王雅君, 李偉兵, 王曉鳴, 李文彬

(南京理工大學(xué)智能彈藥技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室, 江蘇 南京 210094)

1 引 言

現(xiàn)代水面艦船甚至潛艇其防護能力均大幅提高,傳統(tǒng)爆破式彈藥面臨嚴峻的挑戰(zhàn),而經(jīng)驗表明,只靠增大藥量并不是解決爆炸威力的根本途徑,為增大水中兵器戰(zhàn)斗部毀傷能力,國內(nèi)外科研機構(gòu)開始探索聚能裝藥在水下彈藥中的應(yīng)用問題[1]。針對聚能裝藥在水中兵器的應(yīng)用,國外,Saroha D R[2-3]、Yaziv D[4]、Max Peters[5]、Xing Shi-long等[6]將多通道閃光攝影儀、X光與高速攝影等試驗手段與數(shù)值模擬方法相結(jié)合,研究了射流對含水夾層靶板的侵徹過程,并由此得到射流侵徹水介質(zhì)時伴有流體慣性作用,較長桿體具有更強的侵徹能力,但射流在水中衰減較快且易斷裂,故炸高較大時難以在水中實現(xiàn)有效侵徹。國內(nèi),羅建[7]、李成兵[8]、裴明敬[9]、史進偉等[10]相繼研究了射流、串聯(lián)射流及桿式射流對水夾層間隔靶的侵徹過程,結(jié)合準定常侵徹理論和數(shù)學(xué)歸納法建立了射流侵徹水介質(zhì)夾層間隔靶理論模型。但是上述研究表明,射流在水中破孔小,且適應(yīng)性較差?？紤]爆炸成型彈丸(Explosively Formed Projectile,EFP)抗干擾能力強,且后效好,破孔大,有利于對靶板的破壞,針對EFP的研究隨即展開。王海福等[11-12]通過數(shù)值及試驗驗證研究了藥型罩參數(shù)對聚能裝藥水下作用的影響,提出罩形是影響聚能裝藥水下特性最重要的影響因素,并利用數(shù)值仿真手段進一步嘗試了雙層EFP在水中的飛行侵徹過程。楊莉[13]、曹兵等[14]進一步研究了EFP的水下作用特性,發(fā)現(xiàn)水中EFP伴有的沖擊波和彈道波,對目標靶的破壞效果明顯增強。雖然目前對EFP水中飛行及靶板侵徹已開展一定研究,但由于水介質(zhì)的阻尼影響,EFP在水中的作用規(guī)律與在空氣中的飛行及侵徹規(guī)律有何區(qū)別仍有待深入研究。

為此,本研究利用數(shù)值仿真軟件LS-DYNA,通過EFP等效模型研究EFP在水中的作用規(guī)律,探索了EFP在水中的速度衰減與質(zhì)量損失規(guī)律,并設(shè)計EFP水中不同距離下侵徹間隔靶的方案,試驗與仿真研究了EFP水中對間隔靶的侵徹規(guī)律。

2 仿真模型與研究方案

2.1 EFP成型計算模型

綜合考慮仿真精度及計算時間等因素,本研究水中飛行及侵徹仿真分兩步完成,首先單獨計算EFP的成型,得到等效EFP模型; 隨后賦予等效EFP初始速度對水介質(zhì)進行侵徹,建立EFP水中飛行及侵徹間隔靶的數(shù)值仿真模型,仿真計算EFP水中作用規(guī)律及對間隔靶的侵徹規(guī)律。

本研究藥型罩采用弧錐結(jié)合形結(jié)構(gòu),裝藥直徑為40 mm,裝藥高度取1.0CD(Charge Diameters)。裝藥采用密度1.69 g·cm-3的8701炸藥,起爆方式為中心點爆,EFP成型裝藥計算模型如圖1所示。

圖1 EFP成型裝藥計算模型圖

Fig.1 Calculation model of EFP forming charge

考慮到毀傷元成型過程中網(wǎng)格的畸變問題,仿真中對炸藥、藥型罩、空氣應(yīng)用ALE算法[15]。仿真中各部分的材料模型參數(shù)及計算模型見表1。

表1 材料參數(shù)及計算模型[16]

