聚能裝藥戰斗部藥型罩壁厚對有利炸高影響的數值分析*

郭 帥,張國偉,王一鳴,孫 韜

(中北大學機電工程學院,太原 030051)

0 引言

聚能射流侵徹靶板過程是一個高速瞬態的物理化學力學過程[1]。隨著計算機數值仿真軟件的快速發展和仿真技術的不斷成熟,采用計算機模擬的方法進行戰斗部結構設計和研究已經成為一種重要的手段。與試驗相比,該方法不受時間、空間、氣候等條件的限制,而且所用時間短,很大程度上節約了人力、物力。

所謂炸高,即聚能裝藥發生爆炸的瞬間,藥型罩底部與目標表面兩者之間的實際距離。就聚能裝藥戰斗部自身來講,都存在一個與之相對應的炸高,此位置侵徹的深度最大,這個炸高稱為有利炸高。

有利炸高與炸藥性能和藥型罩材料、錐角、壁厚等因素有關,其數值不能通過函數公式等方式計算得出,僅可憑借實際試驗的方式獲取,因此其成本費用較高[1]。文中在其他條件相同的條件下,只改變炸高與藥型罩的壁厚,通過數值模擬分析的方式對不同壁厚結構的藥型罩在炸高和侵深方面的關系展開探究,獲取不同戰斗部結構的有利炸高,以發揮戰斗部的最大威力。

1 仿真方案的確定

聚能裝藥是一端裝有內凹金屬罩的炸藥裝藥,在引爆另一端炸藥之后,形成的爆轟波將會以很高的速度作用到金屬罩上,使金屬罩變形并將藥型罩向中心方向擠壓,擠壓的過程中會在軸線部位出現碰撞,進而在碰撞的高壓作用下,出現速度極高的金屬射流[11]。文中將TG軟件作為基礎工具,建立戰斗部模型和靶板模型,通過ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件數值模擬聚能射流形成及侵徹靶板過程,在控制材料參數等其他因素不變的條件下,通過改變藥型罩的壁厚及對應的炸高,最終得到所研究裝藥結構的有利炸高。具體仿真方案為:聚能裝藥戰斗部分別采用壁厚為1.4 mm、1.6 mm、1.8 mm 3種不同類型的藥形罩結構,對應的每類藥形罩結構分別取以0.5D為間隔,由4.0D到6.5D變化的六組不同的炸高。其中,D為裝藥直徑。

2 數值模擬

2.1 裝藥結構模型

藥型罩的材料構成是紫銅,炸藥類型是B炸藥。裝藥結構如圖1所示,其中:D代表裝藥直徑,t代表藥型罩壁厚;L代表起爆點到藥形罩錐頂的距離,L=0.8D,β為錐角。其中D=100 mm,β=41°,t分別取1.4 mm、1.6 mm、1.8 mm。

2.2 材料模型

在文中的數值模擬中,炸藥爆炸過程和藥型罩壓垮過程均屬于大變形問題,因此破甲戰斗部各材料模型包括炸藥、空氣、藥型罩、殼體和靶板之間的相互作用采用ALE算法進行數值模擬。文中當中使用的炸藥類型是B炸藥,相應的藥型罩材料是紫銅,靶板使用的是45#鋼,殼體使用的是鋼材。

1)B炸藥的相關參數如下:ρ=1.717 g/cm3,VD=7.98 km/s,PCJ=29.5 GPa。挑選的相應炸藥材料模型是MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型,狀態方程為EOS_JWL,基本形式為:

(1)

式中:p代表壓力;E代表爆轟產物內能;V代表爆轟產物相對體積;A、B、R1、R2與ω是待定常數[12],如下表:

表1 B炸藥的主要參數

2)藥型罩挑選的是紫銅,模型與狀態方程分別是MAT_JOHNSON_COOK與EOS_GRUNEISEN。其中狀態方程基本形式是:

對于可壓縮材料:

(2)

對于膨脹材料:

p=ρ0C2μ+(γ0+αμ)E

(3)

3)空氣模型是MAT_NULL,狀態方程是EOS_LINEAR_POLYNOMIAL,狀態方程基本形式為:

p=C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+(C4+C5μ+C6μ2)E

(4)

4)殼體材料是鋼質,模型與狀態方程分別是MAT_JOHNSON_COOK與EOS_GRUNEISEN。

5)靶板是45#鋼。

仿真模型中各材料的主要仿真參數如表2所示[12]。

表2 各材料主要參數

2.3 計算模型

模型計算采用多物質ALE算法,采用Euler網格建模,靶板和殼體采用Lagrange網格建模,設置相關約束條件,并且各材料之間使用耦合算法。起爆方式為主藥柱頂部單點中心起爆。研究的相應問題對稱性較為明顯,在計算正確的基礎上以節約計算單位為目的,進行模擬計算的時候加了對稱面的方式進行,即建立四分之一數值計算模型如圖2所示。

3 數值模擬結果分析

3.1 仿真結果

圖3展示的是藥型罩由于壓垮出現射流,進入到靶板當中的相應過程(以藥形罩壁厚為1.6 mm,炸高為500 mm為例)。

圖4給出了由仿真得到的藥型罩在3種罩壁厚條件下對靶板破甲深度L與炸高H之間的函數關系。圖5表示出在6種炸高條件下對靶板的破甲深度L和藥型罩厚度t的關系。

3.2 結果分析

觀察圖4能夠發現:在不同的裝藥和錐孔結構下,其對應的有利炸高不同。一定范圍當中,隨著藥型罩壁厚的增加,有利炸高呈現出較高的穩定性;壁厚相同時,破甲深度隨炸高的增加呈現出先增大后減小的趨勢。由圖5可以看出,在相同的條件下,不同的炸高對應著不同的最佳罩壁厚度。分析其主要原因是由于在炸藥爆轟能量能充分壓縮金屬藥型罩產生金屬射流的條件下,金屬射流的質量增加了,其侵徹動能也隨之增加,因此藥型罩壁厚的增加將會提高聚能作用。但是藥型罩的壁厚過厚,就會使藥型罩的壓垮速度減小,藥型罩翻轉過程中就會被炸成碎塊,因而不能夠形成正常的金屬射流,從而會降低侵徹深度。

4 結論

針對提高戰斗部大炸高下的破甲能力,文中以大炸高為基礎條件,用數值仿真方法就不同壁厚的藥型罩形成的射流并侵徹鋼靶板過程展開了對比與數值分析。其中模型計算采用多物質ALE算法,設置相關約束條件。起爆方式為主藥柱頂部單點中心起爆。得到結論如下:

1)在其他材料參數等因素相同的條件下,在一定壁厚范圍內,隨著藥型罩壁厚的增加,有利炸高呈現出較高的穩定性。

2)文中的數值仿真結果表明,對于一定結構的彈丸,存在著最佳炸高,小于最佳炸高時破甲深度隨炸高的增加而增加,反之則會降低。

3)針對文中所研究的聚能裝藥結構,當藥型罩壁厚處于1.4～1.8 mm范圍、炸高處于4.0D～6.5D范圍當中時,隨著藥型罩壁厚增加,侵徹深度先增大后減小。

4)此聚能裝藥結構的最佳壁厚為1.6 mm,有利炸高區間為罩底徑的4.5～5倍最大侵徹深度約為裝藥直徑的6.27倍。

5)該研究可為聚能裝藥結構設計及其工程應用提供一定的理論依據。