侵徹角對桿式射流侵徹移動靶板影響的數(shù)值模擬

孫 韜, 張國偉, 王一鳴, 郭 帥

(中北大學(xué)機電工程學(xué)院, 太原 030051)

0 引言

目前關(guān)于近程反導(dǎo)戰(zhàn)斗部有很多種,其中主要以破片形式的動能攔截為主,如定向戰(zhàn)斗部和聚焦戰(zhàn)斗部,他們都是利用破片侵徹戰(zhàn)斗部關(guān)鍵部位,迫使導(dǎo)彈偏離原軌道或侵爆戰(zhàn)斗部達到防空目的。也有依靠裝藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波來摧毀目標的爆破式戰(zhàn)斗部;應(yīng)用較為廣泛的動能桿戰(zhàn)斗部,是利用裝藥周圍的金屬桿在裝藥爆炸作用下獲得的動能對目標進行毀傷;應(yīng)用較少的子母式戰(zhàn)斗部,主要利用子彈形成的彈幕對目標進行攔截毀傷。以上這些近程反導(dǎo)戰(zhàn)斗部,對普通導(dǎo)彈的攔截有很好的效果,可是對深侵徹鉆地彈的攔截,他們的作用十分有限。破甲戰(zhàn)斗部形成的聚能射流具有能量高、侵徹能力強的特點,若采用該類型戰(zhàn)斗部將會極大的提高近程反導(dǎo)的效率。

侵徹角是指射流運動反方向與靶板運動方向之間所夾的角。侵徹角和目標速度的不同對攔截深侵徹鉆地戰(zhàn)斗部具有很大影響,基于這種思路,文中重點討論不同侵徹角度下,桿式射流對一系列不同速度下的移動靶板侵徹的情況,從而為今后反深侵徹鉆地武器的設(shè)計提供一定的參考。

1 數(shù)值模擬

1.1 總體模型結(jié)構(gòu)的建立

文中所建立的聚能裝藥結(jié)構(gòu)口徑均為90 mm,藥型罩壁厚為2.2 mm,殼體壁厚為4 mm,裝藥高度采用1.5d,起爆方式為炸藥頂部單點中心起爆,靶板厚度為100 mm,炸高為27cm。如圖1所示,圖中θ為侵徹角,v為靶板運動速度。

圖1 總體模型結(jié)構(gòu)

1.2 仿真方案的確定

1)聚能裝藥在不同的藥型罩錐角下形成的射流可分為金屬射流、聚能桿式射流和自鍛破片。由于侵徹移動靶板時金屬射流無法保證其完整性,自鍛破片對移動靶的穿深難以達到戰(zhàn)術(shù)指標要求,而桿式射流能滿足一定的穿深且穩(wěn)定性較好[7]。所以文中選取藥型罩錐角為110°的桿式射流作為毀傷元。

2)鉆地武器技術(shù)的發(fā)展以美軍最為成熟,并且生產(chǎn)裝備了多種型號的鉆地彈,其較為常用的深侵徹戰(zhàn)斗部,一般撞擊地面的速度范圍為300～700 m/s[8]。因此,文中選取靶板的移動速度為300～700 m/s。

3)射流對深侵徹鉆地彈攔截毀傷的情況分為迎擊攔截、正侵徹毀傷和追擊毀傷。為了優(yōu)化模型,建立侵徹角為60°、90°和120°的移動靶板模型分別代表迎擊攔截、正侵徹毀傷和追擊毀傷。如圖2～圖4所示。

圖2 迎擊攔截模型圖

圖3 正侵徹毀傷模型圖

圖4 追擊毀傷模型圖

1.3 材料模型與參數(shù)

在文中的數(shù)值模擬中,涉及到炸藥、空氣、藥型罩、殼體和靶板5種材料模型[9],其中炸藥采用8701炸藥,藥型罩材料為紫銅,靶板為45鋼,殼體為鋼質(zhì)材料。

1)8701炸藥的主要參數(shù)為:ρ=1.7 g/cm3,VD=8.4 km/s,PCJ=30 GPa。選用MAT_HIGH_EXPL-OSIVE_BURN模型,以及EOS_JWL狀態(tài)方程,其基本形式為:

(1)

式中:P為壓力;E為爆轟產(chǎn)物的內(nèi)能;V為爆轟產(chǎn)物的相對體積;A、B、R1、R2和ω為待定常數(shù),如表1所示。

表1 8701炸藥的主要參數(shù)

2)藥型罩選用紫銅為材料,采用MAT_JOHN-SON_COOK模型和EOS_GRUNEISEN狀態(tài)方程,其應(yīng)力表達式為:

(2)

3)空氣采用MAT_NULL模型,狀態(tài)方程采用EOS_LINEAR_POLYNOMIAL,其狀態(tài)方程的基本形式為:

p=C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+(C4+C5μ+C6μ2)E

(3)

4)殼體采用鋼質(zhì)材料,采用MAT_JOHNSON_C-OOK模型和EOS_GRUNEISEN狀態(tài)方程。

管道一般在地面預(yù)先焊接好 (管徑小于或等于110 mm的管道應(yīng)采用電熔焊焊接；管徑大于110 mm的管道可采用電熔焊或熱熔焊焊接)。在管道放入管溝之前，應(yīng)對管道進行全面檢查，在沒有發(fā)現(xiàn)任何缺陷的情況下，方可下管（采取吊入或滾入法）。

