一種包覆式復合侵徹體的仿真研究*

劉亞昆,吳國東,王志軍,尹建平,王 超,孫加肖

(中北大學機電工程學院,太原 030051)

0 引言

傳統的金屬毀傷元存在著威力不足的狀況,為了提高彈藥的毀傷威力,人們積極發展新型活性毀傷元技術。活性毀傷元是通過動能侵徹和爆炸化學能釋放兩種毀傷機理的聯合作用,為大幅度提升常規彈藥戰斗部毀傷威力提供了新的技術途徑,被認為是支撐下一代命中即摧毀彈藥戰斗部裝備研發的核心關鍵技術[1-2]。2010年,門建兵等人提出一種包覆式爆炸成型復合侵徹體(wrapping explosively formed compound penetrator,WEFCP)將活性材料預制在藥型罩前,在炸藥的爆炸驅動下藥型罩包覆活性材料,從而獲得高速飛行的復合侵徹體[3-4]。國外研究了一種在聚能裝藥中加入引燃材料的裝藥技術,引燃介質為圓片形的鋯合金,安放在藥型罩前,裝藥起爆后,藥型罩擠壓引燃材料使其自燃,形成一個明火燃燒破甲能力較強的爆炸成型彈丸。實驗表明這種彈丸即使在-18 ℃大風條件下,也能引燃15 m外裝有55加侖柴油的油桶[5]。

在此基礎上文中設計一種包覆式聚能裝藥結構,采用弧錐結合藥型罩[6],裝藥頂端面中心點起爆,藥型罩在爆轟波驅動下得到3段侵徹體,其毀傷機理為:前端部分用來先行破甲和開孔,后端部分包裹有活性材料的復合侵徹體以較慢的速度在后運行,待其碰撞靶板或進入目標后,復合侵徹體發生反應,從而提高對目標的毀傷效應[7]。針對裝藥長徑比、包覆物與藥型罩間距和包覆物形狀,進行了3段侵徹體成型影響因素分析,并將成型的3段侵徹體對兩間隔鋼靶進行了侵徹模擬驗證。

1 計算模型

1.1 結構模型

包覆式聚能裝藥結構的幾何模型如圖1所示。其中:D1為藥型罩直徑,D為裝藥直徑,L為裝藥長度,A為包覆物和藥型罩內表面間距。中心點起爆,起爆點在裝藥頂端面。弧形部分藥型罩為球缺罩,球缺罩外曲率半徑R1=102 mm,球缺罩內曲率半徑R2=137 mm,弧錐結合部光滑連接,錐形部分錐角2α=148°,等壁厚H=2 mm。

1.2 有限元模型

用AUTODYN軟件進行仿真,包覆式聚能裝藥結構有限元模型如圖2所示。

該結構為軸對稱結構,只需建立1/2模型。因為聚能裝藥爆炸及藥型罩壓垮、閉合均屬于大變形問題,所以殼體、炸藥、藥型罩以及空氣均采用Euler算法。為更好的模擬侵徹體成型過程及狀態,在侵徹體成型的通道上采用網格加密的方式建立有限元模型,并通過在空氣邊界上添加“FLOWOUT”邊界來消除邊界效應。殼體材料為鋁,炸藥為B炸藥,藥型罩材料為軟鋼,材料的狀態方程和強度模型見表1,材料參數取自AUTODYN材料庫,活性材料參數如表2所示。數值模擬中單位制為mm-mg-ms。

表1 材料狀態方程和強度模型

2 3段侵徹體成型過程

在裝藥頂端面中心點起爆,藥型罩的炸藥裝藥被引爆后,爆轟波將從裝藥底部向前傳播,藥型罩在爆轟波驅動下對活性材料進行包覆,由于爆轟波波陣面作用于藥型罩的時間和藥型罩壁厚存在差異,藥型罩的壓垮速度也不同。3段侵徹體成型過程如圖3所示。

表2 活性材料參數

由圖3可知,在侵徹體成型過程中,主裝藥起爆32.6 μs時藥型罩在爆轟波驅動下,整體形成壓垮型的EFP。在97.3 μs時藥型罩在弧錐結合處被拉斷,由弧形部分對活性材料進行包覆,錐形部分在軸線處匯聚和擠壓,用于對目標進行先行破甲和開孔。在135 μs時藥型罩錐形部分匯聚擠壓存在速度差,逐漸形成兩段侵徹體。在172.4 μs時3段侵徹體成型并穩定飛行,第三段侵徹體為包覆有活性材料的復合侵徹體。研究得到的3段侵徹體具有合理的速度梯度,第一段速度為2 580 m/s,第二段速度為2 390 m/s,第三段速度為2 180 m/s,且第三段侵徹體為包裹有活性材料的復合侵徹體。其毀傷機理為:前兩段侵徹體用于對目標進行破甲一次毀傷以保證復合侵徹體打入目標內部或對目標進行二次毀傷。

3 3段侵徹體成型影響因素

主要探討圖1提出的小長徑比聚能裝藥結構中在藥型罩結構參數優化確定后,聚能裝藥長徑比(L/D)、包覆物與藥型罩間距A和包覆物的形狀對3段侵徹體成型的影響。分別取長徑比為0.5、0.42、0.36、0.31、0.29,包覆物與藥型罩間距A=0 mm、0.25 mm、0.5 mm、0.75 mm,包覆物形狀分別取球冠形、球缺形和半球形。

