一種組合藥型罩聚能戰(zhàn)斗部

周方毅, 詹發(fā)民, 姜 濤, 張可玉

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一種組合藥型罩聚能戰(zhàn)斗部

周方毅1,2, 詹發(fā)民1, 姜 濤1, 張可玉1

(1. 海軍潛艇學(xué)院 防險(xiǎn)救生系, 山東 青島, 266042; 2. 海軍航空工程學(xué)院 兵器科學(xué)與技術(shù)系, 山東 煙臺(tái), 264011)

現(xiàn)隨著現(xiàn)代艦船抗爆炸沖擊能力的日趨增強(qiáng), 必須大幅提高魚(yú)雷戰(zhàn)斗部威力才能有效打擊敵方艦船, 為此設(shè)想了一種組合藥型罩聚能戰(zhàn)斗部應(yīng)用于新型魚(yú)雷。設(shè)計(jì)了聚能戰(zhàn)斗部的結(jié)構(gòu), 分析了其作用機(jī)理, 利用有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算, 得到了其侵徹單層靶板的應(yīng)力云圖。仿真結(jié)果表明, 該組合藥型罩戰(zhàn)斗部能利用前級(jí)聚能射流為后續(xù)爆炸成型射彈(EFP)彈丸隨進(jìn)破壞提供運(yùn)動(dòng)空間, 對(duì)目標(biāo)的破壞效應(yīng)明顯強(qiáng)于普通聚能戰(zhàn)斗部。該研究結(jié)果可為新型高效魚(yú)雷戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)提供參考。

魚(yú)雷; 聚能戰(zhàn)斗部; 藥型罩; 爆炸成型射彈

0 引言

隨著防護(hù)技術(shù)的不斷發(fā)展, 現(xiàn)代艦船的抗爆炸沖擊能力日益增強(qiáng)。主要體現(xiàn)在艦艇采用高強(qiáng)度合金鋼作為殼體、以及采用雙層殼體或者復(fù)合結(jié)構(gòu)。因此, 普通的爆破型魚(yú)雷戰(zhàn)斗部很難對(duì)這些目標(biāo)造成毀滅性打擊[1-2]。所以, 提高新型魚(yú)雷戰(zhàn)斗部的破壞威力是魚(yú)雷戰(zhàn)斗部發(fā)展的必然趨勢(shì)。聚能裝藥因爆炸能量相對(duì)一個(gè)方向集中, 使破壞效果極大提高。對(duì)于聚能裝藥魚(yú)雷戰(zhàn)斗部, 為了充分利用裝藥能量, 提高化學(xué)能量轉(zhuǎn)化為有效動(dòng)能的轉(zhuǎn)化率, 需進(jìn)行合理的藥型罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 才能獲得質(zhì)量大、阻力小、速度高且貫穿能力強(qiáng)的爆炸成型彈丸(explosively formed projectile, EFP)[3-4]。

基于此, 本文對(duì)一種組合藥型罩聚能戰(zhàn)斗部進(jìn)行了研究, 并設(shè)想將其應(yīng)用于魚(yú)雷戰(zhàn)斗部, 通過(guò)改善藥型罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 改進(jìn)爆炸成形戰(zhàn)斗部技術(shù), 以增強(qiáng)魚(yú)雷戰(zhàn)斗部的威力。

1　聚能戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及原理

設(shè)想的聚能戰(zhàn)斗部主要由起爆裝置、傳爆藥柱、主裝藥、組合藥型罩及空腔等組成, 其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。其中, 組合藥型罩由錐形罩與球缺罩復(fù)合而成。空腔主要為裝藥提供炸高, 提高其破壞效能，但受魚(yú)雷尺寸及結(jié)構(gòu)限制, 無(wú)法預(yù)留這一空間。因此實(shí)際可利用導(dǎo)引頭所占位置作為炸高。

1-起爆裝置 2-傳爆藥柱 3-主裝藥 4-組合藥型罩 5-空腔

該聚能戰(zhàn)斗部將普通藥型罩改為組合藥型罩, 分別由后續(xù)主藥型罩(球缺罩)和前級(jí)副藥型罩(錐形罩)組成。其中, 前級(jí)副藥型罩主要為形成金屬射流對(duì)目標(biāo)進(jìn)行開(kāi)孔作業(yè), 后續(xù)主藥型罩用于形成EFP彈丸破壞目標(biāo)。

作用原理是，當(dāng)魚(yú)雷引信動(dòng)作后, 首先引爆傳爆藥柱, 然后使主裝藥爆轟。前級(jí)藥型罩在炸藥爆炸作用下, 產(chǎn)生壓垮運(yùn)動(dòng), 其上部形成的高速射流首先完成對(duì)目標(biāo)的穿孔破壞作業(yè)。隨之, 前級(jí)藥型罩底部在壓合作用下與后續(xù)主藥型罩碰撞復(fù)合形成EFP彈丸。低速?gòu)椡柙谏淞骼瓌?dòng)下快速成形并加速, 完成對(duì)目標(biāo)的二次侵徹作用[5]。由于前級(jí)副藥型罩的作用能夠?yàn)楹罄m(xù)EFP彈丸隨進(jìn)破壞提供運(yùn)動(dòng)空間, 可減少穿孔能量損耗, 提高裝藥的利用率, 因此有利于對(duì)目標(biāo)的破壞。

