑向速度表征射流偏斜的程度，從圖2能夠看出環(huán)形射流在各截面偏斜程度不一，起爆點截面射流向內(nèi)偏斜；隨著θ的增大，射流頭部逐步擺正并且向外偏斜。偏斜最嚴重的地方發(fā)生在起爆點對稱面。由于環(huán)形射流各截面射流速度參數(shù)和形態(tài)不一樣，導(dǎo)致ASC不同圓心角θ處靶板侵徹情況不同。研究ASC侵徹深度影響規(guī)律時，必須研究靶板侵徹深度環(huán)向變化情況。

圖2 ASC射流頭部徑向速度分布

2.2 環(huán)形聚能裝藥侵徹“三區(qū)域”

在考察ASC射流侵徹能力時，建立五組數(shù)值計算模型，曲率半徑ρ分別為50 mm、100 mm、150 mm、200 mm、250 mm。侵徹45#鋼半無限靶的深度隨著圓心角θ的變化規(guī)律如圖3所示。ρ=50 mm時，ASC在起爆點截面侵徹深度最小，為22.9 mm，隨著圓心角θ的增大侵徹深度逐步增大。在圓心角θ=34°處侵徹深度稍有減小后穩(wěn)定在26.6 mm，這段相對穩(wěn)定的侵徹區(qū)域持續(xù)到圓心角θ=88°，最后在起爆點對稱面侵徹深度再次增大。ρ=100 mm和ρ=150 mm兩種ASC侵徹深度隨圓心角θ變化規(guī)律相同，靶板侵徹深度先增大后減小，中間有較大一段侵徹深度變化較小的區(qū)域。在起爆點對稱面附近，侵徹深度再次增大。ρ=200 mm和ρ=250 mm時，ASC侵徹半無限鋼靶的深度環(huán)向變化規(guī)律為先減小后穩(wěn)定，在起爆點對稱面處侵徹深度再次增大。

根據(jù)不同曲率半徑ASC射流侵徹深度環(huán)向變化規(guī)律，可將ASC分為3個區(qū)域：曲率敏感區(qū)、穩(wěn)定侵徹區(qū)、侵徹加強區(qū)。曲率敏感區(qū)：在0°～40°附近，不同曲率半徑ASC侵徹靶板深度呈現(xiàn)較大差異。從圖3中看出曲率半徑越大，對應(yīng)侵徹深度越大。從ASC射流成型機理來看，曲率半徑越大，ASC微元內(nèi)外側(cè)結(jié)構(gòu)差異越小，射流偏斜對于侵徹能力的影響也就越小，故侵徹深度增加。起爆點截面ASC侵徹半無限靶結(jié)果如圖4所示。

圖3 不同曲率半徑ASC侵徹深度

圖4 起爆點截面ASC射流侵徹深度變化

穩(wěn)定侵徹區(qū)：五條侵徹深度分布曲線有一段共同相交的“平臺”，“平臺”對應(yīng)圓心角θ的范圍大致是40°～80°，侵徹深度26.5 mm。穩(wěn)定侵徹區(qū)的存在使得研究更加具有意義。所有計算模型均保持相同的截面形狀與尺寸,并且設(shè)置相同炸高，有理由推斷穩(wěn)定侵徹區(qū)的“平臺”高度是由ASC截面形狀決定的。為了驗證這種猜想，將截面高寬比由1.3調(diào)整為1.1，并進行模擬計算，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定侵徹區(qū)依然存在，只是“平臺”高度由-26.5 mm升為-25.1 mm。