3.1 裝藥長徑比對成型的影響

在討論長徑比對成型的影響時,藥型罩采用優化后的結構參數,固定其他變量值,選取包覆物為球冠形,包覆間距A=0.5 mm,藥型罩直徑D1=100 mm,裝藥長度L=50 mm,通過改變裝藥直徑來改變裝藥長徑比(L/D),模擬3段侵徹體成型如表3所示。

表3 裝藥長徑比對成型的影響

由表3可知,在保證活性材料被完整包覆的前提下,長徑比為0.42～0.5時,作用于藥型罩底部的裝藥量不足,3段侵徹體不能很好的成型,第一段侵徹體頭部不夠密實不利于形成大開孔;長徑比為0.31～0.36時,3段侵徹體成型良好,具有合理的速度梯度;裝藥長徑比為0.29時,第一段侵徹體氣動外形不好,第二段侵徹體頭部出現頸縮,有斷裂趨勢,整體速度并無明顯變化,且受限于實際應用,裝藥直徑的增加意味著戰斗部口徑變大,同時裝藥直徑過大會造成炸藥的側向分散,造成資源浪費。綜上分析,在實際運用中對特定材料進行包覆選用長徑比約為0.31～0.36時即可,即裝藥長度L=50 mm,裝藥直徑D=140～160 mm。

3.2 包覆物與藥型罩間距對成型的影響

在討論間距對成型的影響時,藥型罩采用優化后的結構參數,固定其他變量值,選取包覆物為球冠形,藥型罩直徑D1=100 mm,裝藥長度L=50 mm,裝藥長徑比L/D=0.36,改變包覆物與藥型罩間距A,模擬三段侵徹體成型如表4所示。

表4 間距對成型的影響

由表4可知,當包覆間距為0時,包覆物受力較早,速度提升較快,造成包覆物溢出,不能完整包覆;當包覆間距為0.25 mm時,與包覆物接觸的藥型罩中心部分過早受到包覆物的反沖力,不利于錐形部分藥型罩進行壓垮,使得第一段侵徹體不具有良好的氣動外形;與此對應,當包覆間距為0.75 mm時,與包覆物接觸時藥型罩中心部分受到包覆物的反沖力的時間較晚,錐形部分藥型罩在壓垮的過程中,沒有形成合理的速度梯度,不利于侵徹。綜上分析,包覆物與藥型罩間距取A=0.5 mm,即0.005D1。

3.3 包覆物形狀對成型的影響

在討論包覆物形狀對成型的影響時,藥型罩采用優化后的結構參數,固定其他變量值,選用藥型罩直徑D1=100 mm,裝藥長度為50 mm,裝藥長徑比L/D=0.36,包覆間距為0.5 mm,在包覆物質量相同的前提下,改變包覆物的形狀,模擬3段侵徹體的成型如表5所示。

表5 包覆物形狀對成型的影響

由表5可知,包覆物的形狀對成型影響較大,當包覆物形狀為球缺型和半球型時,包覆物中心較為密實,使得包覆物對藥型罩反作用力較大,包覆物邊緣受力較晚,藥型罩包覆時,藥型罩邊緣與包覆物之間速度差較大,在短時間被拉斷,不利于3段侵徹體的形成。包覆物形狀為球冠型時,3段侵徹體具有合理的速度梯度,且包覆效果更好,因此,包覆物形狀選用球冠形。

4 侵徹威力驗證

將成型的3段侵徹體對間隔為70 mm、厚度為20 mm的鋼靶進行侵徹模擬,鋼靶材料為材料庫中4340鋼,如表6所示,計算模型如圖4所示。

表6 4340鋼參數

炸藥和藥型罩等采用多物質Euler算法,靶板采用拉格朗日算法,二者之間的相互作用通過流固耦合來模擬,聚能裝藥頂端面中心點起爆,炸高為400 mm,侵徹靶板結果如圖5所示。

由圖5可知,在172.4 μs時,成型的3段侵徹體接觸靶1開始侵徹。起爆后212.5 μs,靶1被前兩段侵徹體完全貫穿,為第三段包裹有活性材料的復合侵徹體開辟通道。起爆后232 μs,復合侵徹體開始侵徹靶2,此時靶1開孔直徑為42 mm,復合侵徹體速度為2 092 m/s。起爆后300 μs,靶2被完全貫穿,開孔直徑為49 mm,形成的沖塞塊速度為442 m/s。結果表明,前兩段侵徹體可以為第三段侵徹體開辟無能耗通道,保證包裹有活性材料的復合侵徹體打入目標內。

5 結論

1)研究得到具有合理速度梯度的3段侵徹體,第3段為包覆有活性材料的復合侵徹體。分析三段侵徹體成型的影響因素,結果表明:對于包覆式聚能裝藥存在一個最優長徑比范圍,且包覆物與藥型罩的間距過小或過大都會造成侵徹體成型較差,本研究中長徑比范圍為0.31～0.36,間距取0.5 mm,即為0.005藥型罩直徑,包覆物形狀為邊緣薄中間略厚的球冠形時,包覆物受力最佳,侵徹體整體成型較好。

2)驗證3段侵徹體的侵徹能力,對厚度為20 mm,間隔為70 mm的鋼靶進行侵徹模擬,結果表明:包覆式聚能裝藥結構可對間隔靶目標造成有效毀傷。