2 數(shù)值計(jì)算模型

2.1 計(jì)算模型

根據(jù)設(shè)計(jì)方案, 建立了聚能戰(zhàn)斗部水中接觸爆炸單層靶板的力學(xué)物理模型，如圖2所示, 采用cm-g-μs單位制。由于模型為軸對(duì)稱, 為減小計(jì)算量, 建模時(shí)取四分之一模型。模型中, 炸藥采用B炸藥, 裝藥直徑30 cm，裝藥高度40 cm，組合藥型罩材料為紫銅, 錐形罩厚度0.2 cm, 半錐角20°, 罩高6 cm, 球缺罩厚度0.4 cm, 罩高6.2 cm, 結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖3。炸高(空氣部分)取30 cm; 靶板材料為鋼, 形狀為圓板, 計(jì)算時(shí)靶板直徑取100 cm, 厚度取4 cm[6]。

利用大型有限元程序(ANSYS LS-DYNA)中的SOLID164六面體單元分別對(duì)炸藥、藥型罩、靶板、水及空氣進(jìn)行網(wǎng)格劃分。其中, 炸藥、藥型罩、水和空氣均采用歐拉網(wǎng)格劃分, 單元使用多物質(zhì)ALE算法, 靶板采用拉格朗日網(wǎng)格劃分, 且靶板與炸藥、水之間采用耦合算法[7]。

1-水 2-炸藥 3-組合藥型罩 4-空氣 5-靶板

圖3 組合藥型罩示意圖

2.2 材料參數(shù)

1) 炸藥選用炸藥, 密度為1.724 g/cm3, 爆速8 080 m/s。炸藥爆轟產(chǎn)物的狀態(tài)方程采用JWL（Jones-Wilkins-Lee）方程

式中:為爆轟產(chǎn)物的壓力;是相對(duì)體積;是單位體積炸藥內(nèi)能;,,1,2,分別為JWL狀態(tài)方程常數(shù)。

2) 水的密度取1.025 g/cm3。水沖擊壓縮時(shí), 采用GRUNEISEN狀態(tài)方程

水膨脹過(guò)程狀態(tài)方程為

3) 空氣密度取0.0012 5 g/cm3。采用LSDYN- A3D程序中的NULL材料模型。狀態(tài)方程采用氣體狀態(tài)方程模擬

式中:2為氣體壓力;為氣體絕熱指數(shù);為密度;0為初始密度;0為氣體體積比內(nèi)能。

4) 藥型罩材料為紫銅, 密度為8.96 g/cm3, 剪切模量47.7 Gpa, 泊松比0.34; 靶板采用合金鋼, 密度為7.83 g/cm3, 楊氏模量為210 GPa, 泊松比0.28。藥型罩和靶板均采用JohnsonCook本構(gòu)方程

2.3 仿真結(jié)果

根據(jù)前述定義的物理模型及有限元網(wǎng)格劃分, 利用大型有限元程序(ANSYS LS-DYNA)計(jì)算, 可得到該聚能戰(zhàn)斗部水中接觸爆炸單層靶板的數(shù)值仿真結(jié)果, 見(jiàn)圖4和圖5。

圖4為166 us時(shí)聚能戰(zhàn)斗部中圓錐藥型罩所形成的金屬射流穿透金屬靶板的應(yīng)力分布圖, 此時(shí)穿孔直徑約為6 cm。圖5為800 us時(shí)聚能戰(zhàn)斗部中球缺藥型罩所形成的EFP彈丸侵徹金屬靶板的應(yīng)力分布圖, 其穿孔直徑約為29 cm。當(dāng)靶板直徑都取300 cm時(shí), 計(jì)算結(jié)果基本相近。

保持裝藥直徑及裝藥高度不變, 改變圓錐與球缺藥型罩尺寸進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算, 結(jié)果表明, 該聚能戰(zhàn)斗部均能有效穿透4 cm厚金屬靶板, 并在靶板上形成直徑約20~60 cm等大小的孔洞。

圖4 射流穿透靶板應(yīng)力分布及孔深剖面圖

圖5 EFP彈丸侵徹靶板應(yīng)力分布及孔深剖面圖

將靶板厚度增加至8 cm及12 cm, 數(shù)值仿真結(jié)果表明，當(dāng)組合藥型罩參數(shù)設(shè)置合理時(shí), 該戰(zhàn)斗部能輕易穿透12 cm厚的靶板, 且靶板正面穿孔直徑最大能達(dá)60 cm, 背面穿孔直徑能達(dá)25 cm。

