0 引言
传统金属聚能毁伤元依靠动能侵彻进入装甲目标内部,存在较大的杀伤死角,对人员和技术装备毁伤能力有限。将活性材料作为药型罩,在装药爆轰作用下形成含能侵彻体,不仅能靠动能侵彻目标,还能在侵彻靶板和靶后发生化学反应,释放化学能,提高综合毁伤能力[1-4]。然而,李延等[5]和陈亮等[6]通过脉冲X光拍摄侵彻体成型的实验发现,Al/PTFE(铝/聚四氟乙烯)和锆基非晶合金等活性材料单层药型罩在成型过程中受脱体波、提前反应和破碎粒子间相互碰撞等因素的影响,导致侵彻体的凝聚性和有效质量大幅度下降,极大的影响了侵彻体的后效毁伤效果。为了减小Al/PTFE活性材料在炸药爆轰驱动下提前反应和侵彻体飞散等问题,门建兵等[7]、王树有等[8]、Zheng Yuanfeng等[9]受到金属壳体包覆反应材料形成具有高密度和高安定性的复合反应破片启发,提出了一种具有新型结构的包覆式爆炸成型复合侵彻体(wrapping explosively formed compound penetrator,WEFCP),将烧结的后活性材料置于药型罩前部,在炸药驱动下药型罩向前压拢动态包覆活性材料,获得内核为活性材料的复合侵彻体。这种包覆式复合侵彻体不仅可以减少Al/PTFE在炸药爆轰驱动下提前反应,还能减少侵彻体的径向飞散,提高侵彻体的凝聚性,这有利于提高穿靶后活性材料的质量,继而提升复合侵彻体后效毁伤能力。Richard fong[10]、S Nicoilch[11]和刘亚昆等[12-13]通过优化WEFCP的药型罩结构,得到可以形成前驱金属射流和药型罩包覆的活性材料分段式侵彻体,其前驱射流利用动能开孔,减小活性材料的损耗,后段活性侵彻体随进到目标内部被激活并释放能量,可以增强对目标后效毁伤效果。上述研究的包覆式复合侵彻体受限于Al/PTFE密度小和敏感度高等特点,均采用金属药型罩向前压拢包覆Al/PTFE活性材料,这种向前压拢包覆的成型方式,限制了活性材料的尺寸及质量,同时成型的包覆式复合侵彻体气动外型较差,极易在飞行过程发生拉伸断裂现象,影响了侵彻及后效毁伤性能的提高。
基于上述背景,为了在增强活性侵彻体的后效毁伤能力的基础上提高包覆式复合侵彻体的飞行稳定性,采用敏感度较低的锆合金作为活性药型罩材料,设计了一种利用向后翻转成型的包覆式复合侵彻体聚能装药结构。运用LSDYNA有限元软件模拟了向后翻转成型的包覆式复合侵彻体的成型过程及侵彻靶板效果,分析了药型罩结构参数对包覆式复合侵彻体成型的影响。
1 结构设计及仿真模型
1.1 装药结构设计
目前存在双层药型罩向后翻转内层药型罩无法被完全包覆[14]及向前压拢包覆式侵彻体头部飞行断裂的问题,为了实现紫铜药型罩对内层活性材料的完全包覆及侵彻体飞行过程稳定不断裂,设计了一种嵌入式的包覆式聚能装药结构,将次口径活性材料内罩镶嵌进紫铜药型罩内侧,在炸药爆轰驱动下,紫铜药型罩向后翻转包覆活性材料内罩,形成包覆式复合侵彻体。包覆式聚能装药结构由活性材料药型罩(以下称活性罩)和紫铜药型罩组成,活性罩镶嵌进紫铜药型罩内,2种药型罩均采用变壁厚球缺形药型罩,其几何结构如图1所示。其中:活性罩直径D1,外曲率半径R3,内外药型罩罩顶壁厚比为η=b2/b1(罩顶壁厚比=活性罩罩顶厚度/紫铜罩罩顶厚度)。装药直径D=105 mm,装药长度L=70 mm,药型罩内曲率半径R1=121 mm,药型罩内曲率半径R1=130 mm,药型罩罩顶总厚度5 mm。
图1 聚能装药几何结构示意图
Fig.1 Schematic diagram of the geometry of the shaped charge
1.2 数值模型
