0 引言
随着现代水雷的发展,其防护能力和引信系统得到了不断的完善。传统的爆破装药灭雷战斗部已经不能满足现有的灭雷需求。如果仍然采用爆破装药,就需要提高灭雷战斗部的装药量,会导致外形尺寸、整体质量以及成本的增加,势必对灭雷战斗部的机动性能、经济效能有很大的影响。而采用聚能装药战斗部是解决灭雷战斗部毁伤效能不足的有效手段[1-4]。
目前聚能装药战斗部对水中目标的毁伤,已是水下兵器战斗部研究的主要方向。陈冬梅等[5]利用 ANSYS/LS-DYNA软件建立聚能型鱼雷战斗部毁伤数值模拟,给出了其在水介质中的运动规律和破甲毁伤效果。李明星等[6]采用Autodyn软件研究了鱼雷在水下发生接触与非接触爆炸时对靶板穿孔孔径的影响,以及不同聚能装药在考虑水下压力时的爆炸成形运动特性。步相东等[7]通过数值仿真模拟探究了自锻弹丸在水中的速度变化及外形变化规律,发现弹丸在水中长距离运动会导致其头部变粗,不利于侵彻靶板。廖莎莎等[8]运用实验方法对比研究了2种不同金属材料药型罩所形成的射流在水中的侵彻特性。王海福等[9]通过研究药型罩形状对聚能装药水下作用行为,确定偏心亚半球形铜罩壁厚为1.8 mm时,侵彻体水下穿甲能力最优。王玉等[10]对比分析了球缺罩聚能装药战斗部对水下单层潜艇靶板试验和数值模拟结果,射流头部速度数值模拟计算与试验误差在15%以内。吴成等[11]对材料为钨铜合金的射流在空气和水中对钢板的侵彻深度进行了数值模拟,得出了在空气中和水中侵彻存在一个最合适炸高。王雅君等[12]开展了 EFP 水中飞行及侵彻特性研究,发现EFP 入水后头部变形破碎,质量急剧下降,水中极限侵彻距离为5倍装药直径。曹兵[13]发现水下战斗部在水中爆炸形成的 EFP 对水下目标靶的破坏威力更大。王长利等[14]开展了防雷舱结构在聚能装药水下爆炸作用下的毁伤研究,药型罩采用了变壁厚紫铜材料;王长利等[15]还发现聚能装药在水下爆炸形成的聚能侵彻体在与水的作用过程中,会形成弹前激波,并且该激波使得冲击波强度增强。以上研究表明,空气、水等介质对聚能装药战斗部的成型形态、运动速度、侵彻性能影响较大。因此,在研究聚能装药侵彻水下目标时,还应考虑空气和水介质联合作用的影响。
本文中以球缺型爆炸成型弹丸(explosively formed projectile,EFP)为研究对象,采用ANSYE/LS-DYNA 软件对不同介质中EFP形成与侵彻进行了数值模拟。重点探讨不同长度的空气和水介质对球缺型EFP成型形态及侵彻性能的影响。以期提高聚能战斗部对水中目标的毁伤效能,为其在水中兵器的应用提供思路与方法。
1 数值计算模型和参数
1.1 几何模型
球缺型EFP聚能装药结构如图1所示,主装药为压装JH-2 炸药,装药直径为12 cm,装药高度为12 cm,长径比为1。药型罩采用了中间厚、边缘薄的变壁厚球缺形结构,材料为紫铜;厚度由罩顶厚确定,壁厚梯度由内、外曲面半径确定,罩顶厚度为0.35 cm,内曲面半径为11 cm,外曲面半径为10 cm。
图1 球缺型EFP聚能装药结构
Fig.1 Structure of spherical EFP shaped charge
1.2 数值模型
球缺型EFP聚能装药数值模型由炸药、药型罩、空气、水、靶板等5部分构成(见图2),其中炸药、药型罩、空气和靶板分别置于水中,水长度为150 cm。EFP侵彻靶板的总炸高由EFP穿过的空气炸高L和水介质长度H组成。靶板采用厚度为3 cm的45号钢板。考虑到模型的对称性和计算量,在ANSYS/LS-DYNA 软件中建立二维轴对称数值模型。其中,药型罩、炸药、空气、水采用 ALE 算法,靶板采用 Lagrange 算法,药型罩、炸药、空气、水和靶板之间的相互作用采用流固耦合算法。在模型上对称面上设置了对称约束,对空气域外围边界施加透射边界条件。起爆点位于主装药上端面中心处,计算采用cm-g-μs单位制。本文中设计17种试验工况(如表1所示),D为装药直径。
表1 试验工况
Table 1 Test conditions
