0 引言
爆炸成型弹丸(explosively formed projectile,EFP)是聚能装药的一个分支,其以大炸高、后效作用大、侵彻孔径大且均匀为主要特点,多应用于末敏弹等远距离反装甲武器系统中,目前正在受到国际上广泛的关注和研究[2]。
国内[3-6]和国外[7-10]先后都对EFP的成型模型、成型机理等进行了仿真研究以及试验分析。郭志俊等[11]通过对现阶段破甲弹药型罩使用的材料的发展现状和趋势进行分析综述,对未来爆炸成形弹丸药型罩使用的材料和结构的发展做出了分析;贾万明等[12]通过对比新型铜、T2军用紫铜以及工业纯铜3种材料的药型罩的成型结果,发现新型铜较另外2种铜材料的抗拉断能力较强,有很好的发展潜力;张全孝等[13]通过对比普通钨铜粉制备的合金圆棒和超细铜钨复合粉制备的合金棒的锻造能力发现,普通铜钨粉制备的材料有更好的压力加工性能;李传增等[14]使用10#钢和紫铜材料EFP对50 mm均质装甲钢进行侵彻,发现10#钢EFP穿深能力小于紫铜EFP,但是扩孔能力较为显著;陈帅等[15]设计紫铜药型罩、等体积钼药型罩和等质量钼药型罩3种药型罩方案,对比发现钼EFP成型后动能更大,侵彻靶板孔径略大,侵彻深度小;贾梦晔等[16]通过列举现阶段药型罩使用到的结构和材料,对比分析其各自的优缺点,从中归纳了药型罩继续发展需要解决的难题,并总结了未来药型罩发展的方向。付恒等[17]以典型钨镍系合金为研究对象,通过爆炸加载成型及侵彻试验分析并验证了EFP高密度合金罩材的选取标准。
但是研究大多是针对传统的药型罩材料,其侵彻效果仍然拥有许多不足[16]。传统的EFP药型罩材料以纯金属为主,常用材料有工业纯铁(Fe)、无氧铜(Cu)和钽(Ta)3种,但以上3种金属材料的发展都已经进入了瓶颈期。因此,探寻新型具有高侵彻性能的药型罩材料,是EFP领域需要积极探索的重要课题。本文中研究开展了镍合金EFP成型过程的探究,对镍合金EFP的侵彻威力和侵彻后效进行了仿真分析,并开展了试验验证。
1 EFP成型过程及威力对比
1.1 有限元模型及材料参数
战斗部包含药型罩、装药和装药外壳3个部分,结构示意图如图1所示。通过TrueGrid软件采用1∶1结构建立EFP战斗部的三维有限元仿真模型,其仿真计算模型如图2所示。其中装药直径100 mm,装药高度60 mm,装药壳体厚度4.5 mm,药型罩厚度为,外曲率半径为R1,内曲率半径为R2。计算模型的网格是Solid164八节点六面体单元,药型罩、装药、壳体的网格尺寸分别为1.5、2、3 mm,装药结构各部分均使用Lagrange算法,各部分间均使用自动面-面接触。使用ANSYS/LS-DYNA有限元数值模拟软件对EFP的成型和侵彻过程进行数值模拟研究。
图1 战斗部结构示图
Fig.1 Structure diagram of warhead
图2 仿真计算模型
Fig.2 Simulation calculation model
仿真中,壳体材料为45#钢;装药起爆方式采用装药端面中心点起爆。装药使用8701炸药,材料模型为HIGH_EXPLOSIVE_BURN,状态方程为JWL[18],主要参数见表1。金属材料全部采用JOHNSON_COOK材料模型[18],状态方程为GRUNEISEN,主要参数见表2。
表1 8701炸药参数
Table 1 Parameters of 8701 explosive
ρ/(g·cm-3)ABR1R2ωD/(m·s-1)1.72255.86.94.11.40.48425
表2 金属材料参数
Table 2 Parameters of metal material
材料ρ/(g·cm-3)A/GPaB/GPaCnm紫铜8.960.090.2920.0250.311.09镍合金9.150.3811.340.06490.851.0745#钢7.830.790.510.0140.261.03
其中:A为屈服应力;B为应变硬化系数;n为应变硬化指数;C为应变率相关系数;m为温度相关系数。
1.2 典型成型模式
