串联EFP装药结构设计及实验研究.pdf

第2 8 卷第2 期 爆破 V 0 1 ．2 8N o ．2 2 0 1 1 年6 月 B L A S T I N GJ u n ．2 0 1 1 D O I 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 4 8 7 X ．2 0 11 ．0 2 ．0 0 4 串联E F P 装药结构设计及实验研究 顾文彬1 ，曾政1 ’2 ，孙英杰1 ’3 ，吕政1 , 49 朱辉1 ’5 1 ．解放军理工大学，南京2 1 0 0 0 7 ；2 ．9 2 0 5 7 部队，湛江5 2 4 0 0 0 ；3 ．6 6 0 3 6 部队，邯郸0 5 6 0 0 1 ； 4 ．6 6 3 7 0 部队，怀来0 7 5 4 0 0 ；5 ．6 6 1 1 6 部队，北京1 0 2 4 0 8 摘要根据硬目标的特点，提出了1 种前后2 级均为E F P 装药的新型串联聚能装药结构。利用A N S Y S ． L S D Y N A 有限元软件对串联E F P 装药的成型过程进行了数值仿真，分析了2 级装药间距与起爆延时之间的 匹配关系。在此基础上开展了串联E F P 装药侵彻4 5 。钢靶实验。结果表明该串联E F P 装药结构可充分发 挥前后2 级E F P 的侵彻能力，大大提高了侵彻效果。实验和数值仿真计算结果都表明该串联装药可对硬目 标进行效果理想的破孔，具有较好的应用前景。 ． 关键词串联战斗部；E F P ；延时控制；静破甲 中图分类号0 3 8 5文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 1 0 2 0 0 1 3 一0 4 S t r u c t u r a lD e s i g na n dE x p e r i m e n t a lS t u d yo n E F PT a n d e mC h a r g eS t r u c t u r e G UW e n ．b i n l ，Z E N GZ h e n 9 1 ”，S U NH n g - j i e l ⋯，L VZ h e n 9 1 ”，Z H UH u i l 5 1 ．P L AU n i vo fS c i T e c h ，N a n j i n g2 1 0 0 0 7 , C h i n a ；2 ．9 2 0 5 7T r o o p s ，Z h a n j i a n g5 2 4 0 0 0 ，C h i n a ； 3 ．6 6 0 3 6T r o o p s ，H a n d a n0 5 6 0 0 1 ，C h i n a ；4 ．6 6 3 7 0T r o o p s ，H u a i l a i0 7 5 4 0 0 ，C h i n a ； 5 ．6 6 11 6T r o o p s ，B e i j i n g “ 1 0 2 4 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t A c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fh a r do b j e c t s ，an e wt a n d e mc h a r g es t r u c t u r ei sp m p o s e d ，w h i c hU s i n gt w os a m eE F Pc h a r g es t r u c t u r e ．T h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r eA N S Y S - L S D Y N Ai su s e dt os i m u l a t et h em o l d i n g p r o c e s so ft h i sn e ws t r u c t u r e ，a n dt h em a t c h i n gr e l a t i o nb e t w e e ns p a c ea n dd e l a yt i m ei sa n a l y z e d ．