抑制中心逆向侵彻体的异型环形装药设计.pdf

第3 2 卷第4 期 爆破 V o l 3 2N o 4 2 0 1 5 年1 2 月B L A S T l N G D e c ．2 0 1 5 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 4 8 7 X ．2 0 1 5 ．0 4 ．0 0 8 抑制中心逆向侵彻体的异型环形装药设计水 李永胜‘，王伟力1 ，宋之勇2 1 ．海军航空工程学院，烟台2 6 4 0 0 1 ；2 ．9 1 2 0 6 部队，青岛2 6 6 1 0 8 摘要针对环形装药作用时在中轴线会形成一束向前、向后运动的中心聚能侵彻体，对后方目标具有很 强的破坏作用，分析该侵彻体成形特性，通过壳体向内侧倾斜的方式，设计了一种倒梯形结构，大幅减弱中心 逆向侵彻体对后端的破坏效果。针对中空环形装药对内外侧药型罩压合作用的不对称，从而导致环形射流 在纵向的偏转现象，设计了内外侧非对称的装药结构形式，通过改变内侧装药与内侧壳体的倾角，使非对称 装药能够时内外侧等壁厚的药型罩产生尽可能均匀的压合效果，从而形成高质量的环形射流。 关键词聚能装药；破坏效应；环形射流；中心逆向侵彻体；优化设计 中图分类号T J 4 1 0文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 5 0 4 0 0 3 9 0 5 D e s i g no nS p e c i a l s h a p e dA n n u l a rC h a r g et o W e a k e nD a m a g eo fC e n t e rR e v e r s eP r o j e c t i l e ／_ J Y o n g s h e n 9 1 ，W A N GW e i l i ，S O N GZ h i y o n 9 2 1 ．N a v a lA e r o n a u t i c a la n dA s t r o n a u t i c a lU n i v e r s i t y ，Y a n t a i2 6 4 0 01 ，C h i n a ； 2 ．T h e9 1 2 0 6 “U n i to fP L A ，Q i n g d a o2 6 6 1 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t I nt h ea n n u l a rc h a r g ed e t o n a t i o n ，ac e n t e rs h a p e dc h a r g ep r o j e c t i l ew i l lf o r ma n dm o v ef o r w a r da n d b a c k w a r di nm e d i a la x i s ，w h i c hm a yd a m a g et h ef o l l o w i n gt a r g e th e a v i l y ．B ys t u d yo nt h ef o r m i n gc h a r a c t e r i s t i c so f t h ec e n t e rp r o j e c t i l e ，a ni n v e r t e dl a d d e r s h a p e dc h a r g ef o r m a t i o nw i t hs h e l li n c l i n e dt oi n s i d eW a Sd e s i g n e dt ow e a k e n t h er e v e r s ep r o j ’e c t i l ed a m a g et ot h ef o l l o w i n gt a r g e t ．D u et ot h ea S y m m e t r i cp r e s s u r eo fd e t o n a t i o nw a v ei n s i d ea n d o u t s i d e ，t h eh o l l o wa n n u l a rj e td e f l e c t e di nl e n g t h w a y st os o m ee x t e n t ．T or e v i s et h ed e f l e c t i o n ，a na s y m m e t r i cc h a r g e s t r u c t u r ew a sp r e s e n t e dt op r o d u c et h eu n i f o r mp r e s s u r ee f f e c to ne q u a lt h i c k n e s sl i n e ra sf a ra sp o s s i b l e ．w h i c hh e l p s t of o r mh i g h - q u a l i t ya n n u l a rj e t ． K e yw o r d s s h a p e dc h a r g e ；d a m a g ee f f e c t ；a n n u l a rj e t ；c e n t e rr e v e r s ep r o j e c t i l e ；o p t i m i z a t i o nd e s i g n 聚能装药爆炸切割技术在快速、高效实现大口 径开孔优势明显。传统的爆炸成形弹丸技术可以实 现较大孔径的开孑L ，但装药量和药型罩质量相对较 大。环形聚能装药是一种中空的装药形式，通过优 化设计，实现较大孔径的侵彻穿孔，在实现同样穿孔 条件下，环形聚能装药的质量远低于爆炸成形弹丸 收稿日期2 0 1 5 0 7 0 7 作者简介李永胜 1 9 8 0 一 ，男，博士、讲师，主要从事目标毁伤与终 点效应的研究， E - m a i l l i y o n g s h e n g - 2 0 0 0 1 6 3 ．c o r n 。 