0 引言
火箭弹、反坦克导弹和中大口径榴弹均采用聚能装药结构。随着目标装甲防护能力的增强和大量新型装甲出现,迫切的需要优化杆式聚能射流的性能,优化方式包括改进材料及结构两方面,而装药结构的优化是提升杆式聚能射流侵彻性能最有效的方法之一。夹层装药技术是爆轰波波形控制技术之一,其原理是通过不同爆速的炸药内外搭配实现对爆轰波形的调节。
针对改善聚能装药结构来优化杆式射流侵彻性能,国外学者进行了大量的研究[1-4],Funston等[5]研究了杆式聚能射流的成型及侵彻性能。李福金等[6]研究了夹层装药爆轰波波形传播过程及对射流的影响;Han等[7]研究了复合药型罩双层壳体单一装药结构的射流成型及侵彻性能;徐全振[8]学者对夹层装药单层壳体的装药结构的杆式射流进行了数值模拟;Zhang[9]对双层聚能装药射流的形成与穿透进行了研究;王维占等[10]进行了周向约束对杆式射流成型影响的研究,较为详细的阐述了合理匹配壳体材料和衬套高度及壁厚,可有效地提高射流侵彻威力;崔云航等[11]对线型聚能装药结构进行了数值模拟及优化设计;Chen等[12]研究了刚性边界约束下聚能杆式射流的成形规律,发现在有刚性约束条件下,射流性能明显提高;Ge等[13]采用理论、数值模拟和实验相结合的方法对截锥形聚能药型罩的结构进行了优化设计;步相东[14-15]设计了一种T式装药结构聚能战斗部,对T式波形调整器的作用过程进行了爆轰波形控制技术的理论分析和原理描述,以80 mm聚能射流装药为应用背景进行夹层装药作用过程的数值模拟计算;此外,Liu[16-17]对夹层聚能装药作用机理以及在破甲、聚能毁伤方面的应用进行了相关研究,结果均表明夹层聚能装药比单一聚能装药更有优势,能使射流头部速度显著提高;徐梦林等[18]针对现代战场复杂多样的军事目标,提出一种具有多种毁伤模式的新型聚能装药战斗部,根据目标类别可选择以最佳方式进行毁伤;李玉品等[19]利用数值模拟研究了夹层聚能装药结构下爆轰波的传播特点,分析了大锥角、球缺与弧锥结合3种典型药型罩形状下单层装药与夹层聚能装药2种结构产生的爆轰波波形以及压垮驱动过程和侵彻过程。现有研究主要集中在通过改善药形罩形状及装药种类方面提升聚能装药结构侵彻效果,对于含有约束壳体夹层装药结构下聚能杆式射流成型及侵彻能力的研究报道较少。
本文中基于一定的装药结构,通过增加约束壳体及装药类型,设计出新型夹层聚能装药结构,优化了射流成型过程,改善了成型射流对靶板的侵彻威力,同时文中利用数值模拟研究了4种装药结构下杆式射流的成型特性,通过侵彻装甲钢靶板,分析新型装药结构在射流成型及破甲威力方面的优势。
1 模型建立
1.1 装药结构设计
根据张先锋[20]对不同爆速炸药匹配关系的夹层聚能装药的射流参数计算分析,外高内低的夹层聚能装药能够形成较为明显的超压爆轰,对爆轰波波形调整效果更好,故基于外高内低的夹层聚能装药进行本次装药结构设计。新型夹层聚能装药结构如图1所示,本仿真采用锥形药型罩,锥角为80°,外层壳体与约束壳体厚度均为2 mm,其中药型罩厚度为2.5 mm,装药口径为80 mm,内层装药厚度为60 mm,外层装药轴向径向厚度均为8 mm,整个结构高度为110 mm,采用中心起爆方式,通过控制装药种类以及内层约束壳体的有无,来观察不同结构下杆式射流的成型过程以及对装甲钢靶板的侵彻性能。
图1 新型聚能装药结构图
Fig.1 Structure diagram of new shaped charge
1.2 有限元模型及材料参数
本文中采用非线性动力学仿真软件AUTODYN-2D 建立仿真模型,如图2所示。
图2 有限元模型
Fig.2 Finite element model
炸药、药型罩、靶板都采用Euler算法以适应其在爆轰过程中大变形的特点,Euler域设定Flow-out边界,网格尺寸为0.5 mm×0.5 mm。药型罩材料为高导无氧铜,状态方程为Linear,强度模型为Johnson-cook,靶板材料为装甲钢(RHA),壳体、装甲钢模型参数主要来自Autodyn材料库中内置的参数,模型具体参数如表1所示。
表1 药型罩、壳体及靶板材料参数