T h e nt h ee x p e r i m e n tf o rE F Pt a n d e mc h a r g ep e n e t r a t i n gs t e e lt a r g e ti sc o n d u c t e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h eE F Pt a n d e mc h a r g e s t r u c t u r eC a nf u l lu s eo ft h ep e n e t r a t i o nc a p a b i l i t yo ft w os h a p e dc h a r g e ，a n dg r e a t l yi n c r e a s e dt h ep e n e t r a t i o ne f f e c t ． T h ee x p e r i m e n t a la n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h et a n d e mc h a r g es t r u c t u r eh a sas t r o n ga b i l i t yo fp e n e - t r a t i n gh a r do b j e c t s ，a n dh a sg o o dp r o s p e c t s ． K e yw o r d s t a n d e mw a r h e a d ；E F P ；d e k yc o n t r o l ；p e n e t r a t i o n 串联战斗部前级聚能装药的开孔能力是影响串 联战斗部综合性能的关键因素之一，也是串联战斗 部后级弹体结构设计和威力设计的重要依据。与聚 能射流侵彻钢质装甲片面地追求穿深效果不同，反 硬目标串联战斗部的前级聚能装药必须在目标靶上 收稿日期2 0 1 0 1 l 1 7 作者简介顾文彬 1 9 6 2 一 ，男，教授，主要从事战斗部设计研究， E m a i l m e n l a t i n 1 6 3 ．c o r n o 侵彻出不仅穿深足够而且孔径足够的孔洞，以便为 后级高爆装药的随进开辟有利通道。但在很多情况 下，单级的前级聚能装药很难满足上述需求，因此需 要设计新型的串联聚能装药结构以满足反硬目标破 爆型战斗部前级开孔的需要。 根据毁伤硬目标的需要，提出1 种前后2 级均 为E F P 装药的新型串联聚能装药结构。利用有限 元程序L S D Y N A3 D 对其成型过程进行数值仿真计 万方数据 1 4 爆破2 0 1 1 年6 月 算，确定2 级装药的延时起爆时间，并开展串联聚能 装药侵彻4 5 ’钢靶实验研究，为今后设计破．破- 爆型 串联战斗部积累一定经验。 1 结构方案 1 ．1 整体结构 实现串联聚能装药的关键技术如下其一为2 级装药合理的时序匹配；其二为性能可靠的隔传爆 机构；其三为2 级聚能侵彻体可以互不干扰地实现 对目标的连续接力侵彻⋯。 如果采用图l a 所示的传统串联聚能装药结 构，要求后置装药形成高速射流快速通过前置装药 中心通道，以减小对隔爆时间的要求，且前置装药中 心孔对装药的损失太大，所以不适应于毁伤反硬目 标串联战斗部的需要。 如果采用图1 b 所示的传统串联聚能装药结 构，后置装药起爆形成E F P 的同时，利用自身爆轰 能量通过隔传爆机构起爆前置装药，试图实现前级 高速杆流开孔形成穿深，后级E F P 扩孔增大孔径的 接力侵彻过程⋯。实际上，后级呈塑性状态的E F P 只能在口部很小的范围内扩大孔径，之后很快就 “挤进”前级侵彻形成的孔洞中，并不能如穿甲弹一 样持续扩孔。 第l 级装药传爆装置第2 级装药 渺‘ ‘＼，．罗 胍，，／‘熬 a 第2 级装药第1 级装药 图I 典型串联聚能装药结构 F i g ．1T y p i c a lt a n d e ms h a p e dc h a r g es t r u c t u r e 针对上述传统串联聚能装药的不足，提出了如 图2 所示的前后2 级均为相同结构E F P 装药、采用 延时起爆模式的串联聚能装药。该装药结构的前置 装药起爆形成E F P 后先对目标进行侵彻，后置装药 延时起爆形成E F P 在此基础上进行接力侵彻增大 穿深。实现这种类型串联聚能装药的关键是后级 E F P 能正常形成并克服前级爆轰场的影响。因此， 选择合适的延时起爆时间并精确控制是其实现串联 侵彻的关键技术。 图2串联聚能装药示意图 F i g ．2 S c h e m a t i cd i a g r a mo ft a n d e ms h a p e dc h a r g e 1 ．2 E F P 装药结构选择 研究和试验表明E F P 的侵彻性能与E F P 的长 度和比动能关系密切，所以提高E F P 长径比和速度 是提高E F P 侵彻能力有效途径。选择了如图3 所 示的刘建青、顾文彬等设计的西6 5n u n 球缺型E F P 战斗部旧j 。其罩顶厚6 2 ．1m m 、罩内表面曲率半 径r 1 6 7m m 、外表面曲率半径r 2 6 2m m 、装药长 径比N 1 ．0 ，形成的E F P 速度25 0 0m ／s 左右、长 径比3 ．1 5 左右，处于国内领先水平。 