夾層聚能裝藥EFP成型及侵徹?cái)?shù)值模擬

李玉品，周春桂，王志軍，尹建平，徐全振

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

夾層聚能裝藥的基本結(jié)構(gòu)是由兩層不同爆速的炸藥組合在一起，其目的是利用炸藥爆速的差異改善爆轟波形，并以此改變藥型罩的壓垮變形。最初，M.Held[1]利用條紋轉(zhuǎn)鏡相機(jī)觀測(cè)了不同炸藥組合的夾層聚能裝藥中的爆轟波形。Toru Hamada、Liu Zhi-yue、Itoh S等[2-4]國(guó)外學(xué)者對(duì)高爆速和高密度裝藥(高密度裝藥為添加不同比例鎢粉的炸藥)構(gòu)成的夾層裝藥進(jìn)行了深入研究，揭示了夾層裝藥的作用機(jī)理。國(guó)內(nèi)，李福金、張先鋒等[5-6]學(xué)者研究了夾層聚能裝藥下射流的侵徹性能。王輝等學(xué)者[7]對(duì)復(fù)合裝藥在偏心起爆條件下的波形進(jìn)行了掃描實(shí)驗(yàn)。李常青等學(xué)者[8]對(duì)復(fù)合裝藥的沖擊波超壓特性進(jìn)行了研究。向梅等[9]學(xué)者還對(duì)復(fù)合裝藥安全性的優(yōu)選進(jìn)行了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模，并對(duì)復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)的能量輸出規(guī)律[10]進(jìn)行了數(shù)值模擬。此外，國(guó)內(nèi)外對(duì)于EFP(Explosive Formed Projectile，爆炸成型彈丸)的研究已相當(dāng)成熟，在藥型罩材料、藥型罩結(jié)構(gòu)、炸藥性能、起爆方式、帶隔板裝藥等方面均有詳細(xì)研究，但對(duì)于夾層聚能裝藥結(jié)構(gòu)下EFP成型和侵徹的研究還十分缺乏。

利用非線性有限元軟件Autodyn對(duì)夾層聚能裝藥結(jié)構(gòu)下3種典型藥型罩，即大錐角罩、球缺罩和弧錐結(jié)合罩，形成EFP及其侵徹過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過(guò)與單一裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)夾層聚能裝藥能夠顯著改善爆轟波形，提高EFP侵徹性能。

1 模型建立

1.1 裝藥幾何模型

裝藥幾何尺寸如下：裝藥口徑為80 mm，裝藥高度為70 mm，其中內(nèi)層炸藥直徑為70 mm，外層炸藥厚度為5 mm。

藥型罩選擇3種典型結(jié)構(gòu)，大錐角罩、球缺罩和弧錐結(jié)合罩。藥型罩厚度為2.5 mm，其中大錐角罩錐角為145°；球缺罩外曲率半徑為72 mm(0.9倍裝藥直徑)；弧錐結(jié)合罩圓弧部分外曲率半徑為72 mm，錐形部分錐角為145°。起爆方式為端面中心點(diǎn)起爆。幾何模型如圖1所示。

圖1 裝藥幾何模型

1.2 裝藥有限元模型及材料參數(shù)

利用Autodyn-2D建立仿真模型，鑒于裝藥結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，建立1/2模型以節(jié)省計(jì)算時(shí)間，并在裝藥軸線和邊緣位置設(shè)置高斯點(diǎn)，如圖2所示。炸藥、藥型罩都采用Euler算法以適應(yīng)其在爆轟過(guò)程中的大變形特點(diǎn)，Euler域設(shè)定Flow-out邊界條件以消除爆轟波反射的影響。在侵徹靶板過(guò)程中，靶板采用Lagrange算法，與Euler域的連接方式為自動(dòng)流固耦合。

藥型罩材料為高導(dǎo)無(wú)氧銅，狀態(tài)方程為Shock，強(qiáng)度模型為Steinberg-Guinan；靶板材料為裝甲鋼(RHA)，模型主要參數(shù)見表1所示。外層炸藥為HMX炸藥，選擇JWL狀態(tài)方程；內(nèi)層炸藥為B炸藥，選擇沖擊起爆的Lee-Tarver模型，其主要參數(shù)如表2所示。

