銅、鉬形成EFP和JPC毀傷元對比研究

陳 帥,李文彬,王曉鳴,姚文進

(南京理工大學 機械工程學院,江蘇 南京 210094)

在聚能戰斗部的設計中,藥型罩的材料對毀傷元的成型具有顯著影響,特別是在同一裝藥結構下,不同材料形成的毀傷元差異明顯。鉬具有密度高、熔點高和延展性好的優點,是理想的藥型罩材料。HELD[1]根據理論推導出鉬破甲性能可與銅相媲美。伊健亞等[2-3]研究了鉬罩K裝藥形成聚能侵徹體的性能。對比銅罩,鉬罩形成毀傷元動能大,能量利用率高,綜合性能好。但其研究過程采用相同的藥型罩結構,忽視了成型裝藥中結構對毀傷元成型的顯著影響,干擾了材料在毀傷元成型過程中性能的評估。賀海民等[4]采用90°錐形罩數值模擬和試驗研究了鉬罩形成JPC毀傷元的成型和侵徹性能。鉬罩毀傷元表現出良好的擴孔性能,但是毀傷元出現早斷的現象,而銅毀傷元是連續體,同樣存在材料性能評估存在較大誤差的問題。

伊健亞和賀海民等人的研究主要集中在鉬罩形成JPC毀傷元的性能。為了評估鉬罩形成JPC和EFP毀傷元的特性,基于已優化的雙模戰斗部,以銅罩為參照,設計等質量和等體積2種鉬罩方案,采用LS-DYNA數值仿真,X光成型試驗和靜爆威力試驗,研究鉬罩形成毀傷元的特性。

1 雙模戰斗部結構

基于帶隔板結構扁平偏心亞半球藥型罩雙模戰斗部,研究紫銅和純鉬藥型罩形成EFP和JPC毀傷元的成型性能。雙模戰斗部的結構如圖1所示,由隔板、炸藥、藥型罩和殼體組成。當戰斗部于成型裝藥端面中心點起爆時,起爆點為圖1中A點,起爆后爆轟波繞過隔板,在隔板和藥型罩間的裝藥區域發生碰撞,形成高于C-J爆轟波陣面的高溫高壓馬赫波區域,其壓垮藥型罩形成速度較高的JPC毀傷元;當戰斗部于藥型罩頂點起爆時,起爆點為圖1中B點,起爆后C-J爆轟波陣面向藥型罩后方逆向傳播,爆轟能量壓垮藥型罩形成速度較低的EFP毀傷元。

圖1 雙模戰斗部成型裝藥結構

由雙模戰斗部結構參數對毀傷元成型影響規律[5],以紫銅藥型罩為對比參照,形成較好雙模毀傷元時,裝藥口徑為Dk,隔板的直徑Dr為0.91Dk,隔板厚度Hr為0.07Dk,隔板半錐角為52°,裝藥高度L為1.14Dk,隔板和端面殼體間的裝藥厚度為0.1Dk,藥型罩內外輪廓曲率半徑Rn和Rw分別為1.091Dk和1.058Dk。

2 仿真研究

2.1 有限元模型建立

建立如圖2所示的仿真模型,仿真中采用ALE算法計算涉及網格大變形、材料流動問題的聚能侵徹體形成過程,炸藥、隔板、藥型罩、空氣選用多物質流歐拉算法,炸藥、隔板、藥型罩、空氣與殼體的相互作用采用流固耦合算法。根據裝藥結構的對稱性,建立1/4模型,在模型的對稱面上施加對稱約束條件。

圖2 數值仿真計算模型

2.2 材料模型選擇和參數選取

模型中分別采用軍用紫銅和純鉬作為藥型罩,殼體材料為尼龍,隔板材料為酚醛樹脂,其中藥型罩和殼體采用JOHNSON_COOK材料模型,隔板采用ELASTIC_PLASTIC_HYDRO材料模型,均采用GRUNEISEN狀態方程描述其在爆轟波作用下的動力響應行為。藥型罩和殼體材料特性參數的選取如表1[6-9]所示,表中,ρ為密度;G為剪切模量;c為材料聲速;S1,S2,S3,γ0,α,V1為狀態方程常系數。

表1 銅、鉬藥型罩材料參數

炸藥選用8701,采用HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型和JWL狀態方程描述爆炸驅動過程的爆轟壓力,其材料參數的選取如表2[6-7]所示,表中,pCJ為炸藥C-J壓力;A,B,R1,R2,ω,E,V2為JWL狀態方程常系數。