Table 1 Material parameters and calumniation models[16]

sectionmaterialsdensity/g·cm-3strengthmodelequationofstateexplosive87011．69High＿explosive＿burnJWLlinerCu8．96Johnson＿cookGruneisenair-1．29×10-3NullGruneisen

2.2 EFP等效模型及水中作用計算方案

考慮空氣中EFP成型變化較小,且EFP水中侵徹間隔靶過程數(shù)值仿真計算量較大,為解決網(wǎng)格畸變等原因造成的計算精度下降的問題,將成型后的EFP進行簡化,建立等效模型模擬EFP水中侵徹間隔靶過程,EFP成型仿真計算結(jié)果及相應(yīng)的EFP等效模型如圖2所示。由于本研究成型裝藥結(jié)構(gòu)所形成的EFP在實際成型過程中尾翼易發(fā)生斷裂脫離主體的現(xiàn)象,故EFP等效模型中不考慮裙尾結(jié)構(gòu)。EFP等效模型選擇密度8.96 g·cm-3的紫銅,根據(jù)EFP具體成型條件,對部分參數(shù)進行修正,得到EFP等效模型參數(shù)為半徑7.3 mm,全長27.3 mm,尾翼內(nèi)徑5.7 mm,長15.3 mm,飛行速度1700 m·s-1。

a. simulation generated image b. equivalent model

圖2 EFP成型仿真計算結(jié)果與等效模型

Fig.2 Simulated results of EFP formation and the equivalent model

EFP水中飛行及侵徹間隔靶數(shù)值仿真模型如圖3所示,圖中L1、L2分別為前后兩靶板距EFP入水處距離。為了進一步研究EFP水下對不同距離下間隔靶的侵徹情況,設(shè)計了5種不同距離下EFP侵徹間隔靶的方案,其中方案1、2、3為間隔靶布置; 考慮隨距離的增長EFP侵徹能力下降明顯,方案4、5為單靶板布置。方案中靶板厚度均為5 mm,采用密度7.83 g·cm-3的45鋼,方案設(shè)置見表2。

圖3 水中飛行及EFP侵徹仿真計算模型

Fig.3 Simulation model of the flight and penetration of EFP in water

表2 數(shù)值仿真方案

Table 2 Numerical simulation scheme

test12345L1/mm1．25CD2．50CD3．75CD5．00CD6．25CDL2/mm2．50CD3．75CD5．00CD--

仿真模型為1/4三維數(shù)值計算模型,選用實體solid164單元,采用ALE耦合算法[15]。等效彈丸及靶板均采用拉格朗日網(wǎng)格建模,材料本構(gòu)關(guān)系選用JOHNSON_COOK模型; 水介質(zhì)及空氣采用歐拉網(wǎng)格建模,四周為無反射擾動的透射傳播邊界,空物質(zhì)材料本構(gòu)模型,狀態(tài)方程采用GRUNEISEN模型,狀態(tài)方程形式如下:

式中,p為壓力,GPa;C為沖擊波速度-質(zhì)點速度曲線的截距,km·s-1;γ0為GRUNEISEN常數(shù);α為γ0和μ的體積修正量;E0為單位體積初始能量,GPa;s1,s2,s3,為材料特性參數(shù); 體積變化率μ=ρ/ρ0-1,ρ、ρ0分別為材料密度、材料初始密度,g·cm-3。材料具體參數(shù)見表3。

表3 材料參數(shù)

Table 3 Material parameters

materialsρ/g·cm-3C/km·s-1s1s2s3γ0αE0/GPaair1．29×10-30．3440001．400water0．9981．4841．752000．2800

3 仿真計算結(jié)果及分析

3.1 EFP水中速度衰減規(guī)律

EFP的速度和質(zhì)量是影響EFP水中侵徹能力的重要參數(shù)。根據(jù)2.2節(jié)數(shù)值仿真模型計算無靶板條件下EFP水中侵徹過程,得到如圖4所示EFP水中侵徹過程。