圖2 裝藥有限元模型

材料ρ/(g·cm-3)G/GPaσY/GPaγ高導(dǎo)無(wú)氧銅8.9347.70.122.02RHA7.8664.11.51.67

表2 炸藥及其主要參數(shù)

2 EFP成型模擬

2.1 爆轟波傳播過(guò)程分析

夾層聚能裝藥結(jié)構(gòu)由于內(nèi)外層炸藥爆速的差異，爆轟波波形不同于傳統(tǒng)球形波，其傳播過(guò)程和特點(diǎn)如圖3(a)所示。作為對(duì)比，圖3(b)為單一裝藥中爆轟波傳播過(guò)程。圖4為夾層聚能裝藥軸線和邊緣處高斯點(diǎn)(見圖2)壓力歷程曲線。

圖3 爆轟波傳播過(guò)程

從圖3爆轟波形狀及圖4高斯點(diǎn)壓力歷程曲線可以發(fā)現(xiàn)：

1) 單一裝藥中，爆轟波為散心球形波。而夾層裝藥結(jié)構(gòu)下爆轟波形更加接近平面波，有利于減小爆轟波與藥型罩母線夾角從而增加作用在罩面上的初始?jí)毫Α?/p>

2) 通過(guò)軸線上高斯點(diǎn)的壓力歷程曲線可以看出，爆轟波傳播過(guò)程中，波陣面峰值壓力逐漸增大。靠近罩頂處壓力達(dá)到37 GPa，遠(yuǎn)大于內(nèi)層炸藥的C-J爆轟壓力，說(shuō)明內(nèi)層炸藥發(fā)生了超壓爆轟，這無(wú)疑也增加了作用在藥型罩上的初始?jí)毫Α?/p>

3) 從夾層裝藥壓力云圖和高斯點(diǎn)7-10的壓力歷程曲線可以發(fā)現(xiàn)，內(nèi)層裝藥邊緣處壓力最大且峰值壓力約為50 GPa，這有利于藥型罩邊緣部分的壓垮。

圖4 高斯點(diǎn)壓力歷程曲線

2.2 EFP成型及分析

80 μs時(shí)，EFP成型已趨近穩(wěn)定。此時(shí)，3種典型藥型罩在單一裝藥結(jié)構(gòu)和夾層裝藥結(jié)構(gòu)下形成的EFP如圖5所示。

EFP參數(shù)如表3所示，其中Vh為EFP頭部速度，Ek為EFP動(dòng)能，η為EFP頭部密實(shí)度(EFP頭部密實(shí)部分占EFP總長(zhǎng)度的比值)，λ為EFP長(zhǎng)徑比。

從圖5可以發(fā)現(xiàn)，3種典型結(jié)構(gòu)的藥型罩所形成的EFP形狀差異很大。大錐角罩EFP外形粗短，中心壓攏密實(shí)并存在明顯的反向凸起；球缺罩EFP較為細(xì)長(zhǎng)且內(nèi)部空腔大；弧錐罩EFP外形類似較球缺罩但頭部更為密實(shí)。夾層裝藥下形成的EFP保留了由藥型罩結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的形狀特點(diǎn)，但EFP的密實(shí)度明顯增加。