根据以往对紫铜药型罩EFP战斗部的研究可知,紫铜材料药型罩通常会采用球缺形结构,例如等壁厚球缺药型罩以及变壁厚球缺药型罩,变壁厚药型罩又包括顶薄边厚药型罩和顶厚边薄药型罩。药型罩在爆轰波的驱动下,发生宏观变形和位移,形成不同结构的EFP,结构差异是由于药型罩微元速度差异而产生的,相邻微元间会产生连续的有规律的速度变化,从而使EFP在整体上发生连续变形。从目前国内外研究成果看,球缺型药型罩的变形方式主要分为:向后翻转型和向前压拢型。
通过仿真计算可知,镍合金药型罩也可形成向后翻转型和向前压拢型2种不同成型方式下的EFP,成型过程见图3。
图3 镍合金药型罩EFP成型过程
Fig.3 EFP forming process of nickel alloy liner
由图3可知,向后翻转型EFP为带尾裙的杆型弹丸,该种弹丸气动性较好,可以远距离攻击目标;向前压拢型EFP为密实度较高的球形弹丸,但弹丸飞行稳定性较差。
1.3 成型方案侵彻威力对比
不同成型方式形成的EFP在结构、外形以及气动性能上有着不同的特点,为探究上文2种成型方式下形成的EFP各自的优劣势,现对2种EFP进行威力仿真。
现使用EFP侵彻足够厚的半无限装甲钢靶板,比较2种成型方式下镍合金EFP的最大侵彻深度、侵彻孔径和剩余质量。H代表靶板侵彻深度,D代表侵彻孔径,m1代表EFP初始质量,m2代表EFP剩余质量,Δm代表EFP在侵彻过程中的质量变化。侵彻结果如表3所示,侵彻结果图如图4所示。
表3 不同成型方式下EFP的成型及侵彻结果参数
Table 3 Parameter table of EFP forming and penetration results under different forming methods
参数成型方式向后翻转型向前压拢型H/mm99.16881.89D/mm40.6946.59m1/g261266m2/g160166Δm/g101100
图4 不同成型方式下EFP的侵彻结果图
Fig.4 Penetration results of EFP under different forming methods
由图表可知,向后翻转型的EFP侵彻深度较大,但对靶板的侵彻孔径较小,因此该EFP更适用于毁伤指标为侵彻深度的场景;而向前压拢型EFP侵彻深度较小,侵彻孔径较大,因此该EFP更易于满足毁伤指标为侵彻深度的场景。考虑现役装甲防护能力的提高,本文中主要侧重于EFP毁伤性能中的侵深威力研究,故选取侵深威力较大的向后翻转型镍合金EFP展开后续威力研究。
2 EFP侵彻威力分析
2.1 侵彻威力影响因素分析
2.1.1 药型罩曲率半径对EFP侵彻威力的影响
药型罩结构参数会对EFP的侵彻威力产生较大的影响,现通过改变药型罩的曲率半径以及药型罩壁厚,探究其对镍合金EFP威力的影响。
紫铜药型罩壁厚一般取装药直径的6%～7%[19],因镍合金硬度高于紫铜,故模拟仿真时药型罩壁厚为4 mm,壳体厚度为4.5 mm,战斗部其余部件均保持不变。外曲率半径R1分别取65、70、75、80、85 mm内曲率半径R2分别取60、65、70、75、80 mm。V代表EFP的成型速度,E代表EFP动能。药型罩曲率半径对EFP的成型及侵彻威力影响数据如表4所示。药型罩结构及侵彻结果如图5所示。不同曲率对侵彻深度和孔径影响曲线如图6所示。
表4 不同曲率下EFP成型及侵彻数据对比表
Table 4 Comparison table of EFP forming and penetration data under different curvatures
参数(R1/R2)/mm65/6070/6575/7080/7585/80m/g265261257252246V/(m·s-1)2058.62108.62162.22209.22256.3E/kJ56.158.260.462.263.2H/mm81.4285.4675.4657.2947.24D/mm53.0649.3754.2563.0873.28
图5 不同曲率下EFP成型及侵彻结果对比图
Fig.5 Comparison of EFP forming and penetration results under different curvatures
图6 不同曲率半径对侵彻深度和孔径影响曲线