药型罩 外曲面 内曲面 罩顶厚 图3E F P 装药结构 ．F i g ．3 S t r u c t u r eo fE F Pc h a r g e 1 ．3 延时起爆时间选择及精确控制 延时起爆时间△r 对后级E F P 的成型和稳定飞 行影响非常大。在2 级装药间距一定的情况下，△r 太小时，后级E F P 的压垮成型不受影响，但其与前 级装药爆轰场相遇时，爆轰场的压力还很大，后级 E F P 的飞行速度将因此降低很多；A T 较大，使得后 级药型罩还未被完全压垮，就与前级装药爆轰场相 遇，将严重影响后级E F P 的成型；△丁很大，前级装 药爆轰场已经通过后级装药才起爆后级装药，则会 破坏后级装药的结构，导致后级E F P 无法成型，也 可能引起后级装药殉爆。因此，应控制延时起爆时 间A T 使后级E F P 刚好基本成型时与前级装药爆轰 场相遇，这样才能保证后级E F P 受前级装药爆轰场 的影响最小。 万方数据 第2 8 卷第2 期顾文彬，曾政，孙英杰，等串联E 即装药结构设计及实验研究 由上面的分析可知，延时起爆时间△r 要求的精 度很高，误差须控制在l o 炉左右。使用的起爆系统 选用的雷管是微秒级精确雷管，精度为1 0 舻；延时 起爆控制器选用的是专门设计的精确延时起爆控制 器，精度为O1 妒。该起爆系统满足延时起爆时间 A r 的精度要求。 2 数值模拟 为了充分验证该串联聚能装药的可行性，利用 I s - D Y N A3 D 有限元计算程序对其成型过程进行了 数值仿真计算，主要考察后级E F P 的成型性能。 炸药用高能炸药材料模型和J W L 状态方程描 述，药型罩用c m n e l s e n 状态方程和J o h n s o n ．c o o k 本 构模型描述，材料参数参见文献[ 4 5 ] 。 图4 a 、 b 分别为前后2 级装药在各自起爆 1 5 0 舻时刻形成的E 盯的形态。从计算结果可以 看出，后级E F P 受到前级装药冲击波的髟响，速度 和长径比都较前级E F P 有所变小，前级E F P 的速度 为24 8 0m ／s 、长径比为3l ，后级E F P 的速度为 22 6 0m ／s ，长径比为27 。但可以预见，后级E F P 仍有很强的侵彻能力。 ■■ a l “ 图4E F P 在l 钟邺时刻的形态 H g4n e E F P8 h q 阼d I 】m e 】5 0 舻 3 实验研究 从上述数值仿真计算结果可以看出．这种顺序 起爆串联囊能装药在技术上是可行的。为进一步验 证这种装药的侵彻性能，开展了2 发E F P 装药分2 次侵彻同一钢靶和串联E F P 装药侵彻钢靶威力对 比验证实验，考证该串联E F P 装药结构的正确性、 合理性，探索2 级E F P 装药问距与延时起爆时间的 匹配关系。 实验针对4 5 ’钢锭进行侵彻。4 5 。钢性能参数 为m 7 ，8 3 吕／c m 3 ，G 7 7G n ，口， 3 5 2M P a 。 3 ．12 发E 即弹丸侵彻同一钢靶试验 首先将第1 发E F P 装药设置在钢靶正上方．采 用中心起爆方式，使用8 。雷管引爆，形成E F P 弹丸 射向钢靶，侵彻出孔洞，如图5 所示；然后将第2 发 E F P 装药设置在同一块钢靶正上方，并且将装药中 轴线对准第1 发弹丸侵彻出的孔洞的中轴线，采用 中心起爆方式起爆，使用8 。雷管引爆，形成E F P 弹 丸射向钢靶．在第l 发弹丸侵彻的基础上进行侵彻， 如图6 所示。 图7 串联E 开装药侵彻靶板试验示意图 n g7 s c h e m a d cd 1 籼d t a l l d e mE F Ps h 旦刚c h a 氍 p e n e h Ⅲet a r B He 。P e ⋯t 万方数据 爆破2 0 1 1 年6 月 形成的2 发E F P 弹丸先后射向钢靶，从而实现 接力侵彻。实验设骨如同8 昕示。 啊 1 后级装药 2 前级鞋药 3 靶板 囝8 串联E F P 装药侵彻靶板试验设盟图 F i g 8S e ts c h e m a t i cd i a g r a mo f t a n d e mE F Ps h a p e d c I l a l 带p e f l e t r a t et a r g e te x p e r i m e n t 33 结果殛分析 为r 便于分析计算，将第1 组方案的3 组实验 编为1 3 号；第2 组方案的3 组实验编为4 ～6 号， 实验结果见表I 所示，L 为侵彻深度，D ．为人口孔 径，D 为出口孔径。图9 a 、 b 分别为第l 组、第 2 组实验中典型靶板的剖面。 