工况介质1L/cm介质2H/cm介质3厚度1空气无限2水无限3-5空气1D、2D、3D水无限6-17空气1D、2D、3D水0D、1D、2D、3D钢3 cm
图2 球缺型EFP水下侵彻靶板的1/2数值模型
Fig.2 1/2 Numerical model of spherical EFP underwater penetrating target plate
1.3 材料本构模型
炸药采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN 材料模型和*EOS_JWL 状态方程描述,其材料参数如表2所示[16]。空气和水均采用*MAT_NULL 材料模型及 *EOS_GRUNEISEN 状态方程描述,其材料参数如表3所示[17]。紫铜和45钢采用*MAT_JOHNSON_COOK 模型和 *EOS_GRUNEISEN 状态方程描述,具体材料参数如表4所示[18-19]。
表2 炸药材料参数
Table 2 Material parameters of JH-2 explosive
材料ρ /(g·cm-3)A/GPaB/GPaR1R2ωE0/GPaJH-21.756.46.8014.11.30.3610
表3 空气、水材料参数
Table 3 Air and water material parameters
材料ρ /(g·cm-3)C/(cm·μs-1) S1S2S3ωV0空气1.25×10-30.034 41.40水1.020.164 72.561.9861.230.51
表4 金属材料参数
Table 4 Metal material parameters
材料ρ /(g·cm-3)A/MPaB/MPancmTm/KTr/K紫铜8.96902920.310.0251.091 35629345钢7.805073200.280.0641.061795300状态参数c/(cm·μs-1)S1S2S3Γ0A紫铜0.3941.49002.020.4745钢0.456 91.49002.170.46
1.4 模型校核
为验证上述材料参数的可靠性,采用ANSYS/LS-DYNA建立与φ12 cm球缺型EFP聚能装药数值模型结构相似的φ6.5 cm聚能装药数值模型,采取与X光试验[20]结果对比进行模型验证的方法。如图3和表5所示,数值仿真得到的EFP形态与试验X光照片进行对比,最大误差为1.35%。由此可见,数值模拟仿真算法和材料参数合理,仿真结果可信。
表5 仿真结果与X光试验结果对比
Table 5 Comparison of simulation results with X-ray test results
参数V/(m·s-1)l/mmd1/mmd2/mml/d2X光试验[20]2 59649.5110.8015.543.19数值仿真2 58749.6810.9215.753.15Δ/%0.35 0.341.111.351.12
图3 仿真结果与X光试验结果对比
Fig.3 Comparison of simulation results with X-ray test results
2 EFP空中成型特性分析
为了验证空气介质对 EFP聚能装药成型的影响,建立工况1- EFP聚能装药在空气中的数值模型。EFP成型过程如图4所示,聚能装药起爆后,药型罩顶部首先受到爆轰产物作用,罩顶部先于罩边缘向前运动,罩顶部逐渐形成EFP头部;由于顶部微元的轴向速度高于边缘微元的轴向速度,罩顶部不断向前拉伸,罩边缘运动相对滞后;罩边缘逐渐向轴向中心方向压合,形成EFP尾翼;随着速度梯度持续存在,药型罩在压合过程中逐渐向后翻转。药型罩在轴向拉伸和径向压缩作用下,在t=90μs时形成了中心密实、带有尾翼完全成型的EFP弹丸。
图4 EFP成型过程(t=30,60,90,180 μs)
Fig.4 EFP forming process (t=30,60,90,180 μs )
图5和图6中, F代表EFP空气中的行程,V1为EFP头部速度,V2为EFP尾部速度,V3为头尾速度差,l为EFP长度,d为EFP中部最大直径,l/d代表EFP长径比。