Fig.6 The influence curve of different curvature radius on penetration depth and aperture
从结果可见,随着药型罩曲率半径的增大,EFP对靶板的侵彻深度先增大后减小,侵彻孔径先减小后增大。出现这种变化的原因可能是随着药型罩曲率半径的增大,有效装药质量增大,EFP的动能也随之增大,但药型罩曲率过大时,罩顶高度随之减小,能量汇聚效应减弱,轴向拉伸和径向拉伸作用减弱,EFP逐渐成型为空心弹丸,因此侵彻深度先增大后减小。而侵彻孔径则与之相反,因为随着药型罩曲率半径增大,形成的EFP密实度逐渐降低,EFP最大半径先减小后增大,因此对靶板的扩孔能力呈先减小后增大的变化趋势。
2.1.2 药型罩壁厚对EFP侵彻威力的影响
选取药型罩壁厚e分别为3.5、4、4.5、5、5.5 mm,药型罩的外曲率半径R1取70mm,内曲率半径R2取65 mm,其他参数不变。对比得到不同药型罩壁厚对镍合金药型罩侵彻能力的影响。药型罩壁厚对EFP的成型及侵彻威力影响数据如表5所示。药型罩结构及侵彻结果如图7所示。不同药型罩壁厚对侵彻深度和孔径影响曲线如图8所示。
表5 不同壁厚下EFP成型及侵彻数据对比表
Table 5 Comparison table of EFP forming and penetration data under different wall thickness
参数e/mm3.544.555.5m/g210264295328367V/(m·s-1)2580.32292.22108.61875.41721.3E/kJ64.260.858.254.251.4H/mm75.5185.4692.6663.8350.58D/mm47.4849.3753.0674.21106.37
图7 不同壁厚对侵彻深度、孔径变化曲线
Fig.7 Penetration depth and aperture variation curves of different wall thicknesses
图8 不同壁厚下EFP成型及侵彻结果对比图
Fig.8 Comparison of EFP forming and penetration results under different wall thicknesses
从仿真结果可知,随着药型罩壁厚的提高,EFP侵彻深度先增大后减小,弹孔直径随之逐渐增大。出现这种变化的原因为:当药型罩壁厚较小时,药型罩形成的EFP出现较严重的径缩,该种EFP的飞行稳定性较差,在侵彻目标靶板时较容易发生径缩断裂,导致出现分段侵彻现象,侵彻过程不连续,侵彻深度降低;而当药型罩壁厚较大时,药型罩形成的EFP因头部和尾部速度差过小而导致EFP的长径比过小,外形较差,且药型罩壁厚增大,EFP整体的速度也会降低,EFP的动能也随之降低,这种情况导致EFP的侵彻深度降低,因此侵彻深度呈先增大后减小的变化趋势。随着药型罩壁厚增大,成型的EFP长径比逐渐减小,因此靶板的侵彻孔径逐渐增大。
2.1.3 不同侵彻速度下的极限侵深
因为EFP作用时往往伴随着大炸高这一作用条件,在EFP飞行过程中,EFP速度会在一定程度上降低,因此该部分通过给镍合金EFP弹丸定义不同的侵彻速度侵彻足够厚的半无限装甲钢靶板,用不同侵彻速度下EFP的侵彻威力表征不同飞行距离时EFP的侵彻威力。通过对比不同侵彻速度下EFP弹丸的侵彻深度、侵彻孔径和剩余质量来分析其威力性能。V1代表EFP侵彻速度。
给予镍合金EFP的V1为1 400、1 600、1 800、2 000、2 200、2 400 m/s,分析6种工况下EFP的侵彻深度、侵彻孔径和剩余质量。侵彻结果见表6和图9。
表6 不同速度下EFP侵彻结果
Table 6 Penetration results of EFP at different velocities
参数V1/(m·s-1)140016001800200022002400H/mm86.6291.5295.1299.2694.4890.88d/mm47.0350.7353.2956.4359.7662.61m1/g261261261261261261m2/g223208179160141117Δm/g385382101120144侵彻结果