采用TRUEGRID软件建立有限元模型,计算网格均采用Solid 64八节点六面体单元,如图2所示。装药、药型罩、战斗部壳体均采用LAGRANGE算法各物质之间采用面-面接触算法。采用LAGRANGE算法可以模拟双层药型罩之间的相对运动,反映双层药型罩动态分离的现象。为了提高靶后活性材料的质量,内层药型罩活性材料采用锆合金。外层药型罩材料采用紫铜,战斗部壳体材料采用45#钢。紫铜、锆合金及45#钢均采用JOHNSON-COOK本构模型和GRUNEISEN状态方程,主要参数见表1、表2[15]。装药为8701炸药,选用HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型及JWL状态方程进行描述,主要参数如表3所示[16],装药起爆方式采用中心点起爆。
表1 锆合金及45#钢材料参数
Table 1 Material parameters of zirconium alloy and 45# steel
材料ρ/(g·cm-3)A/GPaB/GPanCm锆合金6.730.4930.7730.5390.0781.0545#钢7.830.7920.5100.260.0141.03
表2 带有失效的紫铜JOHNSON-COOK材料模型
Table 2 Copper JOHNSON-COOK material model with failure
ρ/(g·cm-3)G/GPaA/GPaB/GPanC8.9347.70.090.2920.310.025mD1D2D3D4D51.090.544.89-3.030.0141.12
表3 8701炸药参数
Table 3 8701 explosives parameters
ρ/(g·cm-3)A/GPaB/GPaR1R2ωD/(m·s-1)1.72255.86.94.11.40.48 425
图2 聚能装药有限元仿真模型
Fig.2 Finite element simulation model of shaped charge
2 包覆式复合侵彻体的成型过程
装药顶端中心点起爆后,产生的爆轰波由底部向前传播,如图3所示。
图3 包覆式复合侵彻体成型过程
Fig.3 Forming process of coated composite penetrator
在18 μs时爆轰波传播到药型罩,开始驱动药型罩逐渐向前加速;在30 μs药型罩在向前加速的同时,由于药型罩顶端加速较早、边缘加速较晚,边缘逐渐向后翻转并向轴向收缩;在40 μs时内外药型罩从头开始逐渐分离;在100 μs时EFP已经成型,活性药型罩已经被紫铜外罩包覆,但侵彻体尾部尚未闭合。在100 μs后,EFP因头尾之间有速度差,长度逐渐被拉长,直径逐渐减小。最终在300 μs时,EFP尾部完全闭合,形成包覆式复合侵彻体。得到的包覆式复合侵彻体头尾具有合理的头尾速度差,被包覆的活性材料具有稳定的速度,且不与外层紫铜药型罩发生碰撞,减小了侵彻体飞行过程中活性材料的损耗。
3 包覆式复合侵彻体成型的影响因素
药型罩结构形状对侵彻体的成型影响很大[17],而药型罩结构形状由外曲率半径、活性罩直径和罩顶厚度比等参数决定。因此,为实现上述图1聚能装药结构形成包覆式侵彻体,并获得优化的药型罩结构参数,开展对不同活性罩直径、外曲率半径和罩顶厚度比包覆式侵彻体成型的数值模拟,研究上述参数对包覆式侵彻体的影响。
3.1 活性罩直径对包覆式复合侵彻体成型的影响
为研究活性药型罩直径对包覆式复合侵彻体成型的影响,选取优化后的结构参数,外曲率半径为1.15D、中曲率半径1.24D和药型罩厚度比为2/3,对不同直径D1复合侵彻体成型过程进行数值仿真,其仿真结果如表4、图4所示。
表4 活性药型罩直径对复合侵彻体的影响
Table 4 Effect of the diameter of the reactive liner on composite penetrator
活性罩直 径侵彻体状态头部速度/(m·s-1)长度/cm直径/cm0.76D1 9425.284.490.81D1 8804.954.600.86D1 8759.214.540.90D1 8838.804.800.95D1 90110.685.37
图4 复合侵彻体头部速度和头尾速度差与活性罩直径的关系
