兵器装备工程学报

双模战斗部形成EFP和JPC毁伤元反向设计研究

分类:主编推荐 发布时间:2022-08-29 17:15 访问量:1669

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双模战斗部形成EFP和JPC毁伤元反向设计研究

陈 帅,李文彬,王晓鸣,姚文进

(南京理工大学, 南京 210094)

摘要:为了依据战场目标的防护参数快速逆向分析计算得到毁伤该目标的成型装药战斗部结构,开发成型装药理论计算软件,实现成型装药结构的快速和逆向设计,为仿真和实验研究提供理论分析工具。软件计算和试验结果表明:EFP侵深计算较试验结果误差为1.4%,JPC侵深计算较试验结果误差为4.9%,计算误差在指标允许误差范围内。

关键词:成型装药;反向设计;双模战斗部;理论模型;软件开发

1 引言

近年来国外积极地开展对多模战斗部的机理研究,美国等发达国家已形成从计算、试验到产品设计的整套完整的理论和方法[1]。国内学者如吴义锋[2]、谢文辉[3]等人,基于不同起爆方式,研究多模战斗部EFP和JPC转换过程;李伟兵[4]、徐光泽[5]采用数值仿真研究战斗部结构对多模毁伤元成型的影响规律。尽管目前战斗部的研究已比较成熟[6],但其工程设计繁冗、代价高;数值仿真软件设计建模复杂,求解效率低,初始工作存在盲目性[7]。针对这些问题,王庆等[8]基于商业软件开发战斗部自动化设计系统,周双玲等[9]基于Matlab开发威力场评估软件,均显著提高了战斗部的开发效率。

本文基于当前理论研究成果,应用Microsoft Visual Studio 2013和Qt5.4.0工具,开发了双模战斗部理论分析软件,实现对双模战斗部的理论分析、结构设计和毁伤效能预先评估。

2 理论模型

2.1 杆式射流成型与侵彻

针对杆式射流成型与侵彻问题,黄正祥[10]提出影响聚能杆式侵彻体的2个主要因素分别是压垮角β、压垮速度V0。PER理论药型罩上不同微元的压垮速度是不同的,其速度取决于药型罩的最初位置,贝尔曼和卡尔莱翁[11]对PER理论的射流形成模型进行了改进,拓展一般形状的药型罩PER模型,使得成型装药的射流模型更加完善,成为普遍应用于理论研究的基本模型。杆式射流成型后长度L(t)的计算公式为:

 

(1)

式(1)中: li(t)为药型罩微元被压垮后形成的杆流微元在t时刻的长度。

由于药型罩的加速度有限,药型罩部分区域的单元不能够达到最终的压垮速度,致使射流单元之间出现了干扰,质量堆积,形成了射流的头部[12],射流头部速度计算公式为:

 

(2)

式(2)中:dmj为射流微元质量;为射流的头部速度;xtip为形成堆积点位置。

此外,射流的侵彻能力受到断裂的影响较大,连续射流比断裂射流侵彻深,因而侵彻问题应充分考虑射流的连续性,侵彻深度P的计算公式为:

 

(3)

式(3)中,pi为药型罩i微元的侵彻深度。

2.2 EFP成型与侵彻

成型装药起爆后,爆轰过程被视为绝热过程,由能量守恒方法分析EFP成型过程,得到最终成型时EFP的速度为:

 

(4)

式(4)中:K1K2为修正系数;Ek为EFP最终成型时所具有的动能;M为药型罩质量。

通过单点起爆形成双模毁伤元的数值仿真分析,拟合得到EFP毁伤元直径及长径比的计算公式为:

 

(5)

式(5)中: H为罩顶高度;L为装药高度。

基于Christman和Gehring提出的恒速杆侵彻模型,长为l、直径为d的杆对半无限金属靶的侵彻深度公式为:

 

(6)

式(6)中:v为弹丸撞靶速度; ρp ρt分别为杆、靶材的密度;Bm为靶体的最大硬度。

3 软件设计

软件界面如图1(a)所示,功能组件区包含菜单栏和工具栏,内容承载区依据所要解决的具体问题加载不同的界面内容,状态栏显示设计状态。内容承载区根据功能划分为5个板块:主界面、数据录入、数据显示、数据分析、数据库。

