EFP侵徹帶水隔艙的數(shù)值模擬

王少宏，王志軍，尹建平，伊建亞，李玉品

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 太原 030051)

【航空和航海工程】

EFP侵徹帶水隔艙的數(shù)值模擬

王少宏，王志軍，尹建平，伊建亞，李玉品

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 太原 030051)

為了對(duì)艦船帶水隔艙進(jìn)行有效毀傷，本文從成型裝藥理論入手，利用LS-DYNA軟件模擬了爆炸成型彈丸的成型過(guò)程，以及對(duì)帶水隔艙的侵徹過(guò)程，分析了藥形罩壁厚對(duì)侵徹效應(yīng)的影響。結(jié)果表明：當(dāng)裝藥直徑為60 mm、裝藥高度為46.86 mm時(shí)，壁厚為3 mm的戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)可以對(duì)帶水隔艙的等效靶板進(jìn)行有效毀傷，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的大穿孔威力要求。

EFP；帶水隔艙；壁厚；LS-DYNA

在海戰(zhàn)中，航空母艦和大中型水面艦艇及其編隊(duì)具有較強(qiáng)的對(duì)空、對(duì)海防御能力；隨著反導(dǎo)彈技術(shù)不斷完善和反導(dǎo)系統(tǒng)不斷加強(qiáng)，大大增加了各類(lèi)水面艦艇的反導(dǎo)能力。然而在水下則部分與水上部分不同，其防御和對(duì)付水下攻擊武器的能力明顯是個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。水下的攻擊武器一般有魚(yú)雷和主、被動(dòng)水雷等[1]。手段雖然不多，但是艦船只能通過(guò)聲納進(jìn)行規(guī)避或攔截，反擊效率低，而且水下爆炸破壞威力遠(yuǎn)大于空氣介質(zhì)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，目標(biāo)防護(hù)能力越來(lái)越強(qiáng)?，F(xiàn)代艦船結(jié)構(gòu)上采用多殼體加水艙，為了防止魚(yú)雷、水雷和深水炸彈等反潛武器的攻擊，裝甲加厚，外殼也普遍使用高強(qiáng)度的合金材料，因此具有了很強(qiáng)的抗暴能力。常規(guī)爆破式戰(zhàn)斗部已很難對(duì)艦船致以重創(chuàng)，而采用聚能戰(zhàn)斗部爆炸后形成射流具有很強(qiáng)的侵徹能力，可破壞艦船裝甲和內(nèi)部縱深方向的設(shè)備和結(jié)構(gòu)，因而采用聚能戰(zhàn)斗部是提高毀傷威力的有效手段也是彈藥的重要發(fā)展方向。呂錦鋒等人以典型的艦舷結(jié)構(gòu)為對(duì)象，利用LS-DYNA中的ALE算法耦合高速侵徹體與水下爆炸波兩種載荷，對(duì)艦舷結(jié)構(gòu)耦合損傷過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬仿真研究[2]；王海福等人采用AUTODYN-2D軟件在對(duì)桿式射流裝藥水下作用行為數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了桿式射流裝藥設(shè)計(jì)和水下毀傷效應(yīng)驗(yàn)證試驗(yàn)，提出了一種可形成一定速度的偏心半球罩桿式射流裝藥，適當(dāng)選取裝藥長(zhǎng)炸高，這種裝藥水下作用可產(chǎn)生空腔隨進(jìn)效應(yīng)[3]；楊莉等人通過(guò)爆炸成型彈丸相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)，采用變壁厚球缺罩設(shè)計(jì)的聚能裝藥戰(zhàn)斗部可適用于侵徹搭建個(gè)含水復(fù)合裝甲防護(hù)結(jié)構(gòu)，并且得到爆炸成型彈丸對(duì)含水復(fù)合裝甲結(jié)構(gòu)的侵徹威力主要取決于彈丸的形狀和初始速度的結(jié)論[4]。

1 計(jì)算模型

1.1 幾何模型的建立

EFP戰(zhàn)斗部是由藥形罩、炸藥、殼體和起爆裝置組成，其中炸藥選擇圓柱形裝藥，藥形罩口徑為60 mm，使用等壁厚球缺罩，材料為紫銅，圖1為藥形罩結(jié)構(gòu)示意圖，其中R1為罩外曲率半徑，R2為罩內(nèi)曲率半徑，h為罩壁厚。

