一種雙球缺組合藥型罩聚能魚雷戰(zhàn)斗部研究

周方毅,黃雪峰,詹發(fā)民,姜 濤

(海軍潛艇學(xué)院,山東 青島,266042)

一種雙球缺組合藥型罩聚能魚雷戰(zhàn)斗部研究

周方毅,黃雪峰,詹發(fā)民,姜 濤

(海軍潛艇學(xué)院,山東 青島,266042)

隨著防護技術(shù)的不斷發(fā)展,現(xiàn)代艦船的抗爆炸沖擊能力日益增強,而常規(guī)藥型罩聚能魚雷戰(zhàn)斗部已很難對新型艦艇予以致命毀傷。為此,文中在圓錐、球缺組合藥型罩聚能戰(zhàn)斗部的基礎(chǔ)上設(shè)計了一種雙球缺組合藥型罩聚能戰(zhàn)斗部,分析了其作用機理,利用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA進行了數(shù)值仿真,得到了其侵徹帶含水夾層圓柱殼靶板的應(yīng)力云圖。仿真結(jié)果表明,該戰(zhàn)斗部利用前級小球缺罩形成的聚能射流能為后續(xù)大球缺罩形成的爆炸成型彈丸(EFP)隨進破壞開辟通路,對目標(biāo)的毀傷效應(yīng)強于圓錐、球缺組合藥型罩聚能戰(zhàn)斗部。該研究結(jié)果可為新型高效魚雷戰(zhàn)斗部設(shè)計提供參考。

魚雷; 聚能戰(zhàn)斗部; 藥型罩; 爆炸成型彈丸

0 引言

不斷提高魚雷或其他水中兵器戰(zhàn)斗部的爆炸威力,可有效增強水中兵器對敵艦船的毀傷效能。一般來說,提高魚雷戰(zhàn)斗部威力的方法主要有增加裝藥量、采用核裝藥、采用聚能定向爆炸技術(shù)等。目前,魚雷發(fā)展趨向于小型化、智能化,增加藥量勢必增加魚雷長度。根據(jù)殺傷半徑與裝藥量的關(guān)系,殺傷半徑在 2～4 m,所需裝藥量為 180～424 kg。因此,靠增加裝藥量來提高戰(zhàn)斗部威力的方法并不可取。采用核裝藥固然能增強殺傷威力,但從安全與環(huán)保角度來考慮也不可取。聚能定向爆炸形成的金屬射流能量密度大,而且爆炸效果極佳,具有良好的發(fā)展?jié)摿Α５?隨著現(xiàn)代防護技術(shù)日新月異,新型艦艇的抗爆炸、抗沖擊能力也日趨增強,如艦艇采用高強度合金鋼作為殼體,以及采用雙層殼體或者復(fù)合結(jié)構(gòu)等[1]。一般情況下,常規(guī)聚能裝藥戰(zhàn)斗部通過聚能射流或爆炸成型彈丸(explosively formed projectile,EFP)[2-3]對目標(biāo)進行破壞,但是中間水層會對射流或彈丸形成較大的阻力,一定程度上影響了毀傷效果[4-5]。故此,需要對常規(guī)藥型罩進行改進,設(shè)計新型藥型罩來提高戰(zhàn)斗部的殺傷威力。在文獻(xiàn)[1]的基礎(chǔ)上,文中設(shè)計了一種雙球缺組合藥型罩聚能裝藥魚雷戰(zhàn)斗部,該戰(zhàn)斗部利用前級小球缺罩形成的聚能射流為后續(xù)大球缺罩形成的EFP隨進破壞開辟通道,減小彈丸在水中運動的阻力,利用二次破壞提高了毀傷效果。通過數(shù)值計算,毀傷效應(yīng)達(dá)到了預(yù)期效果,相比圓錐、球缺組合藥型罩聚能戰(zhàn)斗部效果更佳[6-9]。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計的新型聚能魚雷戰(zhàn)斗部包括引信、擴爆藥柱、主裝藥(B炸藥)、雙球缺組合藥型罩和空腔等5部分,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙球缺藥型罩聚能戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic of shaped charge warhead with two spherical liners

該聚能戰(zhàn)斗部設(shè)計有新型雙球缺組合藥型罩,分別由后續(xù)主藥型罩(大球缺罩)和前級副藥型罩(小球缺罩)復(fù)合而成(如圖2所示)。其中,前級副藥型罩主要用于形成金屬射流對目標(biāo)進行首次毀傷,后續(xù)主藥型罩主要用于形成EFP對目標(biāo)進行二次毀傷[1]。

圖2 雙球缺組合藥型罩Fig. 2 Two spherical combined liners

空腔主要用于為裝藥提供密封炸高,便于水下使用時減少水對射流的影響,提升毀傷效果。但是,由于魚雷本身尺寸及結(jié)構(gòu)的制約,實際設(shè)計中無需預(yù)留這一空間,可利用魚雷自導(dǎo)引信段所占位置作為炸高[1]。

