0 引言
当前不断提高的装甲防护技术,对聚能装药战斗部提出更高的破甲要求,而药型罩作为发挥毁伤效能的核心部件,其结构设计将极大影响破甲威力的发挥。
目前已有大量对组合药型罩结构的研究,张庆明等[1]提出了占据式、枣核型和环形汇聚3 种射流头部速度可能达到10 km/s以上的超高速发射方案。Fedorov[2]基于数值模拟分析变壁厚半球罩形成射流的有效质量与长度;Ladov等[3]对变壁厚半球圆筒、半椭球形、截球形组合药型罩形成射流的有效质量和速度开展研究;Svirsky等[4]研究表明对称性将明显地影响变壁厚半球药型罩;Selivanov等[5]表明半球圆筒组合药型罩可形成较高速度的侵彻体;Fedorov等[6]通过数值模拟得到可形成射流头部速度达16 km/s的铝半球圆筒组合药型罩。Han等[7]研究表明球缺截锥组合药型罩的可改善射流的形态并提高其破甲深度。赵鑫等[8]对圆筒半球药型罩开展研究,该结构可提升头部速度、有效长度和射流毁伤能力。在多种药型罩组合方式中,顾文彬等[9-10]提出较单锥结构母线更长的柱锥组合药型罩,在随后试验和数值模拟中发现其可提高射流头部速度增强射流破甲能力;朱铭颉等[11]发现柱锥组合罩的有利炸高约为1.6 倍装药直径,并且在低炸高情况下仍具有良好的破甲能力;张小静[12]研究发现圆筒结构可有效提高射流头部速度提升射流侵彻性能;王佩等[13]发现射流头部由圆筒部分经二次汇聚形成,因此其结构存在较大影响;吉元峰等[14]表明圆筒结构材料将造成聚能装药侵彻特性的差异;王一凡等[15-16]对柱锥组合药型罩形成射流过程中圆筒部分的尺寸效应及材料组合加以分析,表明合理的尺寸与材料可形成头部速度更高、侵彻能力更强的射流。安文同[17]通过数值模拟的方法对柱锥组合药型罩的罩顶结构进行改进,探究了其结构参数的影响。卢薇等[18]对通孔柱锥组合药型罩聚能装药中爆轰波的传播开展分析,得到爆轰波对射流速度梯度、长度的影响规律。
众多专家学者对组合药型罩聚能装药研究集中在组合结构、药型罩材料、尺寸效应等,而探究不同罩顶结构的柱锥组合药型罩对侵彻性能的影响却不多见,因此通过数值模拟对不同罩顶结构的组合药型罩的结构参数开展正交设计与极差分析,探索罩顶结构与圆筒结构最佳匹配参数提升其破甲威力,以期为相关理论研究及工程应用提供相关参考。
1 模型建立
1.1 物理模型
以56 mm基准破甲弹的单锥药型罩结构为基础,通过增加圆筒辅助药型罩结构得到4 种罩顶结构圆筒组合结构药型罩,药型罩结构如图1所示。其中,装药直径D0=56 mm;锥角2α=60°;壁厚δ=1 mm;圆筒辅助药型罩直径D1;圆筒辅助药型罩高度H1;罩顶结构分别为锥顶、平顶、外凸半球及内凹半球结构。
图1 药型罩结构
Fig.1 Liner structure
1.2 有限元模型
建立如图2所示有限元模型,为提高计算效率建立1/4轴对称模型。因空气、战斗部装药、药型罩材料均会产生较大形变而均采用Euler算法,其网格尺寸为0.8 mm×0.8 mm×0.8 mm;靶板则采用Lagrange算法以准确模拟靶板在侵彻过程中的形变,其网格尺寸为0.4 mm×0.4 mm×0.4 mm。聚能装药起爆方式为装药底部中心起爆,炸高为80 mm。
图2 有限元模型
Fig.2 Finite element model
1.3 材料模型
聚能装药战斗部的药型罩材料均为铜,其采用Johnson-Cook本构模型;装药选用B炸药,其采用JWL状态方程描述;靶板采用45钢,其采用Plastic-Kinematic本构模型描述。材料参数均来自文献[19],如表1—表3所示。
表1 靶板材料参数
Table 1 Materials parameter of target
材料ρ/(g·cm-3)E/GPaνσY/GPaEP/GPaβ45#steel7.832100.30.35510.01.0
表2 药型罩材料参数
Table 2 Materials parameter of liner
材料ρ/(g·cm-3)G/GPaA/MPaB/MPanCmCopper8.960.46902920.310.0251.09
表3 B炸药材料参数
Table 3 Materials parameter of COMP B
材料ρ/(g·cm-3)PCJ/GPaD/(m·s-1)ACOMP B1.71729.57 9805.242 3MaterialBR1R2ωCOMP B0.076 784.21.10.34
1.4 有限元模型验证