软件通过运算产生大量数据,过程存为历史记录,结果存为本地数据库,本地数据库和云端数据库被动连接、可交互。如图1(b)所示,虚线表示人在回路。

 

图1 软件界面和结构示意图

Fig.1 Software framework

软件的算法流程如图2所示,首先,依据不同设计需求和设计基础选择合适的设计方式。如具备一定数据库基础,可通过数据库设计途径完成设计任务;对于起步项目可以通过参数化设计途径完成设计任务建立数据库;亦可选择射流、杆式射流和EFP求解模块,完成对成型装药的理论分析。

 

图 2 算法流程框图

Fig.2 Algorithm flowchart

参数化设计首先设定指标、录入必要的结构、材料、模拟场景参量,然后选择算法,展开运算。开始运算前,软件检测录入的数据,辅助设计者完善设计参数。然后对录入的参数进行分组,按照各结构参量的取值区间,分组运算。完成网格划分,调用软件求解器。软件在各个分组运算中产生一系列的数据包,对数据包开展数据分析,将满足设计指标的数据包保留为有效数据包,擦除无效数据包,将有效数据包临时存储在计算机内存中。完成计算后,弹出关于数据包信息的结果对话框,通过该对话框完成数据包的后续操作。

软件结构优化功能的本质是对有效数据包的重新筛选。在结构优化算法中,所有数据包的索引设计是有序的。进入结构优化后,首先将所有的有效数据包重新排列,按照优化准则,将现有的数据包重新处理,满足当前优化条件下数据包为新的有效数据包,擦除新的无效数据包。结构优化算法可以实现反复优化,直至有效数据包的数量减少至1,优化算法才会失效,最终经过优化的数据包为最终结果,可存储于数据库中,软件运行结束,所有的临时数据包将被清空。该设计逻辑的优越性在于尽管软件计算量大,产生的数据量多,但是该逻辑可以保证较高的计算速度。软件计算过程中大量数据包主要来源于参数设计。亦可通过设定参数,实现对特定装药结构的杆式射流、射流、EFP的形成与侵彻理论研究。

此外数据包是独立于参数化设计存在的,可导入到数据库,通过指令和数据库响应独立完成成型装药结构设计。但鉴于安全性需求,数据包应有限地存储几何数据,使得脱离软件的数据包失去工程意义。

数据库是软件的另一个核心。软件的数据库主要包含2个部分:本地数据库和云端数据库。云端数据库为共享数据库,其由客户端连接服务端获取,提高软件的应用价值。客户端亦可共享本地数据库,促进云端数据库的发展。

为了保证软件的可靠性和兼容性,对数据库架构做了如下限制:数据库仅包含锥形罩和球缺罩数据表,锥形罩数据表为dzj、球缺罩数据表为yhz,表中的各项键值如图3所示。数据库的动态输入响应接口主要包含数据库数据导入接口、数据库指令响应接口。数据库动态输出响应接口主要包含数据查询检索、动态更新、分析统计、显示输出、数据传输。

 

图3 数据库结构示意图

Fig.3 Database structure

4 软件应用

以实际算例来验证软件设计战斗部过程。设计口径110 mm成型装药,完成炸高13倍口径下JPC穿透250 mm均质#45钢靶板,炸高13倍口径下EFP穿透70 mm均质#45钢靶,并给出毁伤元的结构参数。

使用软件解决该问题。途径1:应用数据库,查询结构数据库中是否存在满足要求的方案;途径2:参数化设计,战斗部仅限制口径110 mm,并给出了期望指标,其他参量不做限制。通过以上分析,应用软件非定常理论设计球缺罩型双模战斗部算法。设定JPC侵彻深度为0.25 m,EFP侵彻深度0.07 m,极限误差暂定为0.1,JPC炸高设计为1.43 m,EFP炸高设定为1.43 m。靶板材料为#45钢,药型罩材料为紫铜,炸药采用B炸药,壳体采用#45钢。球缺罩结构设计的关键点在于药型罩的设计,假定采用隔板。参数设置如图4所示。

 