图9 不同侵彻速度下EFP的侵彻深度和孔径变化曲线
Fig.9 The penetration depth and aperture variation curves of EFP under different penetration velocities
图10 不同侵彻速度下后效靶质量变化曲线
Fig.10 The mass change curve of aftereffect target under different penetration velocities
图11 不同靶厚下后效靶质量变化曲线
Fig.11 Variation curves of post-acting target quality under different target thicknesses
由上述图表可知,随着侵彻速度的增大,镍合金EFP的侵彻深度呈先增大后减小的变化趋势,侵彻孔径则呈随之增大的变化趋势,当侵彻速度为2 000 m/s时,侵彻深度出现峰值。出现这一现象的原因为:由于速度过大,EFP侵蚀效应显著增强,EFP侵蚀逐渐成为主导因素,EFP急剧侵蚀导致动能损失加剧,由速度提高而增加的动能主要作用于横向开孔,并未能直接作用于纵向侵彻,故随着EFP侵彻速度的增大,对靶板的侵彻深度出现逆减。
2.2 EFP侵彻后效威力分析
该部分对镍合金EFP的侵彻后效进行分析。将被打击目标的防护装甲等效为一定厚度的装甲钢,目标内部有生力量以及电子器械等效为2 mm铝靶。通过改变EFP初始速度以及改变目标靶板厚度探究镍合金EFP的侵彻后效。
2.2.1 不同侵彻速度对EFP侵彻后效的影响
EFP侵彻速度对于目标的侵彻威力有很大的影响,速度过小会导致EFP侵彻目标的能量不足而无法完全穿透目标装甲。该部分将目标的防护装甲等效为60 mm厚的装甲钢,通过赋予镍合金EFP 1 400、1 600、1 800、2 000、2 200、2 400 m/s 6种不同的侵彻速度,观察在这些不同的侵彻速度下EFP对目标的侵彻结果以及对后效靶的破坏效果。镍合金EFP在不同侵彻速度下的侵彻结果见表7和表8。
表7 不同侵彻速度下EFP侵彻后效结果
Table 7 Penetration aftereffect results of EFP under different penetration velocities
侵彻速度/(m·s-1)时间/μs0150350650后效靶形态1400160018002000
续表(表7)
侵彻速度/(m·s-1)时间/μs0150350650后效靶形态22002400
表8 不同侵彻速度下后效靶质量变化
Table 8 The mass change of aftereffect target under different penetration velocities
参数侵彻速度/(m·s-1)140016001800200022002400侵彻前/g3039.5侵彻后/g3019.23017.23012.23006.32979.92973.3质量变化/g20.322.327.333.259.666.2
通过观察镍合金EFP侵彻的后效靶板可知,在不同侵彻速度下,镍合金EFP都可以对后效靶产生有效毁伤。随着侵彻速度的增大,EFP动能也随之增大,撞击目标靶板产生的应力更大,穿透靶板后产生的破片和崩落的塞块也随之增多。因此随着侵彻速度的增大,后效靶的质量更小,对后效靶的有效毁伤面积逐渐增大。
2.2.2 不同靶厚对EFP侵彻后效的影响
在EFP侵彻速度一定时,目标靶板厚度也会对EFP的侵彻结果产生一定的影响。靶板过厚,EFP可能无法穿透;如果可以穿透目标靶板,EFP的侵彻后效也一定会随着靶板厚度的增大产生变化。为了探究这种影响,该部分通过改变EFP侵彻靶板的厚度,使镍合金EFP以2 000 m/s的侵彻速度,分别侵彻20、40、60、80、100 mm的不同厚度的靶板,观察在这些不同的靶板厚度下,EFP对目标的侵彻结果以及对后效靶的破坏效果。镍合金EFP对不同厚度靶板的侵彻结果见表9、表10。
表9 不同靶厚下EFP侵彻后效结果
Table 9 Results of EFP penetration under different target thicknesses
