任 凱,吳 越,2,賈磊朋,石曉山,鄭延斌

(1 中北大學地下目標毀傷技術(shù)國防重點學科實驗室,太原 030051;2 中北大學機電工程學院,太原 030051;3 湖南兵器長城機械有限公司,湖南婁底 417000;4 國營542廠,吉林吉林 132021)

0 引言

多層EFP戰(zhàn)斗部是近年來針對復合裝甲、爆炸反應裝甲等新型裝甲而提出的新概念戰(zhàn)斗部。由于多層EFP具有諸多優(yōu)點,國內(nèi)外學者對其進行了大量的研究。Curtis等[1]研究了不同材料對多層EFP成型的影響。龍源[2]研究了曲率半徑對雙層藥型罩EFP戰(zhàn)斗部成型及侵徹的影響。關(guān)于3層EFP戰(zhàn)斗部成型規(guī)律的影響,國內(nèi)外還未進行廣泛的研究。作者基于雙層藥型EFP戰(zhàn)斗部,設(shè)計了一種3層偏心亞半球罩戰(zhàn)斗部,利用ANSYS/LS-DYNA軟件對曲率半徑、藥型罩壁厚和藥型罩材料對EFP成型規(guī)律的影響進行研究。該研究對反不敏感彈藥的設(shè)計具有一定的參考價值。

1 計算模型

所設(shè)計的3層藥型罩如圖1所示,由炸藥和3層藥型罩及戰(zhàn)斗部殼體組成,藥型罩采用3層偏心亞半球結(jié)構(gòu)。其中裝藥直徑為70 mm,裝藥高度為100 mm,曲率半徑為63 mm,殼體壁厚為3 mm。

圖1 3層藥型罩結(jié)構(gòu)

利用TrueGrid軟件構(gòu)建有限元模型,所有單元均為8節(jié)點實體單元Solid164,如圖2所示。藥型罩材料均為紫銅,其狀態(tài)方程為Gruneisen形式,具體參數(shù)取自文獻[3]。炸藥材料為8701,狀態(tài)方程為JWL形式。殼體材料為45鋼,具體參數(shù)見文獻[4]。起爆方式為中心點起爆,單位制為cm·g·μs。仿真采用Lagrange算法,使用自動面面接觸算法[5-6]。

圖2 仿真模型

2 多層聚能侵徹體典型成型過程

3層藥型罩材料均選用銅,多層聚能侵徹體典型成型過程如圖3所示。

圖3 多層聚能侵徹體典型成型過程

從多層聚能侵徹體典型成型過程可以看出,當t=25 μs時,炸藥的爆轟已經(jīng)基本完成,對后續(xù)藥型罩壓垮,反轉(zhuǎn)基本沒有影響,故而t=25 μs開始刪除炸藥和殼體,繼續(xù)進行計算;當t=75 μs時,外層罩與內(nèi)層罩和中層罩出現(xiàn)分離,此時是由于3層罩存在速度差;當t=200 μs時,外層罩已經(jīng)與內(nèi)層罩和中層罩分離,且具有很高的速度,而內(nèi)層罩和中層罩沒有產(chǎn)生分離,這是因為中層藥型罩在反轉(zhuǎn)的過程中與內(nèi)層罩速度差不是很大,中層藥型罩在拉長過程中尾翼部分把內(nèi)層罩包裹,導致內(nèi)層和中層藥型罩未能發(fā)生分離。

圖4 多層聚能侵徹體尾翼

3 藥型罩參數(shù)對成型的影響

3.1 藥型罩曲率半徑對多層聚能侵徹體成型的影響

藥型罩的曲率半徑是EFP成型過程中的重要影響因素。改變藥型罩的曲率半徑,爆轟波對藥型罩的作用位置也會隨之改變。采用不同的曲徑比Ry/D進行數(shù)值模擬,數(shù)值模擬結(jié)果如表1和圖5所示。Vn、Vz、Vw分別表示內(nèi)、中、外層EFP速度,Kn、Kz、Kw分別表示內(nèi)、中、外層EFP長徑比。

表1 不同曲徑比下的仿真數(shù)據(jù)(200 μs時)

從圖5(a)可以看出:隨著Ry/D的增大,中和后EFP的速度在增大,前EFP的速度在減小。從圖5(b)可以看出:隨著曲徑比Ry/D的增大,中和后EFP的長徑比在增大,而前EFP的長徑比在減小。

3.2 藥型罩總壁厚對多層聚能侵徹體成型的影響

國內(nèi)外學者研究發(fā)現(xiàn)藥型罩壁厚對單層EFP的成型具有較大的影響,隨著壁厚的增加,EFP的長徑比減小,侵徹能力下降[6-7]。針對3層藥型罩進行壁厚的影響研究,取厚度比η=1,材料都為紫銅,Ry/D=0.9,裝藥高度和裝藥直徑等其他條件不變。下面分別對銅藥型罩總壁厚e分別為4.50 mm、5.25 mm、6.00 mm、6.75 mm、7.50 mm進行數(shù)值模擬,數(shù)值模擬結(jié)果如表2和圖6所示。