Fig.4 The relationship between the diameter of the reactive liner and the tip velocity and the head to tail velocity difference of the composite penetrator
由表4可知,活性罩直径小于0.81D时,复合侵彻体尾部未闭合,外层侵彻体在中间位置产生断裂现象,直径为0.76D时复合侵彻体分离成2段。活性罩直径在0.86D～0.90D时,复合侵彻体尾部闭合,紫铜药型罩实现对活性罩的约束和包覆,复合侵彻体成型状态较好;活性罩直径大于0.95D时,复合侵彻体尾部出现拉伸失效未能闭合,未能实现对活性侵彻体的包覆。
结合图4分析,活性罩直径过小,紫铜药型罩边缘质量增大,在炸药爆轰的加载下,药型罩边缘加速较慢,头尾速度差增大,在侵彻体中部过度拉伸出现断裂现象;活性罩直径过大,紫铜药型罩边缘厚度过小,在炸药加载过程中不能实现对活性罩的有效约束,活性侵彻体在成型过程逐渐脱离外层侵彻体,导致外层侵彻体不能实现对活性侵彻体的包覆。
当活性罩直径为0.90D时,活性侵彻体处于外层侵彻体的尾部,活性侵彻体与外层侵彻体尾部产生碰撞,不利于活性侵彻体的稳定。当活性罩直径为0.86D时,活性侵彻体位于外层侵彻体的中部,且未与外层侵彻体接触,有利于活性侵彻体的稳定,有利于后效毁伤能力的提高。综上可知,在上述选择的活性罩直径中,活性药型罩直径为0.86D,包覆式活性侵彻体成型效果最好。
3.2 外曲率半径对包覆式复合侵彻体成型的影响
为研究外曲率半径对包覆式复合侵彻成型的影响,基于3.1中分析,选择活性罩直径为0.86D,其它参数不变,对不同外曲率半径R3的包覆式侵彻体的成型过程进行数值仿真,其仿真结果如表5、图5所示。
表5 外曲率半径对包覆式复合侵彻体的影响
Table 5 Effect of the outer radius of curvature on composite penetrator
外曲率半径侵彻体状态头部速度/(m·s-1)长度/cm直径/cm1.09D1 82011.63.761.11D1 81010.74.121.15D1 8759.214.541.19D1 9268.465.181.24D1 9935.686.36
图5 复合侵彻体头部速度和头尾速度差与外曲率半径的关系
Fig.5 The relationship between the outer radius of curvature and the tip velocity and the head to tail velocity difference of the composite penetrator
由表5可知,随着外曲率半径的增加,活性侵彻体均为脱离出外层侵彻体,复合侵彻体的长径比逐渐减小,由细长逐渐变得短粗,这个规律与论文[18]中的仿真及实验结果相吻合。当外曲率半径小于1.15D时,复合侵彻体尾部闭合,活性侵彻体处于外层侵彻体中间位置;当外曲率半径为1.09D时,活性侵彻体与外层紫铜侵彻体发生碰撞,外层紫铜侵彻体中部过度拉伸;当外曲率半径大于1.19D时,复合侵彻体尾部呈扩张状态未闭合。根据图5发现,随着药型罩外曲率半径的增加,复合侵彻体的头部速度不断增加,头尾速度差呈先减小后基本保持不变。
结合表5和图5分析,随着外曲率半径的增加,药型罩顶部厚度不变,药型罩边缘厚度增加,复合侵彻体速度梯度增加,复合侵彻体拉伸加快,使复合侵彻长径比增加。当外曲率半径过大,复合侵彻体速度梯度小,使得侵彻体尾部未能完成向径向收缩闭合。
综上所述,当外曲率半径在1.11D～1.15D时,包覆式复合侵彻体成型状态较好。当外曲率半径为1.15D时,包覆式复合侵彻体具有更高的头部速度、更小的头尾速度差和更大的直径,这有利于复合侵彻体飞行稳定性和侵彻能力的提高。因此,外曲率半径选定为1.15D较好。
3.3 罩顶厚度比对包覆式复合侵彻体成型的影响