侵徹加強區(qū)：穩(wěn)定侵徹區(qū)之后各曲率半徑的ASC侵徹深度均有不同程度的提高，侵徹加強區(qū)范圍在80°～90°。由兩個起爆點發(fā)出的爆轟波經(jīng)過不同路徑分別到達起爆點對稱面，爆轟波的碰撞疊加使得作用于藥型罩的壓力明顯增大，射流速度有所提高。但是，侵徹加強區(qū)ASC侵徹深度與曲率半徑并未呈現(xiàn)明顯規(guī)律，起爆點對稱面侵徹深度隨曲率半徑變化規(guī)律如圖5所示。主要原因在于此區(qū)域ASC內(nèi)外側(cè)裝藥爆轟存在明顯的時間不同步性，導(dǎo)致藥型罩壓垮碰撞不穩(wěn)定，盡管此區(qū)域射流速度有較大程度的提高，但射流形態(tài)不穩(wěn)定性也十分明顯。因此，該區(qū)域侵徹能力有所加強，侵徹深度存在一定不確定性。

圖5 起爆點對稱面ASC射流侵徹深度變化

2.3 環(huán)形聚能裝藥切割能力

ASC作為一種在目標上開洞的切割工具，其可靠性主要取決于使靶板脫落的最小靶板厚度，若靶板只是部分穿透而并未脫落，則認為切割器切割能力不夠。因此，研究ASC最小穿深具有十分重要的實際意義。從模型計算結(jié)果來看，口寬40 mm的ASC最小穿深均超過20 mm，其中小曲率半徑ρ=50 mm ASC最小穿深22.9 mm，發(fā)生在侵徹敏感區(qū)。其他四組不同曲率半徑ASC靶板最小穿深均在26.4 mm左右，發(fā)生在穩(wěn)定侵徹區(qū)。對于相同截面ASC，考察其切割能力時，不防將穩(wěn)定侵徹區(qū)的侵徹深度作為其切割能力，這樣曲率半徑不是影響ASC切割能力的主要因素。但是，曲率半徑較小時，其曲率敏感區(qū)侵徹深度達不到切割能力，在設(shè)計和使用過程中應(yīng)高度重視。具體針對本模型，曲率半徑ρ≥80 mm時，可認為穩(wěn)定侵徹區(qū)侵徹深度即為ASC切割能力。圖6為ρ=80 mm ASC射流侵徹深度分布，曲率敏感區(qū)最小穿深均大于穩(wěn)定侵徹區(qū)。

表2 最小穿深分布情況

圖6 ρ=80 mm ASC侵徹深度分布

3 結(jié)論

模擬出不同曲率半徑ASC射流侵徹半無限鋼靶板過程，發(fā)現(xiàn)ASC不同圓心角處射流成型狀況不同，靶板侵徹深度隨著圓心角的不同也發(fā)生改變。不同曲率半徑ASC侵徹能力均呈現(xiàn)明顯的區(qū)域特征。在圓心角θ為0°到40°附近，曲率敏感區(qū)侵徹深度隨曲率半徑增大呈現(xiàn)增大的趨勢。40°到80°附近，射流侵徹深度穩(wěn)定在26.5mm左右，不隨曲率半徑變化，稱為穩(wěn)定侵徹區(qū)。80°到90°附近，由于爆轟波的碰撞疊加作用，射流侵徹能力增強，但呈現(xiàn)不確定性。可將射流穩(wěn)定侵徹區(qū)“平臺”高度作為ASC切割能力，但在曲率半徑較小時，其曲率敏感區(qū)侵徹深度達不到切割能力，在設(shè)計和使用過程中應(yīng)高度重視。本研究模型中曲率半徑ρ≥80 mm時，可認為穩(wěn)定侵徹區(qū)侵徹深度即為ASC切割能力。

[1] BROWN J,CURTIS J P,COOK D D.The Formation of Jets from Shaped Charges in the Presence of Asymmetry[J].Journal of Applied Physics,1992,72(6):2136-2143.

[2] AYISIT O.The Influence of Asymmetries in Shaped Charge Performance[J].International Journal of Impact Engineering,2008,35(12):1399-1404.