衰1 璺彻钢靶实验结果 T a b l eI T h er B u l t so fp e n e t r a t i n gs t e e lt m ‘g e t 一 a } 第1 组{ h J 第2 组 图9 靶板剖面囤 F i g9 P r o f i l eo ft a r g e t 从侵彻钢靶实验的结果可以有如下结论 1 从2 组实验的剖面图看，侵彻出的孔洞形 状基本一致，可以明显分辨出前后2 发E F P 的侵彻 效果。与第1 组实验相比较，第2 组实验的总体侵 彻深度有小幅下降，其后级E F P 侵彻出的} L 径略有 增大，这说明后级E F P 的直径有所增大，与数值模 拟结果相符。 2 串联E F P 侵彻钢靶实验的结果一致性很 好，说明本文采用的延时起爆控制系统性能稳定．满 足要求。 3 实验中前级装药设置的炸高太小。前级 E F P 还未完全成型就开始侵彻钢靶，侵彻出的孔洞 口径大、深度浅，与后级E F P 装药侵彻出的孔洞币 匹配，可在今后的试验中进行调整，以获得更好的串 联侵彻效果。 4 结语 1 在已有研究成果的基础上，深人分析了传 统模式的串联装药的不足。针对硬目标的特点，提 出了一种延时起爆模式串联聚能装药结构，该结构 在技术上更容易实现。 2 开展了该串联E F P 装药侵彻4 5 ’钢靶板实 验研究，与其他串联聚能装药相比，该串联E F P 装 药能更好地利用后级聚能装药的侵彻能力，串联侵 彻效果可达到分2 次侵彻效果的9 24 ％左右，结构 设计合理。 3 前后2 级间距与延时起爆时间的匹配关系 对后级装药的成型影响很大，本文选用的精确延时起 爆控制器与微秒级精确雷管能满足延时控制要求。 4 2 级装药间未设置隔爆体，为尽量减少前级 装药冲击波对后级E F P 的影响，前后级装药间距较 大，因此整个结构尺寸很大。在下一步的研究中，有 必要设计有效的隔爆体以减小整个结构的尺寸。 参考文献 R e f e r e n c e s 1 ] 张先锋，陈慧武，何勇，等反钢箭混凝土串联聚能 装药技术研究[ J ] 爆炸与冲击，2 0 0 8 3 2 0 7 - 2 1 2 1 ] Z H A N GX i a n - f e n g ，C H E NH u i - w L l ，H EY o n g ．e 【a lS t u d y 彻at a n d e ms h 唧- ac h a r g et 钟h n i q u et om 】n f o m ec o n c 州e [ J ] E x p l ∞i o n 蛐ds h 帆kW a v e s ，2 0 0 8 3 2 0 7 - 2 1 2 1 n C h i n 惭 2 ] 顾文彬，剂建青，唐勇，等球缺型E F P 战斗部结构 优化设计研究[ J ] 南京理工大学学报 自然辩学版 ， 2 0 0 9 ，3 2 2 1 6 5 1 6 9 2 ] G UW e n - b i n ．L I UJ i M q i n g ，T A N G “ t o n g ，e ldO p t i m i z i n gd e s i g no fE F Pw a r h e a d m t hh e m i s p h e r i c a ll i n e r [ J ] J o u m a lo fN 蚰j l n gU n i v e n i t yo fS c i e n c ea n dT 忧h n o l o g y N a t u r a ls c i e n e e ．2 0 0 8 ，3 2 2 1 6 5 - 1 6 8 i nC h i n e s e 3 ] 刘建青，顾文彬．唐勇，等变壁厚球缺罩爆炸成型 弹丸成型性能数值模拟[ J ] 解放军理工大学学报 自 然科学版 ．2 0 0 8 ．9 2 1 7 2 ．1 7 6 下转第3 8 页 万方数据 3 8爆破2 0 1 1 年6 月 2 现场试验 根据数值模拟的研究成果，在矿山井下采场进 行了现场试验，采用Y G Z - 9 0 凿岩机，上向扇形中深 孔爆破，孔径为6 5m m ，孔底起爆，塑料导爆管非电 起爆系统起爆。装药结构、雷管段别及炮孔堵塞参 数见表4 ，布孔示意图见图4 。 表4 装药结构、雷管段别及炮孔堵塞参数 图4 布孔示意图 单位m 本次试验总装药量为1 3 2k g ，最后爆落下的矿 石约为8 0 0t ，炸药平均单耗为0 ．4 7 8k g ／m 3 。通过 对试验后矿石的破碎块度直观观察，矿石块度基本 均匀，最大块度不超过2 0c m ，破碎效果比较好。 3 结语 瓮安大信北斗山磷矿矿层比较厚，且为剩余矿 体的开采，地表允许塌陷，采用中深孔扇形炮孔无底 柱分段崩落法进行开采，凿岩、出矿效率高，并且安 全性也比较好。