根据文献[20]中56 mm聚能装药战斗部对45钢靶的侵彻试验,建立相同的有限元模型。对本文的材料参数及网格尺寸加以验证,通过对比数值模拟结果与试验结果可知二者侵彻深度相对误差约2.4%,因此能够在一定程度上验证材料及网格尺寸的有效性。数值模拟结果如图3及表4所示。
表4 数值模拟结果与试验结果对比
Table 4 Results of experiment and simulation
类型静破甲试验/mm数值模拟/mm误差/%侵彻深度182.0186.52.4
图3 数值模拟结果
Fig.3 Results of numerical simulation
图4 水平参数对头部速度的影响
Fig.4 Effect of level parameters on tip velocity
2 结果与分析
2.1 方案设计
对于本文的聚能装药而言,按照常规设计方法需要计算的工况较多,因此为提升计算效率采用正交优化设计,罩顶结构、圆筒部分直径、圆筒部分高度及装药高度对侵彻体的形成及毁伤威力有着较大影响,因此选用以上因素作为正交优化设计中的因素与水平。为区分辅助药型罩的罩顶结构分别表示为锥顶结构(A)、平顶结构(B)、外凸半球(C)及内凹半球(D),由此得到L16正交设计的因素水平表5及正交设计表6。
表5 聚能装药因素水平
Table 5 Factor and level of shaped charge
罩顶类型高度/CD直径/CD装药高度/CDA0.100.201.0B0.150.251.2C0.200.301.4D0.250.351.6
表6 正交设计表
Table 6 Orthogonal table
编号罩顶类型高度/CD直径/CD装药高度/CD1A0.100.201.22A0.150.251.33A0.200.301.44A0.250.351.55B0.100.251.46B0.150.201.57B0.200.351.28B0.250.301.39C0.100.301.510C0.150.351.411C0.200.201.312C0.250.251.213D0.100.351.314D0.150.301.215D0.200.251.516D0.250.201.4
2.2 结构参数对侵彻体的影响
组合药型罩在逐步形成侵彻体的过程中不断伸长,在达到炸高80 mm时其形态较为良好且头部速度不再有较大幅度变化,已经具备良好的侵彻能力。通过对比不同聚能装药结构形成侵彻体的头部速度和侵彻深度,可以看出聚能装药结构参数变化所带来的影响,数值模拟结果如表7所示。
表7 数值模拟计算结果
Table 7 Results of numerical simulation
编号速度/(m·s-1)深度/mm编号速度/(m·s-1)深度/mm17 106186.297 231204.827 903193.7107 510196.637 997205.3117 079187.548 296206.3127 163190.356 456195.5134 510102.267 183204.5145 807146.276 805186.8156 573175.287 612202.3167 296180.3
通过对聚能侵彻体头部速度及侵彻深度进行分析,Kv1、Kv2、Kv3、Kv4分别为各水平所对应头部速度的平均值,Rv为同因素下不同水平对应头部速度的极差值,由此可以确定每个因素的重要程度,同理可得关于侵彻深度的极差KD1、KD2、KD3、KD4和RD其计算结果如表8所示。
表8 多指标极差分析计算结果
Table 8 Results of multi-index range analysis
侵彻体速度罩顶类型高度直径装药高度Kv17 825.56 325.87 166.06 720.3Kv27 014.07 100.87 023.86 776.0Kv37 245.87 113.57 161.87 314.8Kv46 046.57 591.86 780.37 320.8Rv1 779.01 266.0385.8600.5侵彻深度罩顶类型高度直径装药高度KD1197.9172.2189.6177.4KD2197.3185.2188.7171.4KD3194.8188.7189.6194.4KD4151.0194.8173.0197.7RD46.922.616.726.2
根据多指标极差分析计算结果可知,对侵彻体头部速度的影响程度由大到小依次为:罩顶结构类型、圆筒部分高度、装药高度和圆筒部分直径。而对于侵彻深度的影响程度由大到小依次为:罩顶结构类型、装药高度、圆筒部分高度和圆筒部分直径。可以看出,圆筒部分的高度对侵彻体头部速度贡献明显,而装药高度对侵彻深度贡献明显。如图5所示头部速度随各因素的变化趋势。