[3] 傅磊，王偉力，呂進.環(huán)型與線型聚能裝藥射流成型機理對比[J].海軍航空工程學(xué)院學(xué)報，2014，29(5):470-473.

[4] 王成，寧建國，盧捷.環(huán)形射流形成與侵徹的數(shù)值方法研究[J].北京大學(xué)學(xué)報，2003，39(3)：316-321.

[5] 李永勝，王偉力，劉曉紅.串聯(lián)戰(zhàn)斗部前級的環(huán)形切割器優(yōu)化設(shè)計[J].工程爆破，2011，17(4):1-4.

[6] 段嘉慶，王志軍，賈耀魯，等.環(huán)形射流成型的設(shè)計改進和數(shù)值模擬[J].彈艦與制導(dǎo)學(xué)報，2013，33(1):103-106.

[7] 黃群濤.環(huán)形EFP形成機理研究[D].南京:南京理工大學(xué)，2008．[8] 吳建宇，龍源，紀沖.炸高對環(huán)形聚能射流侵徹特性的研究[J].兵器材料科學(xué)與工程,2015,38(4):68-72.

[9] 時黨勇，李裕春，張勝民.基于ANSYS/LS-DYNA8.1進行顯示動力分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[10]陳文剛,張越.不同材料模型的藥型罩對仿真結(jié)果的影響[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2010,10(13):3226-3229.

[11]紀沖，龍源，唐獻述.爆炸載荷下X70鋼管的局部破壞效應(yīng)[J].高壓物理學(xué)報，2013，27(4)：567-571.

[12]陳剛，陳忠富，陶俊林.45鋼動態(tài)塑性本構(gòu)參量與驗證[J].爆炸與沖擊,2005,25(5):451-456.

[13]吳成，曾艷春，張向榮，等.環(huán)形聚能藥型罩的設(shè)計新方法與實驗[J].北京理工大學(xué)學(xué)報，2007,27(4)：291-294.

[14]高接?xùn)|.基于變壁厚藥型罩的 LEFP成型機理研究[D].南京:南京理工大學(xué)，2013．

(責(zé)任編輯 周江川)

Effect of Curvature Radius on Annular Shaped Charge Penetration Depth

CAO Tao, GU Wen-bin, LIU Jian-qing, WANG Zhen-xiong, XU Jing-lin, LIU Xin

(College of Field Engineering, PLA University of Science & Technology, Nanjing 210007, China )

The processes of ASC with 5 kind of curvature radius jet formation and penetration into half-infinite target were simulated. Three region theory of ASC jet penetration was proposed and cutting capacity of ASC was defined. Research results show that ASC presents different jet formation condition and target penetration depth in different position; ASC with different curvature radius presents evident region characteristic consistently in penetration depth, including curvature radius sensitive region, stable penetration region and penetration fortified region; ASC cutting capacity is defined by platform height of stable penetration region and much attention should be paid to small curvature radius ASC. In this model, when curvature radius isρ>80 mm, the ASC cutting capacity is platform height(26.5 mm) of stable penetration region.

ASC ; curvature radius; penetration; “three region” theory

2016-09-22；

2016-10-23

總后基建營房部重點課題(KYGYZXJK0914)

曹濤(1992—)，男，碩士研究生，主要從事爆炸作用機理和戰(zhàn)斗部設(shè)計研究。

顧文彬(1961—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事爆炸作用機理和戰(zhàn)斗部設(shè)計等研究，E-mail：guwenbin1@aliyun.com。

10.11809/scbgxb2017.02.015

曹濤，顧文彬,劉建青，等.曲率半徑對環(huán)形聚能裝藥侵徹深度的影響[J].兵器裝備工程學(xué)報，2017(2):61-64.

format:CAO Tao, GU Wen-bin, LIU Jian-qing,et al.Effect of Curvature Radius on Annular Shaped Charge Penetration Depth[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(2):61-64.

TJ5

A

2096-2304(2017)02-0061-04