表2 裝藥材料參數

2.3 計算結果

以藥型罩外輪廓為基準,以優化獲得的紫銅藥型罩為參照,設計等質量和等體積純鉬藥型罩,數值仿真模擬紫銅藥型罩和純鉬藥型罩形成JPC和EFP毀傷元的成型性能。其中毀傷元成型過程數值仿真結果如表3所示。

表3 銅、鉬藥型罩仿真計算結果

以EFP毀傷元的成型過程為例,在50～170 μs時刻區間內,毀傷元拉伸變形,其中銅的拉伸過程最為顯著;170 μs后,毀傷元成型趨于穩定;在170～230 μs時刻區間內,毀傷元的形態未發生明顯變化,毀傷元速度出現微弱衰減。穩定成型后等質量鉬罩的速度最高,銅罩次之,等體積鉬罩的速度最低。由于等體積鉬和銅罩的體積相同,鉬的密度是銅的1.118 3倍,成型后的速度為銅毀傷元的0.932 67倍,動能為銅毀傷元的0.972 78倍;等質量鉬與銅罩的質量相等,成型后毀傷元的速度為銅毀傷元的1.029倍,動能為銅毀傷元的1.059倍。因此等質量鉬罩、參照銅罩、等體積鉬罩成型后的動能關系為1.059∶1∶0.972 78。以銅為參照,對于形成EFP毀傷元,鉬材料性能對毀傷元動能的影響在2.7%～5.9%。基于能量守恒理論,相較于EFP毀傷元的密實度對其侵徹效能的影響,鉬材料性能的影響幾乎可以忽略。

由于JPC毀傷元在整個成型和侵徹過程中存在較大的頭尾速度差,因此沒有明顯的成型完成狀態。在50～90 μs時刻區間內,銅罩毀傷元的長度從121 mm拉伸至290 mm。90 μs時刻,銅罩形成的毀傷元長度最長,等質量鉬罩形成的毀傷元次之,等體積鉬罩毀傷元的長度最小;銅罩毀傷元的速度最高,其次為等質量鉬罩和等體積鉬罩。由于桿式射流的侵徹效能受到多種因素的影響,無法簡單的通過能量守恒來判定毀傷元的侵徹效能,故采用靜爆威力試驗研究銅、鉬藥型罩形成JPC毀傷元的侵徹性能。

3 試驗研究

基于雙模戰斗部成型裝藥,采用X光實驗和靜爆威力試驗,研究銅、鉬藥型罩形成EFP和JPC毀傷元的成型和侵徹性能。試驗以紫銅藥型罩為參照,與等體積的鉬罩(V1)、等質量的鉬罩(M1)形成3組對照試驗。試驗中3種戰斗部結構方案,其主裝藥使用8701炸藥,裝藥端點起爆采用標準8#雷管,藥型罩端點起爆采用直徑2.6 mm航空小雷管。各方案嚴格按照設計方案尺寸進行加工,加工的過程中保證鉬藥型罩具有良好的表面光潔度,銅罩、等質量鉬罩和等體積鉬罩如圖3所示。

圖3 3種藥型罩零件圖

3.1 銅、鉬雙模毀傷元X光試驗結果

銅、鉬藥型罩X光試驗結果如表4所示,獲得形成JPC毀傷元的成型形貌如圖4和圖5所示,藥型罩形成EFP毀傷元的成型形貌如圖6所示。

表4 銅、鉬藥型罩X光試驗結果

圖4(a)～圖4(c)分別為銅、等質量鉬、等體積鉬藥型罩形成JPC毀傷元的X光實驗結果和仿真結果對比,數值仿真和X光試驗獲得毀傷元長徑比和輪廓形態相吻合。圖5為70 μs時刻紫銅和等質量藥型罩形成JPC毀傷元的X光實驗結果。

圖4 第一時刻JPC毀傷元的成型形態X光試驗與仿真對比

圖5 70 μs時刻JPC毀傷元的成型形態

圖6(a)、圖6(b)分別為80 μs時等質量鉬罩和銅罩形成EFP毀傷元的X光試驗結果和數值仿真結果的形貌對比。其中圖6(a)等質量鉬罩形成的EFP毀傷元尾部發生破碎,但毀傷元的外輪廓數值仿真和試驗基本一致,X光試驗中毀傷元頭部出現的模糊尖角,這與雷管于藥型罩中心點爆破干擾成型有關;圖6(b)中銅罩形成EFP毀傷元的數值模擬和X光試驗結果一致。

