超聚能-球缺復合藥型罩形成侵徹體的數值模擬

張凱奇，周春桂，王志軍，湯雪志，張增軍

(1.中北大學 機電工程學院， 太原 030051；2.河北第二機械工業有限公司，石家莊 050031)

隨著各國對潛艇結構持續優化和采取防爆設計，以及不斷提高耐壓殼體的材料性能，傳統的爆破型魚雷戰斗部，僅僅依靠裝藥爆炸在水中形成的沖擊波和氣泡脈動毀傷目標，其能量利用率低，已很難重創現代艦艇；而選擇普通的聚能金屬射流和聚能桿式射流對雙層殼體艦艇進行毀傷，穿孔孔徑較小，無法對現代艦艇造成重創；雖然現有科研人員研究出超聚能藥型罩，通過增大壓垮角，大大提高藥型罩的利用率，增大射流直徑，但其穿孔能力仍顯不足；若選用爆炸成形彈丸對雙層殼體艦艇進行毀傷，由于在侵徹水層的過程中自身變形嚴重并且會損失大部分材料，導致其逐漸喪失侵徹第二層殼體的能力，無法對雙層殼體艦艇造成有效毀傷[1]。

基于以上所述，作者從藥型罩的材料和結構兩方面考慮，研究一種新型的具有復合藥型罩結構的戰斗部，即超聚能-球缺復合藥型罩。分析了新型藥型罩對水夾層復合靶結構的毀傷效應，并與普通藥型罩的侵徹性能做了對比[2]。

1 戰斗部結構及成型機理

1.1 戰斗部結構及幾何模型

新型復合藥型罩結構的幾何模型如圖1所示。其主要結構參數：殼體厚度為3 mm,球缺罩口徑為D=100 mm，壁厚為3 mm,小藥型罩口徑為40 mm，壁厚為2 mm，輔助藥型罩直徑為20 mm，厚度為3 mm，輔助藥型罩部分藥柱高為h=122 mm，球缺罩部分藥柱高為H=150 mm，起爆方式為中心點起爆[3]。

圖1 戰斗部結構幾何模型

1.2 成型過程分析

與經典聚能射流相比，超聚能射流不僅頭部速度更大，而且其質量也遠大于經典射流。超聚能裝藥主要是通過給經典聚能裝藥添加輔助藥型罩來形成。輔助藥型罩將給藥型罩一個更強更持久的沖擊壓力，使罩壁微元起爆后的運動形式發生轉變，增大壓垮角，使大部分藥型罩質量進入射流從而增大射流質量，由于藥型罩頂部發生翻轉的同時也向中心擠壓，所以超聚能射流速度不低于傳統射流[4-5]。而對于普通的球缺罩，裝藥爆炸時，藥型罩將在爆炸載荷作用下，通過翻轉、壓縮和拉伸而形成EFP。據此，周方毅等[6]設計了一種雙球缺組合藥型罩，該戰斗部利用前級小球缺罩形成的聚能射流能為后續大球缺罩形成的爆炸成型彈丸(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的毀傷效果。

而文中所述結構中的藥型罩分別采用不同材料，輔助藥型罩采用金屬鉭，小藥型罩采用相對低密度材料紫銅，球缺罩采用金屬鉭，當裝藥引爆后，上部分的超聚能罩在炸藥的爆炸作用下，產生壓垮運動，會形成超聚能射流，下部分的球缺罩通過翻轉、壓縮和拉伸而形成爆炸成型彈丸(EFP)。由于上下兩藥型罩所用材料和結構都不同，形成侵徹體特性差別很大[7-8]。兩種侵徹體本身存在很大速度差，因此不會互相產生干擾。對目標侵徹時，超聚能罩形成的超聚能射流首先完成對第一層靶板的穿孔破壞作業并且在雙層靶板之間的水域運動中形成空腔。隨之，球缺罩形成的爆炸成型彈丸(EFP)跟進并完成對第二層靶板的侵徹作用。超聚能射流能夠為后續的EFP開辟通道，可減少運動過程中水的阻力對其產生的能量損耗，對第二層靶板產生更有效的毀傷。這種新型戰斗部，可有效的提高對水夾層復合靶板的擴孔能力。