图5 EFP空气中成型速度
Fig.5 EFP forming velocity
图6 EFP空气中成型参数
Fig.6 EFP forming parameters in air
由图5可看出,EFP最大的头部速度达到了3 161 m/s,随着EFP行程的增加,EFP头部速度快速下降,尾部速度逐渐增加,头尾速度差逐渐减小,侵彻体趋于稳定。从图6可以看出,当EFP行程达到30 cm时,侵彻体的长度和直径变化不大,趋于定值,长径比为2.89的定值。可见本文中设计的球缺型EFP装药在30～75 cm行程范围内均能获得稳定、连续的EFP 侵彻体。数值模拟研究表明:EFP随着空气中行程增大,EFP头部速度、头尾速度差减小;EFP尾部速度和长径比逐渐增大,以上变化趋势随炸高增大逐渐减小并最后趋于稳定。
3 EFP水中成型特性分析
为了验证水介质对 EFP聚能装药成型的影响,建立工况2-EFP聚能装药的水中数值模型(前端不预留空气段)。由于水的密度约为空气密度的1 000倍,水的可压缩性通常只有空气的 1/3 000到1/2 000,一般可看作是不可压缩的。相同条件下水中冲击波的衰减速度要比空气中冲击波慢得多。从图7可以看出,炸药在水中爆炸后在推动药型罩顶部微元的轴向运动时,在t=60 μs时EFP聚能装药罩顶部先于罩边缘向前运动形成翻边,同时药型罩在向前运动时,药型罩顶部受到了水介质反向的阻力,同时侧面受到了水对爆炸冲击波的反向压力,导致药型罩顶部微元的轴向速度与边缘微元的轴向速度基本相当。从表6可知,EFP水中最大头部速度为1 165 m/s和尾部最大速度为1 169 m/s,速度差为-4 m/s。随着侵彻深度的增加,速度差逐渐趋近于0,药型罩长度和直径基本无变化,长径比也基本无变化。数值模拟研究表明:EFP装药在水中爆炸时随着侵彻深度的增加,由于罩顶部微元和边缘微元速度差逐渐趋近于0,药型罩的长径比基本无变化,使得EFP聚能装药在水中无法翻边或压合成EFP弹丸。
表6 EFP水中特征参数
Table 6 EFP water characteristic parameters
t/μsH/cml/cmd/cml/dV1/(m·s-1)V2/(m·s-1)V3/(m·s-1)301.850.3210.640.031 165.01 169.0-4605.540.3210.640.031 013.01 011.02907.980.3211.160.03896.0900.0-412010.600.3211.260.03863.9863.70.215013.010.4311.500.04735.2734.40.818015.080.4311.260.04661.9661.30.621017.050.3211.260.03603.5603.40.124018.800.3211.260.03556.6556.7-0.127020.330.4311.260.04501.1501.1030021.860.3211.260.03476.5476.50
图7 EFP水中成型形态
Fig.7 EFP water forming morphology
4 EFP在空气+水介质中成型特性分析
4.1 EFP在不同空气长度中成型后入水形态
为了研究水介质对EFP成型后入水形态的影响。考虑到EFP头部速度与尾部速度差值越小时,EFP的运动状态最稳定。建立了工况3—工况5下EFP在1D、2D、3D空气长度中成型后入水数值模型。
EFP药型罩在爆轰产物作用下,其罩微元之间会产生相对的塑性流动,从而引起药型罩外形的连续变化,相对于自身各部分进行的“自锻”变形,从而使得药型罩变形成具有一定形体特征的EFP。从图8和图4可以看出,当空气炸高为1倍装药直径时,EFP侵彻体到达空气和水介质接合面时间(54 μs)远远小于EFP空中成型时间(90 μs),此时的爆轰波已将药型罩中心部分压垮,并沿罩母线长度使整个药型罩翻转过来,形成一个前缘凸起的具有集中质量的团块状EFP,其头尾速度梯度为711 m/s。从空气进入水中的过程中,EFP的速度梯度呈现先增加后减小的变化,到t=80 μs时,EFP完全进入水中,速度梯度下降至-7 m/s。由于水介质不可压缩,EFP头部遇到水受阻后,极短时间内药型罩中间微元的速度迅速下降。由于在极短的时间内还存在速度梯度,使得药型罩中间微元持续被拉伸,而由于药型罩两侧微元径向速度已经极小,不在被压垮或压合,从而将EFP自锻成前端带尖桩的102°的大锥头型EFP弹丸,如图9(a)所示。