靶厚/mm时间/μs0150350650后效靶形态20406080100
表10 不同侵彻速度下后效靶质量变化
Table 10 The mass change of aftereffect target under different penetration velocities
参数靶板厚度/mm20406080100侵彻前/g3039.5侵彻后/g2980.82990.13006.33012.63014.4质量变化/g58.749.436.226.925.1
由上述侵彻结果可知,随着目标靶板厚度的增大,镍合金EFP对目标靶板的侵彻孔径随之减小,穿透靶板后产生的破片数量随着靶板厚度的增大而逐渐减少,后效靶的质量变化随之减小,因此,认为镍合金EFP对后效靶的有效毁伤面积在逐渐减小。出现这种现象的原因是:随着靶板厚度的增加,EFP穿透靶板的行程增大,会有更多的EFP材料消耗在侵彻靶板的过程中,EFP的能量损失也增大,导致在靶后产生的塞块数量减少,且塞块的速度也随之降低。
3 试验验证
3.1 试验方案
结合仿真优化,试验采用100 mm聚能装药,进行镍合金EFP侵彻装甲钢靶板试验。镍合金药型罩的结构参数为:药型罩确定为球缺型药型罩,外球面曲率半径R2为70 mm,内曲率半径R1为65 mm,药型罩壁厚e=4.5 mm,壳体厚度4.5 mm,挡环高度1 mm,采用平面起爆,炸高选用60 mm。战斗部通过简易木质托架支撑,靶板垂直放置,厚度为80 mm,靶场布置示意图如图12所示。试验用聚能装药战斗部药型罩如图13。试验用战斗部如图14所示。
图12 靶场布置示意图
Fig.12 Shooting range layout diagram
图13 战斗部药型罩
Fig.13 Warhead liners
图14 试验用战斗部实物
Fig.14 Test warhead physical object
3.2 结果分析
将试验结果和数值模拟进行对比,试验共计2发,分别记为1#和2#。试验时进行了实弹X光拍照,获得了实弹EFP照片。将试验1#的X光照片以及试验结果和数值模拟仿真进行对比,分析试验结果和模拟仿真结果的相关参数,对比分析如图15、图16所示。2发试验和仿真结果的数据对比如表11所示。
表11 试验与仿真结果数据对比表
Table 11 Comparison of test and simulation results data
对比量试验结果1#2#仿真结果误差/%1#2#成型速度/(m·s-1)2086.52069.22228.36.797.69入孔/mm68.5166.3863.467.374.39出孔/mm53.6352.1750.346.133.51
图15 镍合金EFP外形对比(1#)
Fig.15 Shape comparison of nickel alloy EFP(1#)
图16 镍合金EFP侵彻孔径对比(1#)
Fig.16 Penetration aperture comparison of nickel alloy EFP(1#)
由上述对比可知,镍合金EFP的试验照片和仿真成型的EFP外形大致相同,试验和仿真均穿透了目标靶板,且两发试验结果和仿真结果的数据误差都在8%以内,这表明数值模拟计算结果可靠度较高。
4 结论
1) 研究通过开展镍合金EFP成型及威力性能数值仿真,验证了镍合金材料可用作EFP药型罩材料的可行性。通过调整药型罩结构参数,镍合金药型罩可形成向后翻转型和向前压拢型2种不同结构的EFP。并通过EFP成型及侵彻试验验证了向后翻转型镍合金EFP成型效果和侵彻威力,试验结果和仿真结果吻合度较高。
2) 针对半无限靶,随着药型罩曲率半径的增大,EFP对靶板的侵彻深度先增大后减小,侵彻孔径先减小后增大;随着药型罩壁厚的增加,对靶板的侵彻深度先增加后减小,孔径逐渐增大;随着侵彻速度的提升,对靶板侵彻深度先增大后减小,孔径逐渐增大。针对薄板,随着侵彻速度的提升,镍合金EFP对后效靶的有效毁伤面积在随之增大;而随着目标靶板厚度的增加,镍合金EFP对后效靶的有效毁伤面积在随之减小。
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