2 數值模擬分析

2.1 計算模型

首先運用TrueGrid前處理軟件建立模型并進行網格劃分，然后運用ANSYS/LS-DYNA程序中的*INITIAL_VOLUME_FRACTION_GEOMETRY對所建立的模型進行材料填充，模型如圖2。這樣建立出來的模型網格更均勻，可以減少計算時間以及出錯率。由于該結構為軸對稱結構，所以建立二維有限元模型時只需建1/2模型，以減少模型單元數目，節約計算時間。

圖2 成型裝藥有限元模型

ANSYS/LS-DYNA 程序主要包括 Lagrange、Euler和 ALE3種算法。由于射流形成的過程中，隨著炸藥材料和藥型罩材料發生愈來愈烈的變形，計算網格畸變嚴重，最終導致計算無法進行，因此對于射流成型及侵徹全過程用 Lagrange方法不能準確模擬。Euler算法以空間坐標為基礎，使用這種方法劃分的網格和所分析的物質結構是相互獨立的，網格在整個分析過程中始終保持最初的空間位置不動，有限元節點即為空間點，其所在空間的位置在整個分析過程始終是不變的。可以完成射流成型及侵徹全過程的模擬，但由于算法自身的特點，這種方法在物質邊界的捕捉上是困難的。故采用LS-DYNA970的多物質ALE方法來進行模擬射流形成、延展及斷裂的過程。這種方法兼具Lagrange方法和Euler方法二者的特長。除聚能裝置外，對多物質ALE方法而言，還需要建立足以覆蓋整個射流范圍的空氣以及水介質網格。藥型罩、炸藥、空氣和水采用ALE算法，殼體和靶板采用Lagrange算法，藥型罩、炸藥、空氣、水和殼體、靶板之間分別考慮了流固耦合。為了提高計算效率以及防止殼體網格由于變形過大而導致計算出錯，在50 μs時進行重啟動，將殼體刪除，此時殼體對裝藥的聚能效應已經可以忽略。單位制為cm-g-μs，有限元模型如圖3。

圖3 成型裝藥水下侵徹有限元模型

2.2 材料模型選擇及參數選取

聚能裝藥采用B炸藥，用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN的材料模型，EOS_JWL狀態方程進行描述。此方程是Jones-Wilkins-Lee研究得到的，并假定爆轟前沿以常速率傳播。JWL狀態方程定義壓力為相對體積V和單位體積的初始能量E的函數

式中：參數ω、A、B、R1和R2為表征炸藥特性的常數，該狀態方程能很好地描述高能炸藥，因為它在涉及結構金屬加速度的應用中可以確定炸藥的爆轟壓力。殼體用7039鋁，靶板采用4340鋼，其材料參數全部來自Autodyn材料庫。藥型罩材料模型選用PLASTICKINEMATIC。材料具體參數值如表1所示。

表1 藥型罩材料參數值

為了能給水賦予靜水壓力，所以選用了LINEAR_POLYNOMIAL多項式狀態方程。該方程可以通過比內能給水賦予靜水壓力。具體參數由Autodyn材料庫中的水的Polynomial(多項式)狀態方程轉換所得。靜水壓力的計算公式為P=P0+ρgh，P0為水面處的大氣壓，取101.3 kPa。忽略水的密度在深度方向的變化，取1.0 g/cm3，計算500 m水下的靜水壓力為5.001 3 MPa。