图8 EFP空气中成型入水形态演化过程
Fig.8 Evolution process of EFP forming into water in air
图9 EFP水中成型形态
Fig.9 EFP water forming morphology
EFP空气中成型后入水时,由于前端冲击波到达水面的时间要早于EFP到达水面的时间,冲击波入水时会在空气与水交界面处会形成的水面激波,并且激波以较快的速度向四周传播,伴随着一系列的水面波动,当水面波动无法及时传开时会堆积形成激波锥。从图8可以看到,当空气炸高为2倍装药直径时,EFP聚能装药在空气中基本成型EFP弹丸,在完全入水时EFP弹丸长径比为2.07,如图9(b)所示。在90μs时EFP侵彻体头部向前运动过程中受到了水面激波反向的作用,在EFP侵彻体头部形成了反向激波穴,随着侵彻深度的加大,水面激波对EFP头部的影响也来越大;150 μs时后尾部速度超过了头部速度,水的阻力导致侵彻体头部向后产生了翻边;180μs时随着尾部速度不断增大,药型罩头部被反向拉深,中间厚度不断压薄,直至尾端断裂成为高速碎片流;240 μs时在尾部速度和水介质阻力的联合作用下将EFP侵彻体自锻成中空的桶形EFP。
从图8可以看到,当空气炸高为3倍装药直径时,EFP聚能装药在空气中完型为2.89长径比的大球头型EFP弹丸,在完全入水时长径比下降至为1.65,如图9(c)所示。EFP在3倍装药直径空气长度中成型与在2倍装药直径空气长度中成型的入水形态相似。由于3倍装药直径空气长度中成型状态较为稳定,克服水的阻力翻边成中空的桶形EFP的过程,比在2倍装药直径空气长度中成型要长。
由于EFP聚能装药在不同空气长度中成型后入水时的形态各异。按照EFP完全入水时的形态,可以将在1倍、2倍、3倍空气长度中成型的EFP分为大锥头型EFP、小球头型EFP、大球头型EFP,如图9所示。
图10给出了EFP在3倍装药直径空气长度中成型(大球头型EFP)后入水时,侵彻体头部在水面激波作用下快速变形的过程。在120 μs时水面已经产生了激波锥,并且其顶端已经与EFP弹丸的头部进行接触(如图8所示),到126 μs激波锥已在EFP弹丸的头部形成了一个小的激波穴。随着EFP弹丸越来越接近水面,到140 μs时底部的激波穴快速扩大;到152 μs时EFP侵彻体头部在水的作用下已经向后产生了翻边,此时EFP尾部的速度已经超过了头部的速度;184 μs在EFP尾部高速前进和水介质阻力的联合作用下,将EFP自锻成长径比为1的球头型EFP。随着尾部速度不断增大,药型罩头部被反向拉深,不断压扁EFP弹丸的长度,直至尾端断裂成为高速碎片流,在320 μs时EFP自锻成中空的桶形。
图10 EFP完全入水时瞬间形态变化过程
Fig.10 The instantaneous morphological change process of EFP when it completely enters the water
综上所述,空气介质长度对EFP聚能装药入水形体有直接影响。水介质对未成型EFP入水中后形态有自锻作用。未成型EFP在爆炸冲击和水介质的联合作用下可以自锻成长径比小于1的带尖桩大锥头型EFP弹丸,并且状态稳定。水介质对成型EFP入水中后形态有改变作用。成型EFP在爆炸冲击和水介质的联合作用下改变EFP整体形状,将其压缩成薄壁中空桶形EFP。
4.2 EFP在不同空气长度中成型后水中速度和质量