图5 水平参数对侵彻深度的影响
Fig.5 Effect of level parameters on depth penetration
结合图中信息可知各因素的水平参数对头部速度的影响,采用锥顶结构(A)时药型罩形成的侵彻体速度最高;增加圆筒部分高度有利于提升侵彻体速度;减小圆筒部分直径时同样有利于提升侵彻体速度;装药高度增加时侵彻体速度随之增加,但在1.4 CD后侵彻体速度将趋于稳定。而对于侵彻深度而言,内凹半球罩顶结构(D)会造成侵彻深度的大幅降低;增加圆筒部分高度有利于提升侵彻深度;减小圆筒部分直径有利于提升侵彻深度;装药高度在1.5 CD时聚能装药有最佳的侵彻深度。根据以上分析,不难看出侵彻速度与侵彻深度受到结构参数的影响大致相同,罩顶结构对侵彻体速度的影响更加明显,而对侵彻深度的贡献不大;增加圆筒部分高度均有利于提升侵彻体速度与增加侵彻深度;圆筒部分直径在0.20 CD和0.30 CD时侵彻体速度与侵彻性能最佳;装药高度的增加对侵彻深度的贡献高于对侵彻体速度。圆筒部分高度和装药高度的影响基本呈线性关系,而圆筒部分的直径会对罩顶结构产生一定影响,因此着重关注圆筒部分直径和罩顶结构所带来的影响。
综合考量不同结构参数对侵彻体速度与侵彻深度的贡献,因此圆筒部分高度选用0.25 CD,装药高度为1.5 倍;罩顶结构则选用侵彻深度相差较小的锥顶、平顶和外凸半球结构;圆筒部分直径则选用0.20 CD和0.30 CD。最终得到组合药型罩聚能装药结构参数如表9所示。
表9 聚能装药结构参数
Table 9 Structure parameters of Shaped charge
编号罩顶类型高度/CD直径/CD装药高度/CDA1AA2AB1BB2BC1CC2C0.250.200.300.200.300.200.301.5
2.3 组合药型罩侵彻性能
根据表9中的结构参数,开展数值模拟探究选取各因素较优水平参数的组合药型罩聚能装药的侵彻威力,模型与前文保持相同,计算结果如图6所示。
图6 各结构聚能装药侵彻深度
Fig.6 Multi-structure shaped charge penetration depth
由图6中的数值模拟结果,可以发现优化后的6组聚能装药的结构较单锥罩聚能装药的侵彻深度均有提升,其中方案B2的侵彻深度212.4 mm,较单锥结构聚能装药的侵彻深度提升13.9%。
通过2种锥顶结构聚能装药方案,不难发现在圆筒直径为0.2 CD时,锥顶结构(A)的组合药型罩聚能装药的侵彻深度提升较小,但在圆筒直径为0.30 CD时侵彻深度较高,达到210.7 mm相较单锥聚能装药提高了13.0%;通过2种平顶结构聚能装药方案,可以发现不同圆筒部分直径的平顶结构(B)组合药型罩均有较高侵彻深度,在圆筒部分直径为0.20 CD时侵彻深度提高9.9%,而在圆筒部分直径为0.30 CD时侵彻深度提升13.9%;通过2种外凸半球罩顶(C)结构聚能装药方案,可以发现采用外凸半球罩顶的组合药型罩聚能装药的侵彻深度较为稳定,在圆筒部分直径为0.20 CD时侵彻深度提高9.7%,而在圆筒部分直径为0.20 CD时侵彻深度提高10.7%。并且随着圆筒部分直径的变化,可以发现锥顶结构(A)受到的影响最为明显,在2种直径下侵彻深度相差21.1 mm;其次为平顶结构(B),2种直径下侵彻深度相差 7.4 mm;影响最为不明显的为外凸半球罩顶结构(C),2种直径下侵彻深度相差1.8 mm。
综合而言,通过对比相同圆筒结构参数下不同罩顶结构的数值模拟结果,锥顶结构(A)最易受圆筒部分结构参数的影响而造成侵彻深度的变化;平顶结构(B)的组合药型罩聚能装药均有良好的侵彻性能,且受圆筒部分结构参数的影响较小;外凸半球罩顶结构(C)则在不同圆筒部分结构参数下侵彻深度变化幅值最小,其所受影响明显低于前2 种结构。
3 结论
1) 对侵彻体头部速度影响的权重依次为罩顶结构、圆筒部分高度、装药高度和圆筒部分直径;对侵彻性能影响的权重依次为罩顶结构、装药高度、圆筒部分高度和圆筒部分直径。
2) 平顶结构(B)的组合药型罩聚能装药具有最优的侵彻性能;外凸半球罩顶结构(C)侵彻性能较为优秀且受圆筒部分结构参数的影响较小;锥顶结构(A)侵彻性能受结构参数影响明显;内凹半球罩顶结构(D)侵彻深度下降明显,但其扩孔能力有所增强。
3) 聚能装药的侵彻性能受到药型罩加工工艺、装配精度的共同影响;在数值模拟的研究工作基础上,可进一步探索药型罩成型工艺、装配工艺,以期为此类组合聚能装药的工程应用提供更可靠的技术支持。
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