圖4 EFP水中侵徹過程

Fig.4 The penetration process of EFP in water

EFP最初與水接觸時,首先會產(chǎn)生對水的撞擊作用。此時將產(chǎn)生一個短暫的、以近似于水中聲速輻射出去的高速激波[17]。由于撞擊持續(xù)時間短,撞擊力對其水中彈道影響較小,但仍會改變EFP的速度并產(chǎn)生噴濺。根據(jù)圖4所示EFP侵徹水介質(zhì)過程可知,撞擊后,水從彈體流開,空泡形成,產(chǎn)生空腔現(xiàn)象。空泡在水面處與大氣相通,隨著EFP沿著軌道前進,空泡進一步加長,氣體填充到彈體后面的空帶里,形成一個空泡,其中部分是氣體,部分是水蒸氣。由于EFP前進時,僅頭部與水接觸,尾部未與空泡壁發(fā)生作用,EFP水中彈道近似于空中軌道延長線的直線。根據(jù)仿真結(jié)果標定不同距離下EFP的飛行速度,可獲得EFP水中速度變化曲線,結(jié)果如圖5所示。

由圖5可見,EFP與水介質(zhì)產(chǎn)生的撞擊力對EFP的速度影響較大,EFP在水介質(zhì)中速度衰減明顯。EFP剛進入水中速度則由1700 m·s-1迅速減少至1570 m·s-1。在入水僅2CD的距離內(nèi),因頭部形狀變化顯著,EFP的速度隨即下降至1070 m·s-1,降幅達到500 m·s-1,且速度衰減具有一定線性規(guī)律。而隨著EFP形狀逐漸趨于穩(wěn)定,EFP速度衰減過程呈現(xiàn)指數(shù)規(guī)律,速度趨近于400 m·s-1。此后隨著速度持續(xù)下降,EFP基本不具備水中侵徹能力。

圖5 EFP水中不同距離下的速度變化曲線

Fig.5 The change curve of EFP velocity at different distance in water

3.2 EFP水中質(zhì)量變化規(guī)律

EFP外形和質(zhì)量的變化對EFP水中彈道及速度衰減規(guī)律均會產(chǎn)生明顯的影響。對EFP水中侵徹過程進行仿真計算,得到EFP在侵徹水介質(zhì)過程中的變形情況,結(jié)果如圖6所示。

圖6 EFP侵徹水介質(zhì)過程形狀變化

Fig.6 The shaped change of EFP in the process of penetrating into water medium

由圖6可知,EFP侵徹水介質(zhì)時變形損耗明顯。EFP入水過程,由于持續(xù)時間短暫,流體的粘性、重力及表面張力均可忽略。但EFP侵徹水介質(zhì)時,受水的密度、可壓縮性和粘滯性影響較大。EFP侵入水介質(zhì)后,受到慣性阻力、壓差阻力、粘滯阻力等影響,發(fā)生明顯磨損變形,導(dǎo)致EFP質(zhì)量降低、形狀改變,并直接影響到EFP的侵徹能力。根據(jù)仿真結(jié)果標定不同距離下EFP的剩余質(zhì)量,得到EFP水中質(zhì)量變化曲線,結(jié)果如圖7所示。

圖7 EFP水中不同距離下的質(zhì)量變化曲線

Fig.7 The change curves of EFP mass at different distance in water

由圖7可見,EFP入水后質(zhì)量急劇減小,隨著水中飛行距離的增加,運動速度減慢,剩余質(zhì)量進一步減小,侵徹能力隨之減弱。EFP在水中運動距離達到2CD時,剩余質(zhì)量已不足初始質(zhì)量一半,最后基本穩(wěn)定在初始質(zhì)量的1/3。當水中設(shè)置靶板時,由于靶板對沖擊波的影響,EFP質(zhì)量損失更為明顯: 2.5CD距離處設(shè)置靶板,最后剩余質(zhì)量約為初始質(zhì)量的1/4; 1.25CD距離處設(shè)置靶板,最后剩余質(zhì)量僅為初始質(zhì)量的1/5。

3.3 EFP水中侵徹間隔靶規(guī)律

為研究EFP水中侵徹間隔靶規(guī)律,對表2方案進行仿真,結(jié)果見表4。

表4 EFP水中侵徹靶板仿真結(jié)果

Table 4 Simulated results ofpenetrating targets of EFP in water

testtarget1L1/mmresultstarget2L2/mmresults11．25CDperforationd≈0．8CD2．50CDconcavityP≈0．9CD22．50CDperforationd≈0．5CD3．75CDfailtocontact-33．75CDconcavityP≈0．7CD5．00CDfailtocontact-45．00CDconcavityP≈0．5CD--56．25CDfailtocontact---

Note:dis the penetration diameter, andPis the penetration depth.