为研究活性罩和紫铜外罩罩顶厚度比对包覆式复合侵彻体成型的影响,根据3.2确定中曲率半径R3=1.24D,保持药型罩罩顶总厚度为5 mm不变,对不同罩顶壁厚比的复合侵彻体成型过程进行仿真,仿真结果如表6、图6所示。
表6 罩顶壁厚比对包覆式复合侵彻体的影响
Table 6 Effect of the tip wall thickness ratio on composite penetrator
厚度比侵彻体状态头部速度/(m·s-1)长度/cm直径/cm2/51 8739.235.011/21 8709.194.722/31 8759.214.544/51 8809.94.631/11 9816.524.703/22 1036.855.34
图6 复合侵彻体头部速度和头尾速度差与罩顶壁厚比的关系
Fig.6 The relationship between the tip wall thickness ratio and the tip velocity and the head to tail velocity difference of the composite penetrator
由表6可知,当厚度比小于4/5时,复合侵彻体尾部收缩闭合,具有较好的成型状态;当厚度比小于1/2时,活性侵彻体与外层紫铜侵彻体之间有碰撞现象发生;当厚度比大于2/5时,复合侵彻体在紫铜药型罩阶梯处出现拉伸断裂现象,活性侵彻体未在外层侵彻体包覆范围内。厚度比过小,紫铜药型罩罩顶厚度增加,紫铜药型罩罩顶内侧微元加速较慢,阻碍了活性侵彻体向前加速,活性侵彻体速度过小,与尾部收缩的外层侵彻体发生碰撞。厚度比过大,紫铜药型罩阶梯处厚度差异较大,紫铜药型罩边缘部分加速较阶梯内部更慢,复合侵彻体速度梯度过大,导致复合侵彻体出现断裂现象。
综合表6和图6分析,当厚度比在1/2～4/5时,复合侵彻体尾部收缩闭合,活性侵彻体没有发生碰撞,包覆成型状态较好。当厚度比为2/3时,复合侵彻体具有更小速度梯度和更大的直径,有利于飞行的稳定和毁伤能力的增强。因此,药型罩罩顶厚度比选用2/3较好。
4 毁伤效能分析
经上述包覆式复合侵彻体成型的分析,研究设计的复合侵彻体在一定结构参数下具有较好的包覆成型效果。为分析包覆式复合侵彻体毁伤效能,对活性罩直径为0.86D,外曲率半径为1.15D,壁厚比为2/3的包覆复合侵彻体在不同炸高(装药口径为CD)条件下进行侵彻钢靶的数值模拟。侵彻靶板仿真建模如图7所示,前靶为200 mm×200 mm×30 mm厚的45#钢靶,靶后30 cm处设置200 mm×200 mm×6 mm厚的Q235钢靶作为后效靶板。
图7 侵彻靶板仿真建模
Fig.7 Simulation modeling of penetrating targets
计算复合侵彻体侵彻靶板时,紫铜和靶板均采用LAGRANGE算法,锆合金采用SPH算法以更好模拟脆性材料在侵彻靶板大变形时的破碎飞散现象。Q235钢选用PLASTIC_KINEMATIC材料模型[19],密度为7.8 g/cm3,弹性模量为210 GPa,泊松比为0.3,屈服极限为235 MPa,硬化模量为2.1 GPa,有效塑性应变为0.8。不同炸高复合侵彻体侵彻靶板仿真计算结果如图8、图9所示。
图8 侵彻45#钢靶仿真计算结果
Fig.8 Simulation results of penetrating 45# steel target
图9 后效靶侵彻效果
Fig.9 Penetration effects of after-effect targets
根据图8的仿真结果可知,复合侵彻体在不同炸高条件下均可以贯穿30 mm厚45#钢靶,随着炸高的增加,复合侵彻体侵彻开孔直径逐渐减小,在炸高大于4倍装药口径后开孔直径不再增加,侵彻-出孔直径基本不变。随着炸高的增加,复合侵彻体尾部不断收缩,侵彻体直径减小,导致开孔直径逐渐增加,在炸高为4倍装药口径时,复合侵彻体尾部收缩完成,侵彻体尺寸基本保持不变,开孔直径不在减小。根据图9可知,在不同炸高条件下复合侵彻体均可贯穿后效靶,随着炸高的增加,后效靶板的毁伤面积先增加后基本保持不变。