圖6 銅、鉬藥型罩形成EFP毀傷元80 μs時刻形態

3.2 銅、鉬雙模毀傷元靜破甲試驗

基于上述研究方案,進行銅罩和鉬罩形成毀傷元的靜破甲試驗,試驗采用如圖7所示的3層靶塊疊放布置方案,理想毀傷元侵徹軸線上,穿過3層靶塊經過6個接觸面,圖7中分別進行了標注。靜爆威力試驗共進行了7發,試驗中毀傷元擴孔侵深統計結果如表5所示。

圖7 靶板布置

表5 銅、鉬形成毀傷元侵徹性能

回收典型侵徹靶塊并進行切靶分析,獲得侵徹孔徑的形狀如圖8和圖9所示。

圖8 銅JPC和等質量鉬JPC侵徹結果

圖9 銅EFP和等質量鉬EFP侵徹結果

3.3 結果分析

由表3～表5和圖6、圖9,對比銅、鉬藥型罩形成EFP毀傷元的數值仿真和試驗結果,可以得到:

①鉬EFP毀傷元成型后動能大,與銅EFP相比,提高約2.7%～5.9%,但密實度低,成型形態不夠理想,X光試驗出現尾部斷裂環,表明加工后未熱處理的鉬罩可能存在加工硬化現象,影響毀傷元成型。

②X光試驗中的鉬EFP毀傷元成型形態與數值仿真中鉬EFP毀傷元成型形態較為吻合。

③侵徹結果表明等質量的鉬EFP毀傷元侵徹孔徑相較于銅EFP毀傷元提高9.2%,侵徹深度相較于銅EFP毀傷元降低20%,侵徹深度的顯著降低原因在于鉬EFP毀傷元密實度小。

由表3～表5和圖4、圖5、圖8,對比銅、鉬藥型罩形成JPC毀傷元的數值仿真和試驗結果,可以得到:

①X光試驗結果表明,鉬形成的桿式射流延伸性較好,毀傷元速度高,表3數值仿真結果顯示,90 μs時刻等質量鉬罩與等體積鉬罩相比,成型后的速度提高10.5%,毀傷元的有效長度提高11.6%,X光試驗結果同樣顯示等質量鉬藥型罩形成的毀傷元相同時刻位移更大、速度更高。

②與銅JPC毀傷元靜爆試驗相比,鉬JPC毀傷元侵徹孔徑約為銅JPC毀傷元的2倍,但是侵徹深度顯著低于銅,圖8鉬JPC毀傷元的侵徹孔徑截面顯示,鉬毀傷元侵徹過程中侵徹阻抗大,在層疊靶的F-b和F-c接觸面,出現侵徹累積現象,造成侵徹體橫向擴孔效應明顯。

③鉬JPC毀傷元的侵徹孔頭部大,開坑大,中間小,其中開坑大為毀傷元成型過程中,尾部較大造成,與銅JPC毀傷元在F-a接觸面的長條狀開坑現象一致;中間孔徑為鉬毀傷元真實的侵徹孔徑;對比圖8中銅、鉬JPC毀傷元侵徹軸線上最后一層接觸面F-e和F-c,可見鉬JPC毀傷元侵徹層疊靶,在接觸面上出現顯著二次開坑現象,對比銅JPC侵徹孔波浪形輪廓,鉬JPC毀傷元表現出與銅JPC毀傷元不同的侵徹機制。

④鉬、銅藥型罩毀傷元成型仿真與試驗較為吻合,鉬毀傷元成型過程中的塑性性能,于EFP和JPC毀傷元下表現不一致,塑性變形過程存在材料損傷行為,不利于穩定成型,材料使用狀態不合理會加劇該現象。

4 結論

①與銅JPC毀傷元相比,鉬JPC毀傷元侵徹孔徑大,約為銅JPC毀傷元侵徹孔徑的2倍,侵徹深度小于銅,侵徹孔徑形態表明存在明顯的侵徹阻抗,并在層疊靶塊接觸面侵徹累積。

②與銅EFP毀傷元相比,鉬EFP毀傷元成型后的動能更大,提高約2.7%～5.9%,但鉬EFP毀傷元成型后的密實度小,侵徹靶板孔徑略大,侵徹深度小,表明鉬EFP毀傷元成型過程中材料特性影響顯著,存在有別于銅EFP毀傷元的成型機制。

③紫銅罩、等體積鉬罩和等質量鉬罩數值仿真與實驗結果較吻合,等質量鉬罩的成型性能優于等體積鉬罩,基于等質量原則設計不同材料藥型罩的對比試驗優于等體積原則,為以后的不同材料藥型罩對比試驗設計提供了參考。