由表4可見,EFP可輕松穿過1.25CD處前靶板并形成直徑約0.8CD的彈孔,并且在2.5CD處后靶板上侵徹得到一個深約0.9CD的彈坑。在飛行2.5CD的距離后,EFP仍可穿透前靶板形成直徑約0.5CD的彈孔,但對后靶板侵徹效果不明顯,表明EFP穿透前靶板后剩余質(zhì)量與剩余速度都大幅下降。EFP到達3.75CD處靶板時,雖然仍具有一定侵徹能力但并不能穿透靶板,彈坑深度約0.7CD。隨著飛行距離的增加,EFP侵徹能力進一步下降,對置于5CD處的靶板,僅能造成一個深度不足0.5CD的彈坑; 對置于6.25CD處的靶板,未能造成損傷。

根據(jù)仿真結(jié)果,該結(jié)構(gòu)成型裝藥形成的EFP在水中飛行1.25CD距離時,可直接貫穿前靶板并將后靶板沖塞變形; 在水中飛行2.5CD距離時,仍可穿透前靶板; 在水中飛行3.75CD時,即難以穿透薄靶板; 而在水中飛行超過5CD時EFP已不具有侵徹能力。

4 試驗驗證

4.1 試驗設(shè)計

對應(yīng)于表2 所示間隔板布置方案,設(shè)計5組EFP水中飛行及侵徹試驗,對仿真結(jié)果進行驗證,具體參數(shù)與仿真保持一致。距EFP戰(zhàn)斗部水平距離0.5 m處,布置參數(shù)為500 mm×500 mm×300 mm的水缸,并注水。合理布設(shè)高速攝影儀器,拍攝EFP穿越水箱及侵徹靶板的作用過程,曝光速度設(shè)置為50000 fps,即每張照片相隔時間為20 μs,試驗場地布置如圖8所示。

4.2 EFP水中運動過程研究

a. schematic of experimental setup

b. photograph of experimental setup

圖8 EFP水中侵徹試驗布置圖

Fig.8 Photographs of the high-speed photography text stand

圖9 高速攝影下EFP水中飛行圖像

Fig.9 High-speed photographic images of EFP traveling in water

該成型裝藥形成的EFP在空氣中飛行速度為1700 m·s-1左右,觀察高速攝影圖像,從EFP進入水箱開始計時,記錄每張照片中EFP位置,分別作時間-位移與位移-速度曲線,對比數(shù)值仿真結(jié)果,得到對比曲線如圖10所示。由圖10可見,時間-位移對比曲線趨勢一致,最大誤差為5.7%; 位移-速度對比曲線前半段由于試驗中EFP入水過程復(fù)雜,速度受鋼制水箱壁及沖擊波影響較大,而數(shù)值仿真為理想狀態(tài)且無鋼制水箱壁,故誤差較大,2.25CD處誤差達到10.5%; 隨著沖擊波影響逐漸減小,誤差減小,隨后曲線逐漸趨于一致,而3.25CD處誤差僅3.4%,故可以認為吻合程度較好。

a. change curves of displacement at different time

b. change curves of velocity at different distance

圖10 EFP水中飛行試驗仿真對比曲線

Fig.10 Comparative curves of the simulation and experiment of EFP traveling in water

4.3 EFP水中侵徹仿真與試驗對比

對5組驗證試驗間隔板進行回收分析,得到仿真與試驗數(shù)據(jù)的對比情況,結(jié)果見表5。由表5可知,EFP水中侵徹間隔靶的試驗與仿真結(jié)果吻合較好。方案1中前靶板穿孔直徑為31.56 mm,與仿真結(jié)果32.83 mm誤差僅為4%。方案2中EFP產(chǎn)生碎裂,靶板上有一處較深彈坑以及兩個不相連的彈孔,兩彈孔相距17.22 mm,大孔直徑11.96 mm,小孔直徑8.34 mm,彈坑直徑11.34 mm?？紤]方案2出現(xiàn)兩處彈坑,本文將兩孔侵徹面積之和與仿真穿孔面積進行對比,誤差為5.8%。方案3與方案4中,試驗測得彈坑深度分別為26.38 mm與17.21 mm,與仿真結(jié)果相較,誤差分別為7.4%與10.1%。值得注意的是,僅方案1中EFP成型完整,其他幾組試驗中,EFP均發(fā)生了不同程度的碎裂。