5)靶板采用45鋼,材料模型為:PLASTIC_K-INEMATIC。

各材料主要參數(shù)如表2所示。

表2 各材料主要參數(shù)

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

在特定靶板運動速度下,對比3種不同侵徹角下的模型,通過分析射流穿透靶板后的頭部速度、射流的完整性、開坑直徑及透孔體積,對射流侵徹移動靶板進行毀傷效應(yīng)評估。

2.1 射流穿透靶板后的頭部速度分析

由表3中得到的仿真數(shù)據(jù)得知,相同侵徹角下,射流穿透靶板后的頭部速度隨靶板運動速度的增大而減小,且減小幅度隨靶板運動速度的增大而增大;當(dāng)靶板運動速度v≤500 m/s時,射流以90°侵徹角侵徹移動靶板比射流以60°侵徹角侵徹移動靶板的穿靶后的頭部速度大,當(dāng)靶板運動速度v>500 m/s時,情況相反;在射流以120°侵徹角侵徹移動靶板的情況下,不論靶板運動速度如何,其射流穿透靶板后的頭部速度總是相比其他兩侵徹角較小。

表3 射流穿透靶板后的頭部速度 (m/s)

2.2 射流的完整性分析

如圖5(a)～圖5(c)所示為3種侵徹角下靶板運動速度分別為300 m/s、500 m/s和700 m/s時射流穿透靶板時的形狀。表4為穿透靶板時射流下半段的橫向偏移量。仿真結(jié)果顯示,相同侵徹角下,穿透靶板時的射流下半段的橫向偏移量隨靶板運動速度的增大而增大,且增加幅度也隨靶板運動速度的增大而增大;相同速度下,侵徹角為120°時射流橫向偏移量最大;當(dāng)靶板運動速度v≤500 m/s時,射流以90°侵徹角侵徹移動靶板時的橫向偏移量小于射流以60°侵徹角侵徹移動靶板時的橫向偏移量,當(dāng)靶板運動速度v>500 m/s時,情況恰好相反;且當(dāng)靶板運動速度v>500 m/s時,射流以90°和120°侵徹角侵徹移動靶板會出現(xiàn)上下半段脫節(jié)的現(xiàn)象。

表4 橫向偏移量 (cm)

圖5 3種侵徹角下穿透靶板時的射流形狀

2.3 射流對靶板的毀傷效果分析

如表5和表6所示,相同侵徹角下,射流對靶板的開坑直徑和靶板的透孔體積隨靶板運動速度的增大而增大;相同靶板運動速度下,侵徹角為120°時,其開坑直徑與透孔體積最大,侵徹角為60°的情況要優(yōu)

圖6 射流對靶板的毀傷效果

于侵徹角為90°的情況。圖6(a)～圖6(c)為3種侵徹角下射流侵徹靶板運動速度分別為300 m/s、500 m/s和700 m/s時的毀傷效果。

表5 靶板的開坑直徑 (mm)

表6 靶板的透孔體積 (cm3)

3 結(jié)論

1)隨侵徹角的變化,射流對靶板的侵徹厚度發(fā)生改變,它與靶板的移動速度共同影響著射流對靶板的侵徹。通過仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn),靶板存在一個臨界速度vc,當(dāng)靶板移動速度vvc時,靶板移動速度的影響大于侵徹厚度的影響。

2)移動靶板主要對射流中部低速段造成較大偏移,破壞了射流的直線性和連續(xù)性,使射流的穩(wěn)定性下降,從而降低射流的破甲威力,且靶板移動速度越大,對射流影響越嚴重。

3)追擊毀傷時,射流受到侵徹厚度和靶板運動速度雙方面的影響,故相比迎擊攔截和正侵徹毀傷,其射流侵徹效果最差。

4)破甲戰(zhàn)斗部應(yīng)用于反深侵徹鉆地彈的設(shè)計上具有一定的可行性,且攔截毀傷效果較好。

參考文獻:

[1] 金豐年, 劉黎, 張麗萍, 等. 深鉆地武器的發(fā)展及其侵徹 [J]. 解放軍理工大學(xué)學(xué)報, 2002, 3(2): 34-40.

[2] 王濤, 余文力, 王少龍, 等. 國外鉆地武器的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 [J]. 導(dǎo)彈與航天運載技術(shù), 2005(5): 51-56.

[3] CHOU P C, FLIS W J. Recent developments in shaped charge technology [J]. Propellants Explosives Pyrotechnics, 1986(6): 567-573.

[4] 宋麗萍, 王華. 美國精確制導(dǎo)侵徹鉆地武器的發(fā)展 [J]. 飛航導(dǎo)彈, 2000(1): 40-44.

[5] 尹建平, 王志軍. 彈藥學(xué) [M]. 北京: 北京理工大學(xué)出版社, 2012: 207-230.

[6] 張國偉. 終點效應(yīng)及其應(yīng)用技術(shù) [M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2006: 80-102.

[7] 陳振華, 張國偉, 高元浩, 等. 仿真分析三種射流形態(tài)對移動靶板的侵徹 [J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報, 2015, 35(4): 70-72.

[8] 韓世峰. 破甲彈對運動體斜侵徹的仿真研究 [D]. 太原: 中北大學(xué), 2015: 1-10.

[9] 時黨勇, 李裕春, 張勝民. 基于ANSYS/LS-DYNA 8.1進行顯式動力分析 [M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2005: 313-331.