5 结论
为增强聚能装药对目标的后效毁伤效应,设计了一种包覆式复合侵彻体装药结构,运用LSDYNA有限元软件对包覆式复合侵彻体的成型及侵彻靶板过程进行模拟,分析了活性罩直径、外曲率半径和罩顶厚度比对包覆式复合侵彻体成型的影响,主要结论如下:
1) 提出一种将活性材料锆合金嵌入球缺形紫铜药型罩内侧的聚能装药结构,实现了紫铜药型罩向后翻转包覆活性材料形成包覆式含能侵彻体。
2) 活性罩直径、外曲率半径和药型罩厚度比对包覆式复合侵彻体成型有决定性影响。当活性罩直径D1取值为0.86D,外曲率半径R3取值为1.15D,壁厚比取值为2/3时,向后翻转包覆式含能侵彻体成型效果较好。包覆式复合侵彻体能在较长时间内保持侵彻体完成和飞行稳定。
3) 分析了包覆式复合侵彻体在不同炸高条件下侵彻靶板的效果,随着炸高的增加,后效靶板的毁伤面积先增加后基本保持不变,包覆式复合侵彻体能穿透30 mm厚45#钢靶,并且能在后效靶板上留下贯穿孔洞。
[1] 丁建,朱顺官,陈顺禄,等.后效毁伤增强聚能战斗部设计与试[J].兵器装备工程学报,2023,44(11):29-37.DING Jian,ZHU Shunguan,CHEN Shunlu,et al.Design and experiment of after effect damage enhanced shaped charge warhead[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2023,44(11):29-37.
[2] WANG H,GUO H,GENG B,et al.Application of PTFE/Al reactive materials for double-layered liner shaped charge[J].Materials,2019,12(17).
[3] GUO H,ZHENG Y,YU Q,et al.Penetration behavior of reactive liner shaped charge jet impacting thick steel plates[J].International Journal of Impact Engineering,2018.
[4] 陈京生,李清,陈彦,等.含能药型罩及其标准化的研究进展[J].兵器装备工程学报,2022,43(9):128-135.CHEN Jingsheng,LI Qing,CHEN Yan,et al.Research progress of energetic liner and its standardization[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2022,43(9):128-135.
[5] 李延,王伟,张雷雷,等.聚四氟乙烯基药型罩射流成型凝聚性研究[J].兵工学报,2019,40(12):2433-2439.LI Yan,WANG Wei,ZHANG Leilei,et al.Research on jet coherency of PTFE-based energetic liner[J].Acta Armamentarii,2019,40(12):2433-2439.
[6] 陈亮,祖旭东,黄正祥,等.Zr基非晶合金药型罩射流的成型研究[J].弹道学报,2022,34(1):65-71.CHEN Liang,ZU Xudong,HUANG Zhengxiang,et al.Study on jet forming of Zr-based amorpnous alloy line[J].Journal of Ballistics,2022,34(1):65-71.