圖1 藥形罩結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 有限元模型及網(wǎng)格劃分

利用TrueGrid軟件構(gòu)建有限元模型后導(dǎo)入LS-DYNA中進(jìn)行求解計(jì)算。由于結(jié)構(gòu)的平面對(duì)稱(chēng)性，所以在施加對(duì)稱(chēng)約束的情況下可利用TrueGrid軟件建立1/4有限元模型，大大提高了效率而不失精確，如圖2所示，所有單元均為8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元Solid164.忽略鋁殼對(duì)EFP成型的影響。

圖2 1/4有限元模型

1.3 材料模型及參數(shù)

在數(shù)值模擬計(jì)算中，材料參數(shù)的選取直接影響到計(jì)算的精確性，不同材料模型對(duì)材料的描述不同，這些區(qū)別都會(huì)影響仿真計(jì)算的結(jié)果。因此，選擇合理的本構(gòu)模型及材料參數(shù)是保證結(jié)果準(zhǔn)確的必要前提。

炸藥選用8701炸藥，使用JWL狀態(tài)方程來(lái)精確描述炸藥爆轟過(guò)程中的體積、壓力和能量特性，具體表達(dá)式為

P=FPeos(η,e)

式中：Peos為炸藥爆轟產(chǎn)物的壓力；P為炸藥單元所釋放的壓力；F為炸藥燃燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)；η=ρ/ρ0為爆轟產(chǎn)物相對(duì)體積，其中ρ0和ρ分別為炸藥初始密度和爆轟產(chǎn)物密度；e為單位體積爆轟產(chǎn)物的內(nèi)能；A、B、R1、R2為輸入?yún)?shù)。

藥形罩對(duì)成型聚能侵徹體的質(zhì)量好還起決定作用，直接決定了其毀傷性能的優(yōu)劣。本次計(jì)算選用的是紫銅，材料模型為MAT_JOHNSON_COOK，它是在考慮了金屬材料承受大應(yīng)力、高應(yīng)變率以及高溫的情況下，用來(lái)描述動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程和材料變形問(wèn)題。其屈服應(yīng)力表達(dá)式為

2 EFP成型過(guò)程仿真

采用中心點(diǎn)起爆的方式，針對(duì)EFP戰(zhàn)斗部模型進(jìn)行數(shù)值模擬，得到不同時(shí)刻的成型情況如圖3所示。

圖3 EFP戰(zhàn)斗部成型情況

仿真結(jié)果表明：起爆40 μs后，炸藥的爆轟作用基本結(jié)束；100 μs后EFP基本成型結(jié)束；200 μs后，EFP首尾沒(méi)有速度差，形狀勻稱(chēng)、結(jié)構(gòu)緊湊、不再改變，結(jié)束仿真。

3 EFP侵徹帶水隔艙研究

3.1 結(jié)構(gòu)模型

計(jì)算中，藥型罩、EFP裝藥、模擬戰(zhàn)斗部目標(biāo)均為軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，侵徹過(guò)程中也是軸對(duì)稱(chēng)的，為方便計(jì)算，建立1/2結(jié)構(gòu)模型，計(jì)算模型如圖4所示。起爆方式采用裝藥頂端中心點(diǎn)起爆，藥型罩、EFP裝藥、都采用Euler形式的網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，裝藥殼體與等效目標(biāo)靶板(儲(chǔ)水倉(cāng))采用Lagrange網(wǎng)格，使用45#鋼材料，忽略水介質(zhì)影響。兩種網(wǎng)格之間的接觸采用程序自帶的Lagrange-Euler自由耦合算法。

3.2 仿真計(jì)算分析

在查閱國(guó)內(nèi)外參考文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)帶水隔艙目標(biāo)進(jìn)行易損性分析，最終選定壁厚為5 mm的圓柱課題(等效為5mm厚雙層間隔靶板)，根據(jù)仿真成型過(guò)程的優(yōu)化分析，綜合考慮各個(gè)影響因素，初步選用裝藥直徑60 mm、裝藥高度為8 mm、內(nèi)罩壁曲率半徑為46.86 mm，壁厚分別為2.5 mm、3.0 mm、3.5 mm等壁厚藥形罩作為戰(zhàn)斗部毀傷元對(duì)目標(biāo)進(jìn)行毀傷效能分析。由表1可看出，三種壁厚條件下EFP均貫穿靶板，且穿孔孔徑均大于EFP直徑。

圖4 1/2計(jì)算模型

壁厚2．5mm3．0mm3．5mm0μs100μs180μs孔徑一38．66mm42．26mm35．52mm孔徑二34．28mm32．90mm35．12mm形式貫穿貫穿貫穿