利用有限元数值计算方法对上向中 深孑L 扇形炮孔的不同起爆方式进行模拟，用数学手 段再现高速的爆炸应力波传播过程，通过分析不同 爆炸时刻应力波在岩体中的应力分布云图，对于崩 落法中扇形布孔，孔底起爆方式，炸药产生的爆轰能 量在岩体中分布更均匀，爆炸应力波在岩石中的作 用时间长，爆轰气体作用不会很快的溢出，有利于降 低孔底部位的大块产生率，改善整体爆破效果。根 据数值模拟结果在现场进行了小型爆破试验，采用 孔底起爆，最终崩矿的平均单耗为0 ．4 7 8k s ／m 3 时， 比北斗山磷矿原有的房柱法采矿工艺的平均单耗降 低很多，给矿山带来了较好的经济效益。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ] 郑晓硕，王剑，周乃松．无底柱分段崩落法中深孔爆 破参数试验[ J ] ．爆破，2 0 0 9 ，2 6 1 5 0 5 3 ． [ 2 ]秦绍兵．模型试验在井下中深孔爆破参数优化研究中 的应用[ J ] ．金属矿山，2 0 0 1 ，2 9 7 3 1 5 - 1 7 ． [ 3 ] 任凤玉，周宗红，穆太升，等．夏甸金矿中深孔爆破参 数优化研究[ J ] ．金属矿山，2 0 0 5 ，3 5 3 1 1 4 6 ． [ 4 ]罗毓，覃振华，李波文．爆破漏斗形成过程的数值模 拟研究[ J ] ．爆破，2 0 0 7 ，2 4 3 2 0 - 2 3 ． [ 5 ] 张钦礼，郑晶晶，张德明，等．新桥硫铁矿凿岩爆破参 数优化试验研究[ J ] ．爆破，2 0 0 9 ，2 6 3 l - 5 ． 上接第1 6 页 [ 3 ] L I UJ i a n - q i n g ，G UW e n b i n ，T A N GY o n g ，e ta 1 ．N u m e f i e M i n v e s t i g a t i o no nE F Pf o r m i n gp e r f o r m a n c ew i t l lv a r i a t i o n a l - w a l l ．t h i c k n e s sh e m i s p h e r i c a ll i n e r [ J ] ．J o u r n a lo fP L AU - n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y N a t u r a lS c i e n c eE d i - t i o n ，2 0 0 8 ，9 2 1 7 2 - 1 7 6 ． i nC h i n e s e [ 4 ] 吴晗玲，段卓平，汪永庆．杆式射流形成的数值模拟研 究[ J ] ．爆炸与冲击，2 0 0 6 ，2 6 4 3 2 8 - 3 3 2 ． [ 4 ] W 1 ．JH a n ．1 i n g ，D U A NZ h u o p i n g ，W A N GY o r I g - q i n g ．S i r e - u l a t i o ni n v e s t i g a t i o no fr o d l i k ej e t s [ J ] ．E x p l o s i o na n d S h o c kW a v e s 。2 0 0 6 ，2 6 4 3 2 8 - 3 3 2 ． i nC h i n e s e [ 5 ] 桂毓林，于川，刘仓理，等．带尾冀的翻转型爆炸成 型弹丸的三维数值模拟[ J ] ．爆炸与冲击，2 0 0 5 ， 2 5 4 3 1 3 - 3 1 8 ． [ 5 ] G U IY u - l i n ，Y UC h u a n ，L I UC a n g - l i ，e ta 1 ．3 Ds i m u l a t i o n o fo v e r - t u r n e de x p l o s i v e l yf o r m e dp r o j e c t i l e E F P w i t h s t a r - s h a p e df i n s [ j ] ．E x p l o s i o na n dS h o c kW a v e s ，2 0 0 5 ， 2 5 4 3 1 3 - 3 1 8 ． i nC h i n e s e [ 6 ] 涂侯杰，恽寿榕，赵衡阳．破爆型串联战斗部第一级爆 炸对第二级影响的研究[ J ] ．兵工学报，1 9 9 4 3 1 8 - 2 2 ． [ 6 ] ’r UH o n - j i e ，Y U NS h o u - y o n g ，Z H A OH e n g - y a n g ．B l a s te f f e c t o nt h ef o l l o w - 埘c l l a 学o fat a n d e m 嘲l d 删[ J ] ．A c t a A 唧哪豫m a r i i ，1 9 9 4 3 1 8 - 2 2 ． i nC h i n e s e 万方数据