[7] 门建兵,蒋建伟,帅俊锋,等.复合反应破片爆炸成型与毁伤实验研究[J].北京理工大学学报,2010,30(10):1143-1146.MEN Jianbing,JIANG Jianwei,SHUAI Junfeng,et al.Experimental research on formation and terminal effect of explosively formed compound reactive fragments[J].Transactions of Beijing Institute of Technology,2010,30(10):1143-1146.
[8] 王树有,门建兵,蒋建伟.包覆式爆炸成型复合侵彻体成型规律研究[J].高压物理学报,2013,27(1):40-44.WANG Shuyou,MEN Jianbing,JIANG Jianwei.Research on formation process of wrapping explosively formed compound penetrator[J].Chinese Journal of High Pressure Physics,2013,27(1):40-44.
[9] ZHENG Y,BIE H,WANG S,et al.Formation behaviors of coated reactive explosively formed projectile[J].Materials,2022,15(24):8886.
[10] RICHARD FONG.Precursor-follow through explosively formed penetrator assembly[P].US.Patent 6308634B1,2001.
[11] NICOLICH S.Reactive material enhanced lethality EFP[C]//The 42nd Annual Armament Systems:Gun and Missile Systems Conference and Exhibition.Charlotte,USA,2007.
[12] 刘亚昆,吴国东,王志军,等.一种包覆式复合侵彻体的仿真研究[J].弹箭与制导学报,2018,38(1):19-22.LIU Yakun,WU Guodong,WANG Zhijun,et al.Simulation of a coated composite penetrator[J].Journal of Projectiles,Rockets,Missiles and Guidance,2018,38(1):19-22.
[13] 张雪朋,刘亚昆,伊建亚,等.复合装药包覆式活性侵彻体成型及侵彻研究[J].兵器装备工程学报,2021,42(7):1-5.ZHANG Xuepeng,LIU Yakun,YI Jianya,et al.Study on formation and penetration of the wrapped reactive projectile formed by double layer shaped charge[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2021,42(7):1-5.
[14] 王维占,李小军,雷文星,等.包覆式双层EFP成型数值模拟[J].弹箭与制导学报,2018,38(6):103-108.WANG Weizhan,LI Xiaojun,LEI Wenxing,et al.Numerical simulation of double-layer cladding EFP molding process,Journal of Projectiles,Rockets,Missiles and Guidance,2018,38(6):103-108.
[15] JOHNSON R,WILLIAM H.Fracture characteristics of three metals subjected to various strains,strain rates,temperatures and pressures[J].Engineering Fracture Mechanics,1985.
[16] 周滔,杨宝良,易荣成,等.端面MEFP成型及威力性能的数值模拟研究[J].兵器装备工程学报,2023,44(5):89-99.ZHOU Tao,YANG Baoliang,YI Rongcheng,et al.Numerical simulation on forming and power performance of end face MEFP[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2023,44(5):89-99.
[17] 黄正祥.聚能装药理论与实践[M].北京:北京理工大学出版社,2014.HUANG Zhengxiang.Theory and practice of shaped charge[M].Beijing:Beijing institute of techno;ogy press,2014.
[18] 龙源,毛振兴,刘健峰,等.曲率半径对双层药型罩EFP战斗部成形及侵彻的影响[J].爆破器材,2016,45(3):5-10.LONG Yuan,MAO Zhenxing,LIU Jianfeng,et al.Influence of curvature radius on the formation and penetration of explosively formed penetrator warhead of the double layer liner[J].Explosive Materials,2016,45(3):5-10.
[19] 谢若泽,钟卫洲,黄西成,等.包装组合结构跌落冲击的模型实验与数值模拟[C]//第十届全国冲击动力写学术会议论文集,陕西:西安,2013.XIE Ruoze,ZHONG Weizhou,HUANG Xicheng,et al.Model experiments and numerical simulations of the drop impact of packaging composite structures[C]//Proceedings of the 10th National Conference on Writing Academic Dynamics.Xi’an,2013.