EFP的入水速度、入水形态对水中侵彻深度、侵彻时间影响较大。如图11所示,在1倍、2倍、3倍装药直径空气长度中成型的EFP都穿透 45 cm 水介质,且大锥头型EFP入水的头部速度3 137 m/s,均大于其他两者。在侵彻深度达到45 cm时,大锥头型EFP速度衰减率达到68.55%,小球头型EFP速度衰减率达到69.14%,球头型EFP速度衰减率达到80.98%。研究表明:1倍装药直径空气长度中成型大锥头型EFP入水的头部速度均大于后两者,且速度衰减率要低于后者。
图11 EFP头部速度随着水中侵彻深度变化曲线
Fig.11 Curve of EFP head velocity changing with penetration distance in water
EFP水中侵彻深度随着时间变化曲线如图12所示,t从点火开始计时,在t=380 μs时,大锥头型EFP穿透了46.68 cm水介质,穿透水层所用时间为326 μs,占总侵彻时间的85.70%;小球头型EFP穿透了45.98 cm水介质,穿透水层所用时间为296 μs,占总侵彻时间的77.89%;大球头型EFP穿透了43.23 cm水介质,穿透水层所用时间为250 μs,占总侵彻时间的65.78%。研究表明:同作用时间下在1倍装药直径空气长度中大锥头型EFP在水中侵彻深度要大于后两者。
图12 EFP水中侵彻深度随着时间变化曲线
Fig.12 Curve of EFP penetration depth changing with time in water
EFP侵彻体入水时头部速度高且水下阻力较大,使得头部受到的压力较高。如图13所示,在同等水深10 cm(A点)时,带尖桩的大锥头型EFP头部压力为1.97 GPa;小球头型EFP头部压力为 2.96 GPa;大球头型EFP头部压力为 2.85 GPa。分析表明:在水中同等侵彻深度1倍装药直径空气长度中大锥头型EFP头部受到的压力要低于后两者。
图13 在水中侵彻深度为10 cm时EFP头部压力曲线
Fig.13 EFP head pressure curve when the penetration depth in water is 10 cm
EFP入水后侵彻体的剩余质量直接影响其水中侵彻性能。EFP 侵入水介质后,受到惯性阻力、压差阻力、粘滞阻力等影响,发生明显磨损变形,使得EFP质量降低,直接影响到 EFP 的侵彻能力。图14给出了D/2的 EFP质量随着侵彻深度变化曲线。
图14 EFP水中不同侵彻深度下质量变化曲线
图14 The change curves of EFP mass at different penetration distanc in water
由图14可知,入水时不同空气介质长度中成型的EFP剩余质量也不同,大球头型EFP剩余质量要大于大锥头型EFP和小球头型EFP;随着水中侵彻深度的增加,EFP 剩余质量急剧减小,到侵彻深度H=12 cm(1倍装药直径),大球头型EFP剩余质量已经明显的小于后两者了;随着侵彻深度进一步增加,其剩余质量的减少情况逐渐变大。到侵彻深度H=36 cm(3倍装药直径)时,大球头型EFP剩余质量只占原始质量65%,而大锥头型EFP的剩余质量占原始质量73%。由此可见,当水中侵彻深度达到3倍装药时,大锥头型EFP的剩余质量是明显多于小球头型EFP和大球头型EFP,并且随着侵彻深度增加其质量的减小率要小于后两者。
综合分析可知,空气长度对EFP聚能装药入水速度、速度衰减率、侵彻深度、侵彻时间头部压力、侵彻体的质量均有影响。经过对比分析可以得出,1倍装药直径空气长度中成型的EFP入水后,其侵彻性能要优于2倍、3倍装药直径空气长度中成型的EFP。
4.3 EFP在不同空气长度中成型后水中侵彻性能分析及验证
EFP侵彻体对靶板的侵彻孔径,受到EFP的速度和形态的影响较大。建立工况6—工况17下EFP穿透不同长度空气和水介质后对靶板的数值模型。采用45钢、厚3 cm钢靶验证在1倍、2倍、3倍装药直径空气长度中成型后的EFP水中侵彻性能。由表7可知,大锥头型EFP在穿透3倍装药直径的水介质长度后头部速度为869 m/s,还能够击穿3 cm靶板;而小球头型和大球头型穿透2倍装药直径的水介质长度后,头部速度分别为753、580 m/s,未能击穿靶板。