2 作用原理

雙球缺組合藥型罩聚能魚雷戰(zhàn)斗部與圓錐、球缺組合藥型罩聚能魚雷戰(zhàn)斗部的作用原理相似。首先,魚雷引信激發(fā)后引爆擴爆藥柱,擴爆藥柱使主裝藥發(fā)生爆轟。當(dāng)爆轟波到達(dá)前級副藥型罩時,爆炸作用使其產(chǎn)生壓垮運動,藥型罩頭部形成高速金屬射流對目標(biāo)進行首次毀傷。然后,前級副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。低速彈丸在射流拉動下快速成形并加速,完成對目標(biāo)的二次毀傷[1,10]。由于小球缺罩形成的高速射流能夠為大球缺罩形成的 EFP隨進破壞開辟通路,減小了彈丸在水中運動的阻力,降低了能量的損耗,利用組合藥型罩二次破壞作用提高了對目標(biāo)的毀傷效果[1]。

相對于圓錐、球缺組合藥型罩聚能戰(zhàn)斗部,由于雙球缺罩中前級副藥型罩形成的金屬射流質(zhì)量增加,導(dǎo)致射流速度梯度減小,但是射流卻更加穩(wěn)定,從而更有利于破壞高強度目標(biāo)。

3 數(shù)值計算

3.1 計算模型

根據(jù)設(shè)計方案,以帶含水夾層的圓柱殼結(jié)構(gòu)為靶板,建立雙球缺組合藥型罩聚能戰(zhàn)斗部水中接觸爆炸該目標(biāo)的力學(xué)物理模型(為減小計算量,采用1/4模型),見圖3。模型采用cm-g-μs單位制。其中,靶板為帶含水夾層的圓柱殼結(jié)構(gòu),殼體長度取6.4 m,外徑取4 m,內(nèi)徑取3 m; 外層非耐壓殼體厚度取1 cm,中間水層厚取1 m,內(nèi)層耐壓殼體厚度取4 cm,耐壓殼體通過間隔60 cm的10根加強筋支撐,加強筋厚度取30 cm。裝藥采用B炸藥,其半徑取15 cm、高度取40 cm。雙球缺藥型罩材料為紫銅; 小球缺罩厚度為 0.8 cm,曲率半徑為2.5 cm; 大球缺罩厚度為0.8 cm,曲率半徑為15.5 cm。戰(zhàn)斗部炸高取30 cm。

圖3 數(shù)值計算模型示意圖Fig. 3 Schematic of simulation model

利用大型有限元程序(ANSYS/LS-DYNA)中的SOLID164六面體單元分別對炸藥、藥型罩、靶板、水、空氣等單元進行網(wǎng)格劃分。其中,炸藥、藥型罩、水、空氣均采用歐拉網(wǎng)格劃分,單元使用多物質(zhì)ALE(Arbitray Lagrange-Euler)算法,靶板采用拉格朗日網(wǎng)格劃分[1,11]。

3.2 材料參數(shù)

1) 戰(zhàn)斗部裝藥選用密度為1.724 g/cm3、爆速為8 080 m/s的B炸藥,總裝藥量為35 kg。炸藥爆轟產(chǎn)物的狀態(tài)方程采用 JWL(Jones/Wilkins/Lees)方程,且

式中:A,B,R1,R2,為JWL方程參數(shù);E表示爆轟產(chǎn)物內(nèi)能;V表示爆轟產(chǎn)物體積[1-5]。

2) 靶板材料密度為 7.83 g/cm3、泊松比為0.28、楊氏模量為210 GPa的合金鋼。藥型罩材料密度為 8.96 g/cm3、泊松比為0.34、剪切模量為 47.7 GPa的紫銅[6-9]。靶板、藥型罩均采用Johnson-Cook本構(gòu)方程模擬[12]

式中:˙*為等效塑性應(yīng)變率;為等效塑性應(yīng)變;A為屈服應(yīng)力;B為應(yīng)變硬化;C′和m為應(yīng)變率和溫度相關(guān)因數(shù);T*為相對溫度;n為應(yīng)變硬化指數(shù)[6-9]。

3) 水的密度為1.025 g/cm3。水膨脹過程的狀態(tài)方程為

水沖擊壓縮時,采用GRUNEISEN狀態(tài)方程

式中: 是密度;ρ0為初始密度;C為μs-μp曲線的截距;γ0是GRUNEISEN狀態(tài)方程參數(shù);E是單位體積內(nèi)能;S1,S2,S3是μs-μp曲線斜率的系數(shù);是對1階體積的修正[6-9]。

4) 空氣密度取 0.001 25 g/cm3,采用 NULL材料模型。狀態(tài)方程采用氣體狀態(tài)方程模擬[6-9]

