鄭燦杰，盧連軍，李勇健，鐘躍武，王維占，李 根

(1.山東特種工業(yè)集團(tuán)有限公司， 山東 淄博 255200； 2.中北大學(xué) 地下目標(biāo)毀傷技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室， 太原 030051)

1 引言

聚能型爆炸反應(yīng)裝甲在坦克防御系統(tǒng)中扮演關(guān)鍵的角色，其作用原理是依靠本身爆炸產(chǎn)生的線性自鍛破片對(duì)穿甲彈、聚能破甲射流進(jìn)行切割和干擾，降低對(duì)坦克主裝甲的毀傷威力。當(dāng)穿甲彈以一定的角度高速傾斜撞擊反應(yīng)裝甲塊，在穿甲彈接近車體一段距離時(shí)，起爆聚能裝藥單元，形成LEFP反擊單元來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)來(lái)襲彈藥的攔截，對(duì)穿甲彈的彈體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞、偏轉(zhuǎn)、彎曲、斷裂，削弱桿彈的速度和質(zhì)量，改變動(dòng)能彈丸著靶姿態(tài)，從而降低動(dòng)能彈丸對(duì)主裝甲的侵徹能力。本文對(duì)LEFP反擊戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，獲得在大炸高條件下兼顧穿深與侵徹面積合理匹配的戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)。

2 LEFP的成型及影響因素

LEFP是由線性成型裝藥爆炸后，藥型罩在爆轟產(chǎn)物作用下擠壓、翻轉(zhuǎn)，在對(duì)稱面上形成具有一定長(zhǎng)度的成型侵徹體。作為一種新型聚能毀傷元，它與射流切割器相比，具有使用炸高大、后效作用強(qiáng)、藥型罩利用率高等特點(diǎn)。由于LEFP的性能受材料屬性、裝藥結(jié)構(gòu)、起爆方式等影響，在一定裝藥口徑的條件下，適當(dāng)提高藥型罩曲率半徑，可以提高LEFP的頭部速度，但形成LEFP的質(zhì)量也隨之減少；隨藥型罩壁厚的增加，導(dǎo)致藥型罩獲得的動(dòng)能較少，但藥型罩太薄，會(huì)導(dǎo)致藥型罩在反轉(zhuǎn)時(shí)候過(guò)早斷裂，從而影響侵徹威力；隨著裝藥高度的增大，LEFP的速度隨之增大，但增大的幅度逐漸變小；殼體具有延緩稀疏波和延長(zhǎng)裝藥作用時(shí)間的作用，殼體厚度的增大，破片速度也隨之增大，但幅度并不大。藥型罩壁厚是眾多因素(藥型罩曲率半徑、裝藥高度、藥型罩壁厚和殼體)中影響LEFP成型的主要因素。

3 數(shù)值模擬

針對(duì)來(lái)襲目標(biāo)設(shè)計(jì)LEFP結(jié)構(gòu)，使用有限元軟件，模擬150 mm長(zhǎng)LEFP反擊戰(zhàn)斗部侵徹鎢桿和45#鋼板的過(guò)程，獲得反擊毀傷單元的初速、動(dòng)能等參數(shù)并計(jì)算動(dòng)態(tài)威力。

針對(duì)毀傷元結(jié)構(gòu)，本文進(jìn)行了部分簡(jiǎn)化，建立了相應(yīng)的有限元計(jì)算模型。計(jì)算時(shí)，采用TRUEGRID軟件建模，生成模型k文件，然后使用ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行求解計(jì)算?？紤]整個(gè)模型有一定的對(duì)稱性，建模時(shí)為了減少計(jì)算量，只需建立1/2模型即可模擬戰(zhàn)斗部侵徹鎢桿及45#鋼板過(guò)程；計(jì)算網(wǎng)格均采用六面體實(shí)體單元，藥型罩、戰(zhàn)斗部裝藥采用ALE算法，殼體、目標(biāo)靶彈采用拉格朗日算法，目標(biāo)靶彈炸藥和殼體之間的相互作用由接觸控制來(lái)定義。

計(jì)算中炸藥采用高能炸藥材料模型*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN和JWL狀態(tài)方程。JWL狀態(tài)方程精確描述了在爆炸驅(qū)動(dòng)過(guò)程中爆轟氣體產(chǎn)物的壓力、體積、能量特性，其表達(dá)式為:

(1)

=(,)

(2)

式(1)～(2)中:為來(lái)自于狀態(tài)方程的炸藥爆轟產(chǎn)物力；為任意時(shí)刻炸藥單元所釋放的壓力；為炸藥燃燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)；為相對(duì)體積；為初始比內(nèi)能；、、、和為輸入?yún)?shù)。