從模擬結(jié)果可以看出:藥型罩的厚度越大,串聯(lián)EFP的速度和長徑比越小。當藥型罩總壁厚e=6 mm時,所形成的EFP長徑比相差較小,速度差也較小,侵徹體形態(tài)良好。

圖5 侵徹體速度和長徑比與藥型罩曲徑比的關(guān)系

圖6 侵徹體速度和長徑比與藥型罩總壁厚的關(guān)系

e/mmVn/(m/s)Vz/(m/s)Vw/(m/s)KnKzKw侵徹體外形4.51439161319082.2532.2793.3635.251268144817291.5902.0612.89361138130515791.3421.9321.9426.751038118114451.2441.3891.6737.5948108113171.1701.1521.578

3.3 各層藥型罩壁厚對多層聚能侵徹體成型的影響

各層藥型罩的壁厚對EFP的成型具有較大的影響。當藥型罩的壁厚過于薄時,EFP在成型的過程中容易被拉斷。當藥型罩的壁厚過于厚時,形成的EFP的長徑比較小,對其侵徹能力有較大的影響。當藥型罩的總壁厚e=6 mm時,對外層、中層、內(nèi)層藥型罩的厚度比η分為7種情況進行數(shù)值模擬,數(shù)值模擬的結(jié)果如表3所列。

從表3可以看出,當藥型罩外層、中層、內(nèi)層藥型罩的壁厚比為1∶3∶2時,多層聚能侵徹體的總長度最大,多層聚能侵徹體的速度同樣達到最大值;當藥型罩外、中、內(nèi)層藥型罩的壁厚比為3∶2∶1時,多層聚能侵徹體的總長度最小,多層聚能侵徹體的速度同樣是最小值。這說明,當內(nèi)層罩壁厚較薄時,多層聚能侵徹體的成型效果不理想,最主要的原因是內(nèi)層藥型罩基本形成的是多層聚能侵徹體的尾翼部分,內(nèi)層藥型罩的壁厚較薄時,侵徹體的尾翼直徑較大,雖然有很好的氣動外形,但是侵徹體的長徑比和速度值都較小,不利于侵徹。

表3 不同厚度比下的仿真數(shù)據(jù)(200 μs時)

3.4 藥型罩材料對多層聚能侵徹體成型的影響

為研究材料對3層藥型罩EFP成型的情況,設(shè)計了4種仿真方案如表5所示。其中所有金屬的狀態(tài)方程均為Gruneisen形式,且屈服模型都選取Johnson-cook形式。

表4 不同材料藥型罩的計算參數(shù)

表5 不同材料下的仿真數(shù)據(jù)(200 μs時)

由計算結(jié)果可以看出,3層藥型罩形成的各個侵徹體的速度和速度差都會隨著藥型罩材料密度的增大而減小。侵徹體的形態(tài)由前后分離的EFP逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槭孜蚕噙B的EFP。銅的塑性最好,形成的侵徹體長徑比較大,侵徹體形態(tài)良好。

3.5 藥型罩材料匹配對多層聚能侵徹體成型的影響

為研究藥型罩內(nèi)、中和外層罩材料不同對多層聚能侵徹體的影響,設(shè)計了6種匹配方案,方案列于表6中,不同匹配方案數(shù)值模擬結(jié)果如表7所示。

表6 藥型罩材料匹配方案

表7 計算結(jié)果(200 μs時)

由表7可以看出:當內(nèi)層和中層藥型罩材料為低密度材料時,藥型罩大部分質(zhì)量基本都形成的是聚能侵徹體的尾翼部分,且尾翼很薄,尾翼的直徑很大,內(nèi)罩和中罩形成的EFP速度差較小很難分離。由計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),當藥型罩外、中、內(nèi)層藥型罩材料分別為鋁、銅、鐵時,形成的聚能侵徹體速度差較小,長徑比差較小,侵徹體形態(tài)良好。

4 結(jié)論

1)藥型罩的結(jié)構(gòu)是多層聚能侵徹體成型過程中的重要影響因素。隨著曲率半徑增大,串聯(lián)EFP的速度差逐漸減小,前和中EFP長徑比也逐漸減小,后EFP長徑比逐漸增大。藥型罩壁厚越大,串聯(lián)EFP的速度越小,長徑比也逐漸減小。隨著厚度比的增大,串聯(lián)EFP的速度和速度差都在增大。

2)藥型罩罩材料也對多層聚能侵徹體成型過程具有較大的影響。當各層藥型罩材料相同時,串聯(lián)EFP的速度隨著材料密度的增大而減小。當各層藥型罩材料不相同時,鋁-銅-鐵組合形成的侵徹體速度差較小,長徑比差最小,且侵徹體形狀較好。

該研究對反低易損彈藥戰(zhàn)斗部的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有一定的參考價值。