Table 1 Material parameters of drug type cover, shell and target plate
材料参数ρ/(kg·m-3)G/GPaσY/GPaγCU-OFHC8.9347.70.122.02AL-20242.78528.00.32RHA(靶板)7.8664.11.51.67
炸药选取HMX作为外层高爆速炸药,采用JWL状态方程,其密度为1.891 g,状态方程如下:
(1)
该模型通过状态方程式来描述炸药爆轰产物的压力。
式(1)中: P表示爆轰物压力,V表示相对体积,E表示单位质量的炸药内能,其余参数均为材料常数。
选取TNT作为内层低爆速炸药,采用Lee-Traver状态方程,其密度为1.63 g/cm3,主要参数如表2所示。为了对比所设计新结构的优势,设计了不同装药结构进行仿真。文中炸药冲击起爆模型参数来自文献[21-22]及AUTODYN中内置的参数。
表2 炸药模型及主要参数
Table 2 Explosive model and main parameters
材料参数状态方程ρ/(kg·m-3)DCJ/(m·s-1)PCJ/GPaTNTLee-Traver1.636 93021HMXJWL1.8919 11042
2 爆轰波及射流成型模拟及分析
2.1 方案设计
为了研究所设计的新型装药结构在杆式射流成型方面的优势,根据内部有束壳体及是否夹层装药,设计3种聚能装药的方案,并与单一聚能装药结构进行对比研究,具体方案如表3所示。
2.2 爆轰波传播过程
采用中心起爆方式起爆装药,外层装药厚度为8 mm,远大于爆轰波正常传播时装药的临界直径。3种对比装药结构及新型夹层装药结构的爆轰波传播过程如图3所示。
表3 聚能装药结构方案
Table 3 Shaped charge structure scheme
方案有无约束壳体内层装药外层装药单一装药无TNT1有TNT2无TNTHMX3有TNTHMX
图3 不同装药方案爆轰波传播过程
Fig.3 Detonation wave propagation process of different charge schemes
由图3可以看出,对比单一装药爆轰波传播过程,方案1仅在单一TNT装药中加上一层约束壳体就对爆轰波形有较为明显的改善,方案2、3由于内外层炸药的爆速差异明显,有利于夹层装药爆轰过程中爆轰波形的调整,并使内层装药形成超压爆轰。图3(a)爆轰波始终以球面波的形式进行传播,由A处看出传至药形罩时仍与药形罩有较大的夹角;同时,由图3(b)B处可以看出爆轰波在到达药型罩之前内层装药爆轰波始终领先于外层,而由图3(c)(d)可以看出,在爆轰波到达药型罩之前,内层炸药的爆轰波先是领先于外层炸药,后被外层炸药的爆轰波追上并反超,而方案3中新型聚能装药结构由于存在约束壳体,阻止了内层炸药中的稀疏波进入外层炸药,从而使外层炸药的爆轰波传播比方案2更快,形成了与药型罩外形更为匹配的爆轰波形,有效提高了炸药对药型罩的做功。
2.3 杆式射流(JPC)成型及参数分析
在80 μs时,4种方案下的聚能装药结构的JPC成型结果如图4所示,并根据数据绘制了该时刻JPC速度分布曲线图,如图5所示(横轴为距离起爆点位置,曲线上标记为对应射流上的位置及速度)。
图4 4种方案JPC成型形态
Fig.4 Four schemes of JPC forming
由图4可以看出,加有约束壳体的单一装药结构(方案1)的JPC长度明显要比单一装药结构有所提高,同时,方案1中还形成了杠铃型杵体。而相比于单一装药,方案3、4夹层装药结构所形成的JPC有非常明显的形态变化,更为细长均匀。新型夹层聚能装药结构(方案3)相较于其他3种装药方案所形成的JPC最为细长,并且可以看到新结构所形成的JPC有明显的拉伸断裂现象,说明JPC头部速度较高,有利于后续侵彻装甲钢,同时也证明约束壳体可以使射流获得较高动能。而由图5中JPC速度分布曲线可以发现,3种聚能装药结构所形成的JPC速度沿轴向基本呈线性关系,说明速度梯度较为均匀。
图5 JPC速度分布曲线
Fig.5 JPC velocity distribution curve