這里采用B炸藥，表1給出了B炸藥主要參數(shù)。

表1 炸藥的材料參數(shù)(單位制：mm-ms-kg-GPa)Table 1 Material parameters of explosives

藥型罩對(duì)成型聚能侵徹體的質(zhì)量好壞起決定作用，直接決定了其毀傷性能的優(yōu)劣。目前最多采用的藥型罩材料是紫銅，其密度高、塑性優(yōu)良，形成的侵徹體破甲效果優(yōu)異。因此，反擊單元系統(tǒng)的藥型罩材料選取紫銅，材料模型為MAT_JOHNSON_COOK，它是在考慮了金屬材料承受大應(yīng)力、高應(yīng)變率以及高溫的情況下，用來(lái)描述動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程和材料變形問(wèn)題。表2列舉了紫銅材料的具體參數(shù)。

表2 紫銅材料參數(shù)(mm-ms-kg-GPa)Table 2 Material model and state equation of red copper

對(duì)于Euler算法和多物質(zhì)ALE流固耦合算法來(lái)說(shuō)，建模還需要在侵徹體飛行的整個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)添加空氣域，并在邊界點(diǎn)上施加壓力流出的邊界條件，避免邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算精度的影響?？諝庥蛩玫牟牧夏Ｐ蜑镸AT_NULL，采用線性多項(xiàng)式狀態(tài)方程EOS_LINEAR_POLYNOMIAL，表示單位初始體積內(nèi)能的線性關(guān)系。壓力值的表達(dá)式為：

=++++(++)

(3)

(4)

式(3)～(4)中：～為常數(shù)；為相對(duì)體積；為初始內(nèi)能。

本文數(shù)值計(jì)算中空氣的材料參數(shù)如表3所示。

表3 空氣的材料參數(shù)Table 3 Material parameters of air

研究采用直徑30 mm鎢桿和70 mm厚45#鋼材料作為打擊目標(biāo)，研究3種結(jié)構(gòu)聚能裝藥的侵徹性能。材料模型采用應(yīng)變率相關(guān)和失效相結(jié)合的各向同性塑性隨動(dòng)硬化模型。

數(shù)值仿真通過(guò)對(duì)裝藥、藥型罩、裝藥殼體、起爆方式、毀傷威力數(shù)值的計(jì)算，初步設(shè)計(jì)了裝藥結(jié)構(gòu)和藥型罩，其藥型罩口徑為45 mm，裝藥類型為B炸藥，殼體為1.5 mm厚的鋁殼。藥型罩見圖1。

圖1 反擊戰(zhàn)斗部3種藥型罩示意圖Fig.1 Counter attack warhead three kinds of drug cover schematic diagram

該計(jì)算方案的有限元分析模型如圖2所示。

1.戰(zhàn)斗部殼體；2.藥型罩；3.戰(zhàn)斗部裝藥；4.等效鎢棒圖2 計(jì)算模型示意圖Fig.2 Calculation model

模擬反擊戰(zhàn)斗部與來(lái)襲目標(biāo)靶彈的作用姿態(tài)，并對(duì)其進(jìn)行切割，觀察對(duì)目標(biāo)靶彈的作用情況。

4 仿真結(jié)果分析

4.1 3種毀傷元成型

3種藥型罩成型狀態(tài)如圖3所示。3種毀傷元數(shù)據(jù)參數(shù)如表4所示。

從圖3可以看出，3裝藥結(jié)構(gòu)均能形成對(duì)穿/破甲彈進(jìn)行毀傷的LEFP毀傷元。從表4毀傷元數(shù)據(jù)參數(shù)可以看出，錐形和亞半球形藥型罩形成的毀傷元速度差小，頭部速度幾乎相同，能夠在大炸高下對(duì)鎢桿進(jìn)行毀傷；半球形藥型罩形成的毀傷元頭部速度高，頭尾速度差大，容易斷裂。

圖3 3種藥型罩成型狀態(tài)示意圖Fig.3 Forming status diagram of three types of drug cover

表4 3種毀傷元數(shù)據(jù)參數(shù)Table 4 Three damage metadata parameters

4.2 3種毀傷元侵徹結(jié)果分析

半球結(jié)構(gòu)毀傷元對(duì)45#鋼、鎢桿侵徹過(guò)程,亞半球結(jié)構(gòu)毀傷元對(duì)45#鋼、鎢桿侵徹過(guò)程,錐形結(jié)構(gòu)毀傷元對(duì)45#鋼、鎢桿侵徹過(guò)程分別如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 半球結(jié)構(gòu)毀傷元對(duì)45#鋼、鎢桿侵徹過(guò)程示意圖Fig.4 Penetration process of hemispherical structural damage element to 45# steel and tungsten rod