利用水的多項式狀態方程給水賦予初始比內能，從而施加靜水壓力[9-10]。

e=1.786 179×10-4J/kg

C4為水的多項式狀態方程中一個參數，取值0.28。具體參數值如表2所示。

表2 水的材料參數值

2.3 復合藥型罩成型過程

侵徹體成型過程如圖4所示。可以看出：中心裝藥起爆后約20 μs，輔助藥型罩在爆轟波作用下首先變形；在25 μs左右時，由于爆轟波沖擊作用以及輔助藥型罩的變形作用下，小口徑藥型罩受到一個軸向的動量，改變了藥型罩微元原有的運動方式，使得藥型罩頭部微元以及其他部分先后進行翻轉。徑向上，隨著爆轟波作用于藥型罩的各部分次序，使得藥型罩依次向軸線方向運動，與此同時，底部大口徑藥型罩也開始被壓垮、變形；在40 μs左右時，頂部小口徑藥型罩在對稱軸線附近發生劇烈碰撞擠壓，進而形成高性能的超聚能射流，此時超聚能射流開始接觸第一層靶板；在50 μs時，超聚能射流已經穿透第一層靶板并進入水介質，由于水中阻力的緣故，超聚能射流頭部速度開始減小；在110 μs左右時，底部大口徑藥型罩通過翻轉、壓縮和拉伸最終形成爆炸成型彈丸(EFP)。由于兩藥型罩材料性能及結構特性不同，形成了速度梯度相差很大的兩種不同的毀傷元。

圖4 侵徹體成型過程示意圖

3 侵徹能力分析

超聚能-球缺復合藥型罩侵徹水夾層靶板過程如圖5所示。第一層靶板為4 mm厚，第二層靶板為15 mm厚，中間水夾層長為500 mm。從圖中可以看出：在40 μs左右時，超聚能射流與第一層靶板接觸并開始侵徹；在50 μs左右時，裝藥在空氣中爆炸產生的高溫、高壓爆轟產物進入侵徹孔洞，開始對第一層靶板進行擴孔；在70 μs左右時，球缺罩形成的EFP開始接觸第一層靶板，進一步擴大侵徹孔徑；在150 μs時，可以看出超聚能射流已經在雙層靶板之間的水域運動中形成空腔為后續的EFP開辟出通道，減少運動過程中水的阻力對其產生的能量損耗；在280 μs左右時，超聚能射流與第二層靶板接觸并開始侵徹；在540 μs左右時，球缺罩形成的EFP進入侵徹孔洞，開始對第二層靶板進行擴孔；在800 μs左右時，新型組合藥型罩形成的兩種毀傷元對目標完成侵徹。

圖5 侵徹體侵徹水夾層靶板過程

圖6為同口徑球缺罩、以及超聚能藥型罩與超聚能-球缺復合藥型罩所形成侵徹體對水夾層復合靶的侵徹結果。三種不同藥型罩形成的侵徹體侵徹水夾層復合靶的孔徑值如表3所示。

圖6 對水夾層復合靶的侵徹結果

表3 不同侵徹體侵徹水夾層靶板的孔徑值 mm

可以看出：球缺罩形成的EFP由于所受水中阻力太大，導致其無法對第二層靶板造成侵徹；超聚能射流對第一層靶板造成孔徑最大，但對于第二層靶板造成的孔徑入孔孔徑僅有32.7 mm，出孔孔徑僅有27.9 mm；超聚能-球缺復合藥型罩對于第二層靶板造成的入孔孔徑為68.8 mm，出孔孔徑為50 mm，有效的提高聚能裝藥對水夾層復合靶板的擴孔能力。

4 結論

1) 當魚雷戰斗部聚能裝藥采用超聚能-球缺復合藥型罩結構，上罩采用小錐角紫銅罩，輔助藥型罩采用鉭罩，下罩采用球缺型鉭罩，起爆方式采用中心點起爆時，其裝藥結構會形成兩種不同的毀傷元，一種是高速的超聚能射流，一種是低速的爆炸成型彈丸(EFP)。

2) 選取水夾層復合靶作為侵徹目標，該聚能裝藥結構與普通球缺罩以及超聚能藥型罩相比，可有效的提高對水夾層復合靶板的擴孔能力。