從圖5所示的EFP速度曲線來(lái)看，壁厚為2.5 mm藥型罩剩余速度最大，壁厚3.5 mm EFP剩余速度最小，EFP貫穿第一層靶板后，并不是勻速運(yùn)動(dòng)，其原因是因?yàn)檎ㄋ幍谋Z產(chǎn)物在短時(shí)間內(nèi)對(duì)其作用力并未消失，當(dāng)貫穿第二層靶板厚，EFP經(jīng)歷一個(gè)減速的過(guò)程之后，速度趨于定值，整個(gè)侵徹過(guò)程結(jié)束；從貫穿口徑來(lái)看，當(dāng)壁厚選取3 mm藥型罩所形成的EFP對(duì)目標(biāo)第一層開(kāi)孔效果較好，對(duì)第二層靶板開(kāi)孔效果一般。壁厚為2.5 mm EFP與壁厚3.5 mm EFP對(duì)兩層靶板開(kāi)孔效果相當(dāng)，由此可看出并不是速度越大，開(kāi)孔能力就越大，也并不是藥型罩壁厚越大，開(kāi)孔效果越好。

圖5 EFP速度曲線(m/s)

4 結(jié)論

根據(jù)試驗(yàn)和模擬計(jì)算結(jié)果，將EFP戰(zhàn)斗部的侵徹過(guò)程分為兩個(gè)階段：開(kāi)坑階段和穩(wěn)定侵徹階段。本文選用了壁厚2.5 mm、3.0 mm、3.5 mm，裝藥高度80 mm，曲率半徑為46.86 mm的藥型罩進(jìn)行威力性能測(cè)試。研究結(jié)果表明，壁厚為3.0 mm的藥型罩對(duì)目標(biāo)靶板具有較好的開(kāi)孔能力，較適合作為戰(zhàn)斗部使用。

[1] 王志軍,尹建平.彈藥學(xué)[M].北京:北京理工大學(xué),2005:207-257.

[2] 呂錦鋒.高速侵徹體與水下爆炸波對(duì)艦舷結(jié)構(gòu)的聯(lián)合作用研究[D].南京:南京理工大學(xué),2005.

[3] 王海福,江增榮,俞為民,等.桿式射流裝藥水下作用行為研究[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2006,26(3):189-192.

[4] 楊莉,張慶明,巨圓圓,等.反艦聚能戰(zhàn)斗部裝藥結(jié)構(gòu)研究[J].兵工學(xué)報(bào),2009,30(S2):154-158.

[5] 邱磊.潛艇結(jié)構(gòu)的失效模式及影響分析[J].黑龍江科技信息,2016(30):64.

[6] 陳虹,冷文軍.美、俄核潛艇技術(shù)發(fā)展述評(píng)[J]. 艦船科學(xué)技術(shù),2008,30(2):38-44.

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StudyontheInfluenceofWallThicknessonEFPPenetrateandWaterBulkhead

WANG Shaohong， WANG Zhijun， YIN Jianping， YI Jianya， LI Yupin

(School of Mechanical Engineering，North University of China， Taiyuan 030051， China)

To carry out effective damage to the ship’s water compartment，this article mainly starts from the molding charge theory，the forming process of explosive forming pellets was simulated with LS-DYNA software and the process of penetrating water partition，The influence of the wall thickness on penetration effect was analyzed. The results show when the charge diameter is 60mm, the charge height is 46.86mm, The warhead with the wall thickness is 3 mm can effectively destroy the equivalent target plate with water bulkhead, and achieved a large perforation power requirement for the target.

EFP; water bulkhead; wall thickness; LS-DYNA

2017-09-16；

2017-10-06

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11572291)；山西省研究生聯(lián)合培養(yǎng)基地人才培養(yǎng)基金項(xiàng)目(20160033，20170028)

王少宏(1993—)，碩士研究生，主要從事兵器科學(xué)與技術(shù)研究。

10.11809/scbgxb2017.12.055

本文引用格式：王少宏，王志軍，尹建平，等.EFP侵徹帶水隔艙的數(shù)值模擬[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(12):253-255,291.

formatWANG Shaohong，WANG Zhijun，YIN Jianping， et al.Study on the Influence of Wall Thickness on EFP Penetrate and Water Bulkhead[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(12):253-255,291.

TJ410.3

A

2096-2304(2017)12-0253-03

(責(zé)任編輯楊繼森)