圖5 亞半球結(jié)構(gòu)毀傷元對(duì)45#鋼、鎢桿侵徹過(guò)程示意圖Fig.5 Penetration process of subhemispheric structural damage element on 45# steel and tungsten rod

圖6 錐形結(jié)構(gòu)毀傷元對(duì)45#鋼、鎢桿侵徹過(guò)程示意圖Fig.6 Conical structure damage element to 45# steel, tungsten rod penetration process

對(duì)鋼靶和鎢桿的毀傷元數(shù)據(jù)參數(shù)如表5所示。

表5 3種毀傷元數(shù)據(jù)參數(shù)(mm)Table 5 hree damage metadata parameters

3種毀傷元分別對(duì)鎢桿和45#鋼進(jìn)行侵徹。從侵徹深度上看，半球罩裝藥結(jié)構(gòu)要明顯優(yōu)于其他2種裝藥結(jié)構(gòu)，但從作用面積看劣于其他2種。錐形罩裝藥結(jié)構(gòu)與亞半球裝藥，由于其母線長(zhǎng)度短、錐角度大、曲率半徑較小且藥型罩壁厚較后，在爆轟產(chǎn)物的作用下擠壓、翻轉(zhuǎn)，形成的LEFP速度較低且速度梯度較小，侵徹能力稍差，但藥型罩利用率高，對(duì)炸高不敏感，作用面積較大。半球形裝藥結(jié)構(gòu)形成的毀傷元速度高，速度梯度大，毀傷元被拉長(zhǎng)，利于對(duì)鎢桿和鋼靶的侵徹，但由于作用時(shí)毀傷元容易斷裂，且藥型罩利用率不高，因此在改變對(duì)鎢桿及鋼靶姿態(tài)時(shí)劣于前2種結(jié)構(gòu)。

5 試驗(yàn)

為了驗(yàn)證LEFP反擊戰(zhàn)斗部威力選取錐行、半球形等2種線性裝藥結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了2發(fā)靜爆試驗(yàn)。試驗(yàn)中所使用裝藥結(jié)構(gòu)尺寸與數(shù)值計(jì)算模型相同，裝藥采用B炸藥注藥工藝，裝藥密度1.67 g/cm；藥型罩采用紫銅板料壓制而成。靶板材料為45#均質(zhì)鋼與等效25 mm鎢桿。試驗(yàn)結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 錐罩LEFP切割鎢棒和靶塊實(shí)物圖Fig.7 The cone hood LEFP cuts tungsten rod and target block

圖8 半球罩 LEFP切割鎢棒和靶塊實(shí)物圖Fig.8 The hemisphere hood LEFP cut tungsten rod and target block

試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果(圖4、圖6)能夠相互印證，切孔尺寸基本相當(dāng)，可見數(shù)值模擬具有一定的可靠性。半球罩聚能裝藥對(duì)鋼靶及鎢桿的切孔形貌窄深，而錐形罩裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)鋼靶及鎢桿的切孔形貌寬淺，由此可知，錐形罩裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)炸高不敏感，作用面積較大，對(duì)靶板和鎢桿侵徹的寬度優(yōu)于半球罩聚能裝藥。

6 結(jié)論

1) 3種裝藥結(jié)構(gòu)均能形成對(duì)鎢桿進(jìn)行毀傷的LEFP毀傷元。錐形和亞半球形藥型罩形成的毀傷元速度差小，能夠在大炸高下對(duì)鎢桿進(jìn)行毀傷；半球形藥型罩形成的毀傷元頭部速度高，頭尾速度差大，容易斷裂。

2) 錐形罩裝藥結(jié)構(gòu)與亞半球裝藥，由于其母線長(zhǎng)度短、錐角度大、曲率半徑較小且藥型罩壁厚較厚，在爆轟產(chǎn)物的作用下擠壓、翻轉(zhuǎn)，形成的LEFP速度較低且速度梯度較小，不利于對(duì)鎢桿和鋼靶的侵徹，但藥型罩利用率高，對(duì)炸高不敏感，作用面積較大。

3) 半球形裝藥結(jié)構(gòu)形成的毀傷元速度高，速度梯度大，毀傷元被拉長(zhǎng)，利于對(duì)鎢桿和鋼靶的侵徹，由于作用時(shí)毀傷元容易斷裂，且藥型罩利用率不高，因此在改變對(duì)鎢桿及鋼靶姿態(tài)時(shí)劣于前2種結(jié)構(gòu)。