根據(jù)表3，對(duì)于相同幾何形狀的藥型罩，夾層裝藥條件下形成的EFP在頭部速度、動(dòng)能、密實(shí)度、長(zhǎng)徑比方面均有明顯提升，這與上述對(duì)夾層裝藥爆轟波的傳播特點(diǎn)的分析是一致的。對(duì)于大錐角罩，夾層裝藥下EFP頭部速度提高了145 m/s(約6%)，動(dòng)能提高了49 kJ(約20%)，密實(shí)度提高了16%，長(zhǎng)徑比增加了0.4。對(duì)于球缺罩，夾層裝藥下EFP頭部速度提高了99 m/s(約4%)，動(dòng)能提高了54 kJ(約22%)，密實(shí)度提高了12%，長(zhǎng)徑比增加了0.22。對(duì)于弧錐罩，夾層裝藥下EFP頭部速度提高了186 m/s(約9%)，動(dòng)能提高了45 kJ(約19%)，密實(shí)度提高了4%，長(zhǎng)徑比增加了0.21。通過(guò)上述數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)：相比于單一裝藥，夾層裝藥條件下弧錐罩EFP頭部速度提升最大，但其密實(shí)度提升最不明顯；大錐角罩EFP密實(shí)度和長(zhǎng)徑比提升最顯著；球缺罩EFP動(dòng)能提升最高。

圖5 不同裝藥結(jié)構(gòu)下EFP成型圖

Vh/(m·s-1)Ek/kJη/%λ大錐角罩(單一裝藥)2 357247321.44大錐角罩(夾層裝藥)2 502296481.84球缺罩(單一裝藥)2 331243152.21球缺罩(夾層裝藥)2 430297272.43弧錐罩(單一裝藥)2 160239281.13弧錐罩(夾層裝藥)2 346284321.34

2.3 EFP侵徹能力分析

夾層裝藥下EFP頭部速度、動(dòng)能、密實(shí)度、長(zhǎng)徑比均有所提高，但這并不能直觀、準(zhǔn)確的判斷EFP侵徹性能。為更進(jìn)一步了解夾層裝藥下EFP的侵徹能力，進(jìn)行了侵徹裝甲鋼的數(shù)值分析。炸高取190 mm(約2.4倍裝藥直徑)，起爆后80 μs，EFP開始侵徹鋼靶(厚100 mm)。150 μs時(shí)，侵徹結(jié)束(EFP速度已降至10 m/s以下，完全失去了侵徹能力)，此時(shí)，靶板開孔情況如表4所示，其中Dp是侵徹深度，d1是開孔直徑。

表4 侵徹模擬結(jié)果

通過(guò)靶板開孔形狀可以發(fā)現(xiàn)3種藥型罩形成的EFP侵徹特點(diǎn)，大錐角罩EFP開孔形狀中間深四周淺，這是由于大錐角罩EFP軸心處密實(shí)度高，能量密度高，所以中心處能夠獲得更大的侵徹深度。球缺罩EFP侵徹靶板時(shí)，開孔四周深中間淺，孔中心處產(chǎn)生一個(gè)“凸芯”，這是由于球缺罩EFP內(nèi)部空腔大，頭部密實(shí)度差從而導(dǎo)致軸心部分沒有足夠能量繼續(xù)侵徹。弧錐罩EFP開孔特點(diǎn)類似球缺罩，但中間的“凸芯”并不明顯，因?yàn)榛″F罩EFP頭部密實(shí)度較高。

與單一裝藥結(jié)構(gòu)相比，夾層裝藥條件下大錐角罩EFP侵深增加了12 mm，增幅為40%，開孔直徑增加了9 mm。球缺罩EFP侵徹深度增加了6 mm，增幅約為18%，開孔直徑略有下降且“凸芯”高度明顯降低。弧錐罩EFP侵徹深度增加了6 mm，增幅約26%，開孔直徑略有增加且孔底“凸芯”近乎消失。綜上，夾層裝藥結(jié)構(gòu)能夠有效提高EFP的侵徹性能，其中大錐角罩提升最為顯著。

3 結(jié)論

1) 夾層裝藥結(jié)構(gòu)能夠有效改善爆轟波形，減小波陣面與藥型罩表面夾角；夾層裝藥中內(nèi)層炸藥發(fā)生超壓爆轟，使得波陣面壓力遠(yuǎn)大于單一裝藥，上述兩方面都使作用在藥型罩表面壓力增加。

2) 夾層裝藥結(jié)構(gòu)能夠有效提高EFP的速度、動(dòng)能、頭部密實(shí)度和長(zhǎng)徑比，使EFP侵徹能力明顯提升。