EFP在水介質(zhì)侵徹間隔靶的試驗表明,由于水中阻力的影響,EFP在水中會產(chǎn)生斷裂與分離,形態(tài)不穩(wěn)定,EFP在水中侵徹能力有所下降,速度衰減與質(zhì)量損失明顯。該結(jié)構(gòu)EFP在水中僅飛行3.75CD距離時即難以穿透5 mm薄鋼靶,且超過5CD距離時已不具備侵徹能力。

表5 仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比

Table 5 Comparison of the simulation results and experimental ones

type12345simulationresultsd=32．83mmd=19mmP=28．32mmP=20．06mm-experimentresultsd=31．56mmd1=11．96mmd2=8．34mmP=26．38mmP=17．21mm-

Note:dis the penetration diameter, andPis the penetration depth.

4 結(jié) 論

針對本研究戰(zhàn)斗部所形成的EFP,采用數(shù)值模擬與試驗驗證相結(jié)合的手段,探討了EFP在水中的速度衰減與質(zhì)量損失規(guī)律,得到了EFP對水中間隔靶的侵徹規(guī)律。

(1) 獲得了EFP水中速度和質(zhì)量衰減規(guī)律,EFP在水中速度先是線性衰減后呈指數(shù)規(guī)律變化,EFP入水后磨損變形明顯甚至碎裂,質(zhì)量急劇減少,隨著在水中飛行距離的增加質(zhì)量逐漸趨于穩(wěn)定,此時EFP剩余質(zhì)量約為初始質(zhì)量的1/3～1/5。

(2) 獲得了EFP水中侵徹間隔靶的作用規(guī)律,EFP在水中飛行1.25CD時,EFP可穿透前靶板并形成直徑約0.8CD的彈孔,并對第二塊靶板造成深約0.9CD的沖塞變形; 在水中飛行2.5倍裝藥直徑的距離時,仍可穿透薄靶板并形成0.5CD的彈孔; 在水中飛行3.75倍裝藥直徑的距離時即難以穿透薄靶板; 在水中飛行超過5倍裝藥直徑的距離時已不具備侵徹能力。

參考文獻:

[1] 龔月珍. 魚雷戰(zhàn)斗部聚能定向爆炸的研究[J]. 艦船科學(xué)技術(shù),1993(4): 20-26.

首先確定二級潛水泵的選擇原則，通常有恒壓恒量供水、恒壓變量供水、變壓變量供水3種方式。為了管理方便，本工程采用恒壓變量供水方式，即在供水壓力一定的情況下保證用戶的水量。泵池內(nèi)安裝4臺200QGW360-40-75潛水泵及2臺250QGW420-40-90潛水泵，根據(jù)供水壓力和流量控制水泵運行。其安裝方式均為自動耦合式裝置，泵與耦合裝置相連，耦合底座固定于泵坑底部，泵可在導(dǎo)軌（導(dǎo)桿）中上下移動，當泵放下時，耦合裝置自動與耦合底座耦合，而提升時泵與耦合底座自動脫落。所有水泵附件全套安裝完畢。

GONG Yue-zhen. Study on directional blasting of shaped charge in torpedo warhead[J].ShipScienceandTechnology, 1993(4): 20-26.

[2] Saroha D R, Kumar D, Singh Y P. Penetration behaviour simulation of shaped charge jets in water filled targets[C]∥26th International Symposium on Ballistics, Miami: 2011, 1392-1400.

[3] Saroha D R, Kumar D, Singh Gurmit, Mahala V K. An experimental study of penetration behavior of shaped charge jets in water filled target[C]∥24th International Symposium on Ballistics, USA: 2008, 2-8.