為對(duì)比該戰(zhàn)斗部與普通聚能戰(zhàn)斗部對(duì)靶板的侵徹效果, 取與前述藥型罩尺寸相同的單球缺罩對(duì)4 cm靶板進(jìn)行數(shù)值計(jì)算, 見(jiàn)圖6, 其穿孔直徑約為25 cm。可見(jiàn), 同等條件下組合型戰(zhàn)斗部對(duì)目標(biāo)的穿孔破壞效果強(qiáng)于單球缺罩的聚能戰(zhàn)斗部。

從圓錐罩頂角處沿射流路徑選取671, 6 771, 6 869, 16 497這4個(gè)節(jié)點(diǎn), 得到其射流速度曲線(見(jiàn)圖7)。數(shù)值仿真結(jié)果表明, 射流最大速度超過(guò)6 000 m/s, 當(dāng)射流從空氣中穿透4 cm厚靶板進(jìn)入水中后, 速度迅速下降至3 000 m/s左右, 并很快衰減。

圖6 單EFP彈丸侵徹靶板應(yīng)力分布圖

圖7 射流速度曲線圖

進(jìn)一步計(jì)算表明, 當(dāng)該戰(zhàn)斗部距離靶板1 m處爆炸時(shí), 仍能穿透對(duì)4 cm厚的靶板, 并呈花瓣形破壞效果, 如圖8所示; 但是當(dāng)藥型罩為球缺罩時(shí), 僅能使靶板變形, 未能形成穿孔, 如圖9所示。可見(jiàn), 射流能在水中開(kāi)辟通道, 有利于減小后續(xù)彈丸的運(yùn)動(dòng)阻力, 增強(qiáng)對(duì)靶板的破壞能力。

圖8 組合藥型罩戰(zhàn)斗部距靶板1 m爆炸效果圖

通過(guò)分析數(shù)值仿真結(jié)果可知, 起爆45 us左右, 錐形罩開(kāi)始形成金屬射流高速?zèng)_向靶板, 將對(duì)其進(jìn)行穿孔破壞; 然后, 球缺罩形成翻轉(zhuǎn)彈丸緊隨其后, 對(duì)靶板進(jìn)行二次破壞。這種組合式的藥型罩形式兼具錐形罩和球缺罩兩種藥型罩的特點(diǎn), 既能形成金屬射流, 又能產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)彈丸, 使成型侵徹體質(zhì)量增大、速度加快, 形成了高速的桿式射流, 非常有利于破壞目標(biāo)[8]。據(jù)此分析可知, 該藥型罩的設(shè)計(jì)有利于對(duì)含水夾層靶板的侵徹。

圖9 球缺藥型罩戰(zhàn)斗部距靶板1 m爆炸效果圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)想了一種新型高效聚能戰(zhàn)斗部, 并建立了其水中爆炸的力學(xué)物理模型, 利用大型有限元軟件LS-DYNA進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算, 得出了其應(yīng)力分布和速度曲線。研究結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的聚能射流能為后續(xù)EFP彈丸隨進(jìn)破壞提供運(yùn)動(dòng)空間, 增強(qiáng)了對(duì)目標(biāo)的破壞效應(yīng)。下一步應(yīng)開(kāi)展通過(guò)大量的數(shù)值仿真和試驗(yàn)研究, 對(duì)圓錐、球缺組合罩聚能戰(zhàn)斗部展開(kāi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì), 為高效聚能戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論和試驗(yàn)支持, 并展開(kāi)該戰(zhàn)斗部在魚(yú)雷上的實(shí)際應(yīng)用研究。因此, 研究該藥型罩在魚(yú)雷戰(zhàn)斗部上的應(yīng)用, 對(duì)于有效毀傷雙殼體結(jié)構(gòu)潛艇具有重要的參考價(jià)值和借鑒意義。

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An Idea about Shaped Charge Warhead with Combined Charge Liner for Torpedo

ZHOU Fang-yi1,2, ZHAN Fa-min1, JIANG Tao1, ZHANG Ke-yu1

(1. Department of Rescue and Salvage, Navy Submarine Academy, Qingdao 266042, China; 2. Department of Ordnance Science and Technology, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264011, China)

To increase the power of torpedo warhead, an idea about shaped charge warhead with combined charge liner is proposed. The structure of warhead is designed, its working mechanism is analyzed, and numerical simulation is performed with the finite element analysis software ANSYS/LS-DYNA to obtain the stress field distribution in the monolayer target, which is penetrated by the warhead. Simulation result shows that the warhead with combined charge liner can provide movement space by making use of former shaped charge jet for latter explosively formed projectile (EFP), which leads to higher destructive effect to target than a normal warhead does.

torpedo；shaped charge warhead；charge liner；explosively formed projectile (EFP)

TJ630; TJ760.31

A

1673-1948(2012)05-0380-04

2012-01-18;

2012-03-28.

周方毅(1978－), 男, 講師, 在讀博士，主要從事水下爆破理論與實(shí)踐的研究.

(責(zé)任編輯: 楊力軍)