式中:P2為氣體壓力;為氣體絕熱指數(shù);E0為氣體體積比內(nèi)能。

3.3 仿真結(jié)果與分析

對上述物理模型進行有限元網(wǎng)格劃分,采用有限元程序(ANSYS/LS-DYNA)計算得到該聚能戰(zhàn)斗部水中接觸爆炸帶目標(biāo)毀傷的數(shù)值仿真效果,分別見圖4和圖5。其中,圖4為裝藥水中爆炸對圓柱殼靶板外部毀傷模擬效果的局部放大圖,裝藥對1 cm厚外層殼體的毀傷直徑為35 cm; 圖5為裝藥水中爆炸對圓柱殼靶板內(nèi)部毀傷的模擬效果圖,裝藥對4 cm厚內(nèi)層殼體的毀傷直徑為15 cm,且厚達(dá)30 cm、寬度為8 cm加強筋被完全貫穿。雖然相同尺寸的圓錐、球缺組合藥型罩聚能戰(zhàn)斗部也能擊穿該帶含水夾層圓柱殼結(jié)構(gòu)靶板,但不能對加強筋部分造成毀傷,且射流穩(wěn)定性較差。研究表明,圓錐與球缺組合藥型罩聚能裝藥對靶板的破壞直徑能達(dá)到單獨的圓錐或球缺藥型罩聚能裝藥的 2倍[13]。可見,雙球缺組合藥型罩較圓錐罩、球缺罩及圓錐球缺組合藥型罩毀傷效果最佳。

圖6為組合藥型罩形成的金屬射流示意圖。圖中,該藥型罩形成的金屬射流集中且穩(wěn)定,可達(dá)很好的毀傷效果。從球缺罩頂點處沿射流路徑選A(286366)、B(286252)、C(286069)、D(295566)4個節(jié)點,得到其射流速度曲線(見圖7)。

由圖 7中計算結(jié)果知,該藥型罩形成的射流頭部速度約為5 000 m/s,尾部速度約為1 600 m/s。雖然相對圓錐、球缺組合藥型罩聚能戰(zhàn)斗部的射流最大速度[1](6 000 m/s)下降了 17%,但射流更趨于穩(wěn)定,且射流質(zhì)量增加(小球缺罩質(zhì)量大于圓錐罩),因此毀傷效果更好。可以看出,理論分析與數(shù)值計算結(jié)果吻合。

圖4 對靶板外部毀傷的仿真效果(局部放大圖)Fig. 4 Simulation result of damage effect on outside of target(partially enlarged)

圖5 對靶板內(nèi)部毀傷的仿真效果Fig. 5 Simulation result of damage effect on inside of target

圖6 射流形成過程Fig. 6 Formation of jet

圖7 射流速度曲線圖Fig. 7 Curves of jet velocity versus time

4 結(jié)束語

文中首次設(shè)計了一種雙球缺組合藥型罩應(yīng)用于魚雷戰(zhàn)斗部,從理論上分析了該藥型罩裝藥的爆炸作用原理,并利用有限元軟件/LS-DYNA模擬了其侵徹帶含水夾層圓柱殼靶板的毀傷效果。理論分析和數(shù)值仿真結(jié)果表明,該裝藥結(jié)構(gòu)中小球缺罩形成的聚能射流能為大球缺罩形成的EFP隨進破壞提供運動空間,增強了對目標(biāo)的破壞效應(yīng),能有效破壞帶含水夾層圓柱殼結(jié)構(gòu)的目標(biāo)。對毀傷防護能力強的目標(biāo)而言,雙球缺組合藥型罩聚能戰(zhàn)斗部相對圓錐、球缺組合藥型罩聚能戰(zhàn)斗部具有更好的破壞效果。該成果將為聚能魚雷戰(zhàn)斗部設(shè)計提供研究方向,為有效毀傷防護能力強的目標(biāo)提供研究思路。后續(xù)研究中,可采取數(shù)值仿真的方法對雙球缺組合藥型罩進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,同時采用試驗研究的方法進一步驗證該聚能戰(zhàn)斗部的實際毀傷效果。

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A Shaped Charge Warhead with Two Spherical Combined Liners for Torpedo

ZHOU Fang-yi,HUANG Xue-feng,ZHAN Fa-min,JIANG Tao
(Navy Submarine Academy,Qingdao 266042,China)

With the development of protection technology,the anti-explosion and anti-shock ability of modern ship has been improved increasingly. However,the conventional shaped charge torpedo warhead with common liner is difficult to damage modern ship fatally. Therefore it is necessary to improve the power of torpedo warhead for damaging enemy ships. In this paper,a kind of shaped charge warhead with two spherical combined liners is proposed based on the shaped charge warhead with tapered and spherical combined liners. 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.The stress contour of a cylindrical shell target with embedded water layer in its penetration zone is obtained. Simulation result shows that the warhead with two spherical combined liners can provide moving space for the latter explosively formed projectile(EFP) by making use of the former shaped charge jet,which leads to higher destructive effect on target than that of shaped charge warhead with tapered and spherical combined liners. This research may provide a reference for design of new high-powered torpedo warheads.

torpedo; shaped charge warhead; charge liner; explosively formed projectile

TJ630; TJ410.33

A

2096-3920(2017)03-0278-04

周方毅,黃雪峰,詹發(fā)民,等. 一種雙球缺組合藥型罩聚能魚雷戰(zhàn)斗部研究[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報,2017,25(3):278-281.

10.11993/j.issn.2096-3920.2017.03.011

2017-02-27;

2017-04-28.

周方毅(1978-),男,博士,主要從事水下爆破理論與實踐的研究.

(責(zé)任編輯: 楊力軍)