[4] Yaziv D, Mayseless M, Cooper Z, et al. The penetration process of jets and long rods in water[C]∥26th International Symposium on Ballistics, Miami: 2011, 1803-1811.

[5] Max Peters. Development of techniques for investigation energy contributions to target deformation and penetration during reactive projectile hypervelocity impact[D]. Monterey California: Naval Postgraduate School, 2009.

[6] XING Shi-long, HUANG Xiang-ke. Simulation study on high-powered shaped warhead penetration into target with water layer[J].AppliedMechanicsandMaterials, 2014, 532: 242-245.

[7] 羅健, 周曉蔚. 串聯(lián)聚能裝藥在水下彈藥中的應(yīng)用[J]. 彈箭技術(shù), 1996(4): 38-44.

LUO Jian, ZHOU Xiao-ru. Application of tandem shaped charge in underwater ammunition[J].ProjectilesandRocketsTechniques, 1996(4): 38-44.

[8] 李成兵, 裴明敬, 沈兆武. 聚能桿式彈丸侵徹水夾層復(fù)合靶相似律分析[J]. 火炸藥學(xué)報, 2006, 29(6): 1-5.

LI Cheng-bing, PEI Ming-jing, SHEN Zhao-wu. Analysis of similitude law of rod-shaped projectile penetrating into compound target with water interlayer[J].ChineseJournalofExplosives&Propellants, 2006, 29(6): 1-5.

[9] PEI Ming-jing, LI Cheng-bing. Experimental investigation of SCRSP penetrating the compound target with water interlayer[J].ChineseJournalofExplosive&Propellants, 2008, 31(3):15-19.

[10] 史進偉, 羅興柏, 蔣建偉, 等. 射流侵徹水夾層間隔靶板的理論和實驗研究[J]. 含能材料, 2016, 24(3): 213-218.

SHI Jin-wei, LUO Xing-bai, JIANG Jian-wei, et al. Numerical simulation and experimental study on the cratering stage of shaped charge jet penetrating into target[J].ChineseJournalofEnergeticMaterials(HannengCailiao), 2016, 24(3): 213-218.

[11] 王海福, 江增榮, 李向榮. 藥型罩參數(shù)對聚能裝藥水下作用效應(yīng)的影響[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報, 2006, 26(5): 405-409.

WANG Hai-fu, JIANG Zeng-rong, LI Xiang-rong. Influences of liner parameters on the effects of shaped charge operating underwater[J].TransactionofBeijingInstituteTechnology, 2006, 26(5): 405-409.

[12] WANG Hai-fu, LI Xiang-rong, FENG Shun-shan. Numerical simulation of twin EFPs passing through water[C]∥Proceedings of the 2003 International Autumn Seminar on Propellants, Explosives and Pyrotechnics, Guilin, 2003: 780-783.

[13] 楊莉, 張慶明,時黨勇. 爆炸成型模擬彈丸對水介質(zhì)侵徹的數(shù)值仿真[J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報, 2009, 29(2): 117-119.

YANG Li, ZHANG Qing-ming, SHI Dang-yong. Numerical simulation for the penetration of explosively formed projectile into water[J].JournalofProjectiles,Rockets,MissilesandGuidance, 2009, 29(2): 117-119.

[14] 曹兵. EFP戰(zhàn)斗部水下作用特性研究[J]. 火工品, 2007(3): 1-5.

CAO Bing. Study on the performance of EFP warhead operating underwater[J].Initiators&Pyrotechnics, 2007(3): 1-5.

[15] Livermore. LS-DYNA keyword users manual[CP]. California: Livermore Software Technology Corporation, 2003.

[16] LI Wei-bing, WANG Xiao-ming, LI Wen-bin. The effect of annular multi-point initiation on the formation and penetration of an explosively formed penetrator[J].InternationalJournalofImpactEngineering, 2010, 37: 414-424.

[17] 顧建農(nóng), 張志宏, 鄭學(xué)齡,等. 彈體入水彈道研究綜述[J]. 海軍工程大學(xué)學(xué)報, 2000, 90(1): 18-23.

GU Jian-nong, ZHANG Zhi-hong, ZHENG Xue-ling, et al. A review of the body′s water-entry ballistics research[J].JournalofNavalUniversityofEngineering, 2000, 90(1): 18-23.