图4 参数输入界面

Fig.4 Parameter input

软件基于10%指标误差设定,得到36种结构方案,加载数据结果如图5所示。根据需求,软件可对设计方案多次优化。

 

图5 计算结果界面

Fig.5 Calculation results

5 试验与仿真分析

试验研究单点起爆所形成的双模毁伤元的侵彻性能,同时校验软件计算结果的准确度,选取上述算例计算结果中的编号21方案,在13倍口径炸高下形成的EFP、JPC毁伤元侵彻200 mm×140 mm圆柱钢靶,试验布置及各毁伤元的侵彻效果如图6所示。

 

图6 双模毁伤元在13倍口径炸高下侵彻效果图

Fig.6 Penetration effect of Dual-mode damage element under stand-off of 13 times the caliber

试验结果及软件计算结果如表1所示,其中D1l1n分别为目标靶上最大侵彻孔径、侵彻深度和开孔数。

通过图6中各毁伤元侵彻效果及表1中侵彻数据分析可知,编号21方案在指标误差10%内计算得到的EFP计算侵深,较试验平均侵深误差为1.4%,JPC计算侵深,较试验平均侵深误差为4.9%,计算误差在指标误差内,计算结果与实验吻合。误差的产生与理论计算误差相关,同时最佳方案的选择策略一定程度上影响着设计过程。以结构误差分析为例,假定成型装药结构加工误差为参数设定中各参量的变化区间,软件计算杆式射流侵深区间为228.4~245.7 mm,EFP为71.18~72.13 mm,而试验获得的杆式射流侵彻深度为251.32~265.62 mm,EFP侵彻深度为65.0~80.72 mm,计算和试验误差分别为7.5%~9.1%和9.5%~10.6%,计算结果与实验基本吻合。

通过以上试验可知,软件计算结果与实验结果具有一致性,软件可以用于EFP与JPC毁伤元的理论分析和设计。

表1 试验与理论计算结果

Table 1 Results of test and theoretical calculation

6 结论

双模战斗部逆向设计软件基于Visual Studio 2013和QT5.4.0开发,综合应用了当前被广泛应用的基础理论。软件针对设定的指标完成逆向运算,设计出符合指标要求的单模、双模战斗部,案例分析表明EFP侵深计算和试验误差为1.4%,JPC侵深计算和试验误差为4.9%,软件计算结果和试验结果一致,满足指标误差设定。设计软件为仿真和实验研究提供理论参考,同时可以用于对成型装药结构的理论分析。

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Research on reverse design of dual-mode warhead forming EFP and JPC

CHEN Shuai, LI Wenbin, WANG Xiaoming, YAO Wenjin

(Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Abstract: In order to quickly and reversely analyze the structure of shaped charge penetrating target with certain protection parameters, a theoretical calculation software of shaped charge was developed based on a broad theoretical basis models, and realized the rapid design and reverse design of the shaped charge structure. It provides theoretical analysis tools for simulation and experimental research. The software calculation and test results show that the EFP penetration calculation has an error of 1.4% compared with the actual test, and the JPC penetration calculation has an error of 4.9% compared with the actual test. The calculation error is within the allowable error range of the index.

Key words: shaped charge; reverse design; dual-mode warhead; theoretical model; software development

本文引用格式:陈帅,李文彬,王晓鸣,等.双模战斗部形成EFP和JPC毁伤元反向设计研究[J].兵器装备工程学报,2022,43(05):72-76.

收稿日期:2021-07-17;修回日期: 2021-07-27

作者简介:陈帅(1990—),男,博士研究生,E-mail:shuai_chen@aliyun.com。

通信作者:李文彬(1963—),男,教授,E-mail:lwb2000cn@njust.edu.cn。

doi: 10.11809/bqzbgcxb2022.05.012

Citation format:CHEN Shuai, LI Wenbin, WANG Xiaoming, et al.Research on reverse design of dual-mode warhead forming EFP and JPC[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2022,43(05):72-76.

中图分类号:TJ410.2

文献标识码:A

文章编号:2096-2304(2022)05-0072-05

科学编辑 张兴高 博士(军事科学院防化研究院研究员)

责任编辑 周江川