JPC特性参数如表4,其中, Vh为射流头部速度(未断裂部分),Vt为射流尾部速度,L为JPC长度,Ek为射流动能。
由表4可知,新型夹层聚能装药结构(方案3)相比于单一装药、其他2种方案,射流头、尾部速度、射流长度及动能均有提升。相比于单一装药,射流头部速度提升了3 052.1,射流尾部速度提升了244.14,射流长度提升了206,动能提高了182.11 kJ;相对于有约束壳体的单一装药(方案1),射流头部速度提升了2 477.5,射流尾部速度提升了285.73,射流长度提升了164.5,动能提高了181.42 kJ;相比于无约束壳体的夹层装药结构(方案2),射流头部速度提升了174.1,射流尾部速度提升了101,射流长度提升了16,动能提高了163.73 kJ。
表4 射流成型模拟结果
Table 4 Jet forming simulation results
方案Vh/(m·s-1)Vt/(m·s-1)L/mmEk/kJ单一装药3 621.0867.86157.5291.9614 195.6826.27199.0292.6526 499.01 011.0347.5310.3436 673.11 112.0363.5474.07
通过上述数据的分析可以看出,新型夹层聚能装药结构比普通结构更具优势,所形成的JPC头部、尾部速度、射流长度、及动能都有显著提升,有利于破甲。
3 侵彻性能分析
分别对单一装药和方案1、2、3进行侵彻钢靶的数值模拟,以比较新型装药结构(方案3)形成JPC的侵彻性能。靶板为250 mm厚的装甲钢(RHA),侵彻起始时间为起爆后50 μs,约2倍炸高。普遍认为当射流速度低于2 000 m/s时,射流不再具有侵彻装甲钢的能力[23],故取JPC头部速度不大于2 000 m/s作为停止侵彻的标志。图6为侵彻结束后靶板的开孔结果,表5为开孔特征参数,其中为侵彻深度,为入孔直径,为孔底直径。
图6 侵彻装甲钢模拟
Fig.6 Penetration armor steel simulation
由图6可以看出,新型聚能装药结构在侵彻深度方面具有明显优势,整体来看,有约束壳体的装药结构比对应的无约束壳体的装药结构侵彻效果好;而外高内低夹层装药结构侵彻效果要比单一装药结构好。从开孔形状来看,4种装药方案所形成的开孔孔径变化均较为平稳; 有约束壳体的2种装药方案(方案1、方案3)入孔直径较大,并且到达一定侵深时形成了明显的缩口,有约束壳体的单一装药结构(方案1)形成了“漏斗”状孔型,新型结构(方案3)形成“葫芦”状孔型。根据表5的具体数据,新型聚能装药结构相比于方案2,侵彻深度方面增加了23 mm (约11.1%),孔底直径也稍有增加;而相对于2种单一装药结构基本各项侵彻参数均大幅增加,而相比于方案1开孔直径反而有所减少。
表5 对装甲钢的侵深和开孔结果
Table 5 The results of penetration depth and perforation of armor steel
方案开孔特征参数Dp/mmd1/mmd2/mm单一装药105.49.58.01119.027.010.02207.016.09.03230.525.09.1
4 结论
本文中利用Autodyn对新型夹层聚能装药结构下杆式聚能射流的成型和侵彻装甲钢性能进行了数值模拟,通过对不同装药结构及单一装药进行对比研究,得到如下结论:
1) 新型装药结构中的约束壳体在一定程度上能够抑制内层炸药稀疏波进入外层,使爆轰波波形与药型罩型状更加契合,提高了炸药对药型罩的做功能力。
2) 新型夹层聚能装药结构较单一装药及其他2种装药结构能够大幅度提高JPC的射流头部、尾部速度、射流长度及动能,相对于表现最好的普通夹层聚能装药而言,新型夹层聚能装药结构所形成的JPC头部速度提高了3%,射流尾部速度提高了10%,射流长度提升了4%,射流动能提高了53%。
3) 新型夹层聚能装药结构下形成的JPC对装甲钢的侵彻深度有显著提高,开孔的孔径虽不如带有约束壳体的单一装药方案,但在孔深方面有巨大优势。
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