表7 EFP侵彻靶板前后的速度
Table 7 Velocity of EFP before and after penetrating target plate
EFP介质1L/cm介质2H/cm靶前速度/(m·s-1) 靶后速度/(m·s-1)速度衰减/(m·s-1)衰减率/%大锥头型空气D水0D1 9251 25966634.601D1 5861 02755935.252D98863735135.533D86943243750.29小球头型空气2D水0D2 3771 63174631.381D1 48898050834.142D7530(未穿透)--3D----大球头型空气3D水0D2 5401 88665425.751D1 6021 00060237.582D5800(未穿透)--3D----
结合图15和图14分析可得,水下侵彻过程中EFP头部被反向拉深,长度不断压扁,尾端断裂成为高速碎片流;径向部分质量会被侵蚀而损失,仅中间部分对靶板起到侵彻作用。当中间部分面积过小、速度较低时,就不能击穿靶板了。从大锥头型和小球头型、大球头型的数值模拟结果可得出,长径比小于1的大锥头型水中形状为短粗体,侵彻时头尾速度差较小,使得速度梯度变化较小,EFP侵彻体的质量能够保持,具有较好的侵彻性;而长径比大于2的小球头型和球头型,由于长径比较大,头部、尾部存在较大的速度差,侵彻体变形严重被挤压成中空薄壁形态,使得侵彻过程中容易破裂,降低了侵彻能力。
图15 不同聚能侵彻体对靶板的穿孔效果
Fig.15 Perforation effect of different shaped charge penetrators on target plate
EFP侵彻靶板的开孔孔径如表8所示,长径比大于2的完全成型EFP,穿透1倍水介质长度后击穿3cm靶板,形成8.84 cm的开孔。长径比小于1的大锥头型EFP,穿透3倍水层厚度后击穿3 cm靶板,最大开孔为6.76 cm。根据灭雷布设位置的不同(水雷壳体与引信舱中存在20～30 cm的空腔),由此说明,长径比大于2的完全成型EFP适合贴近水雷进行毁伤;长径比小于1的大锥头型EFP适合从水雷头部、侧向以及尾端毁伤水雷。
表8 EFP侵彻靶板的开孔孔径
Table 8 Perforation aperture of EFP penetrating target plate
EFP介质1L/cm介质2H/cm入孔/cm 出孔/cm大锥头型空气1D水011.5810.72D5.907.762D7.248.023D6.766.14小球头型空气2D水06.125.62D7.666.542D--3D--大球头型空气3D水04.684.58D8.846.362D--3D--
综上所述,在不同长度空气和水介质影响下,变壁厚球缺型EFP仍具有穿透3 cm靶板的威力,能满足灭雷具不同作战工况下的毁伤效能要求,且空气长度为1倍装药直径时未成型EFP水中侵彻性能要优于2倍、3倍装药直径时成型的EFP。
5 结论
1) EFP聚能装药在水中直接爆炸时无法翻边或压合成EFP弹丸。为了得到完全成型EFP,需要在药型罩前端增加空腔,且空腔的长度对EFP聚能装药入水形体有直接影响。
2) 水介质改变了成型EFP的水中形态。随着水介质长度的增加,使得长径比大于2的完全成型EFP在水中的最终形态均为薄壁中空桶形,从而降低了成型EFP的侵彻性能。
3) 水介质对未成型EFP入水形态有自锻作用。使得未成型EFP在水中可以自锻成长径比小于1状态稳定的带尖桩大锥头型,使其水中侵彻性能相对优于长径比大于2成型EFP,相对提高EFP的水下侵彻性能。
4) 在不同长度的空气和水介质影响下变壁厚球缺型EFP仍具有穿透3 cm靶板的威力,能满足灭雷具不同作战工况下的毁伤效能要求。
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