基金项目国家部委基础研究专项 0 0 4 0 4 0 1 0 1 0 2 ；海军航空工程学 院青年科研基金项目 H Y Q N 2 0 1 2 0 7 的质量。与传统聚能装药结构不同，环形聚能装药 结构除了具有中心对称轴外，环形药型罩截面还具 有第二对称轴⋯。这种新型环形聚能装药结构的 出现得到了国内外许多学者的关注，并分别在结构 设计、理论分析、数值模拟、试验验证及工程应用等 方面做了深入研究旧剖。 虽然环形装药能够产生大口径的环形射流，但 在仿真以及靶场试验中发现，中空环形装药的内侧 壳体在爆炸作用下会在中轴线上形成向前、向后的 中心聚能侵彻体，该侵彻体在对前方靶板进行穿透 的同时，也会对后方构成很大毁伤效果，这一现象会 万方数据 爆破 2 0 1 5 年1 2 月 限制现有的环形聚能装药的实际应用。有必要对该 束中心侵彻体的成形过程及向后运动趋势进行研 究，以尽可能的抑制这一逆向运动的侵彻体。 目前国内外研究者虽然意识到环形装药作用时， 中轴线会形成具有很强破坏效果的聚能侵彻体，但缺 少将中心侵彻体成形和环形射流成形二者统一起来 进行分析的研究成果。将探讨通过对内侧装药、壳体 结构进行优化设计，在抑制中心逆向侵彻体向后运动 趋势的同时，修正等壁厚药型罩形成环形射流的偏转 现象，促进环形聚能装药技术的实际应用。 1 环形装药毁伤实验 1 ．1 毁伤试验 根据前期环形聚能装药的原理研究一t 1 0 ] ，设计 并加工了环形装药，如图l 所示。其中，药型罩开口 角度为2 a 6 0 。、壳体材料为高强度钢，装药采用 C o m p ．B 炸药，药型罩材料采用紫铜。 壳体 装药 药型罩 图1 环形装药设计参数 F i g ．1D e s i g np a r a m e t e r so fa n n u l a rc h a r g e 靶场布置如图2 所示，其中前后钢靶为9 2 2 钢，采用M 2 0 螺钉固定在靶板架上。 钢靶的毁伤情况如图3 所示，该环形装药能够 对前端8 0m m 厚的9 2 2 钢形成较为均匀的切割开 孔，但在切割下的圆盘中心，以及环形装药后端对应 的钢板中心处均形成一个规则的、口径较大的孑L 洞。 图2 环形聚能装药毁伤试验布置 F i g ．2 T e s tl a y o u to fa n n l l l a rc h a r g ed a m a g e 1 ．2 试验结果分析 通过对孔洞形态、边缘残留物的分析，并结合 A N S Y S ／L S ．D Y N A 有限元仿真，可以推断出，环形装 药爆炸后，形成的冲击波和爆轰产物作用到内侧壳 体上，使其发生塑性变形并向轴线运动。内侧壳体 受爆轰产物驱动向轴线运动过程中，径向尺寸逐渐 缩小，由于上端与壳体顶端部分、下端与药型罩连 接，受到边界效应和卸载波的作用，在运动过程中， 截面会呈现一个拱形。另外根据质量守恒，随着半 径的减小，使得内部各点均处于三向受压状态，从而 导致截面积的增加；内收过程质点径向速度不对称， 内侧质点的径向收缩速度大于外侧质点的径向速 度，内侧的周长小于外侧，而内侧的变形速度大于外 侧，相对于外侧，内侧过度的变形直接导致了内鼓的 变形模式，即截面呈现拱形。最终在轴线附近发生 碰撞时的截面成为一个“x ”形，先中间碰撞，后两端 碰撞，从而形成中心聚能侵彻体，并向前后方运动， 内侧壳体运动如图4 所示。形成的聚能侵彻体由于 周向受到均布的爆炸载荷的挤压作用，只能沿轴向 运动，进而侵彻并穿透前后端靶板。 【糊。．，l 【a J 前端靶板c h l 切割下．的固盘I f J 后端靶板 aF r , m l7 F a r g e t b t 【l 】Ir I iE kh ‘ R a l 、kt a r g e 图3 钢靶的毁伤情况 F i g ．3D a m a g ee f f e c to fs t e e lt a r g e t 万方数据 第3 2 卷第4 期李永胜，王伟力，宋之勇 抑制中心逆向侵彻体的异型环形装药设计 4 l 内侧 壳体 ．中 ；蓁 。线 昌 ，蕤， 7 i 一目 守 图4内侧壳体运动示意图 F i g ．4 S c h e m a t i co fi n n e rs h e l lm o t i o n 2 异型环形装药优化设计 2 ．1 原理分析 环形聚能装药截面结构样式可以是柱形、柱锥 形、正梯形以及倒梯形四种典型样式。同样的爆轰 载荷对四种不同结构样式的内侧壳体作用时，壳体 在轴线碰撞形成的“x ”形截面夹角不同、中心侵彻 体的轴向运动速度也不同，会导致向后运动的侵彻 体所占的比例、速度及其梯度有很大差异。相比较 而言，倒梯形装药结构对中心逆向侵彻体向后运动 的抑制作用最好。 但倒梯形的装药形式可能导致爆轰载荷对内外 侧药型罩压合作用的不对称，从而使形成的环形射 流产生纵向的偏转，影响环形射流的成形质量。因 此可以考虑改变内侧装药倾角，使装药与壳体之间 有部分空气或其它材料，衰减侧向多余的爆轰载荷， 达到对内外侧药型罩对称均匀的压合作用，该异型 环形聚能装药截面如图5 所示。 但最优的倒梯形内倾角度、非对称的装药结构 形式等需要通过数值仿真进一步确认。 2 ．2 有限元模型 2 ．2 ．1 模型建立 运用A N S Y S ／L S ．D Y N A 软件，建立异型环形装 药毁伤效应有限元模型，根据对称性，为了简化计算 采用1 ／4 模型。为了易于观察，显示过程中均采用 1 ／2 模型，如图6 所示。 图5环形聚能装药截面示意图 F i g ．5 S c h e m a t i co fa n n u l a rc h a r g e 图6 有限元模型 F i g ．6 T h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l 模型由装药、药型罩、壳体、空气、前靶板和后靶 板6 部分组成。由于聚能装药爆炸是一个高速、大 变形的过程，L a g r a n g e 算法往往由于网格的畸变、扭 曲及相互问的叠置导致计算的失败，而E u l e r 算法 具有适合克服网格发生畸变的优势，因此将装药、药 型罩和空气3 种材料采用E u l e r 网格单元划分。在 计算中单元使用多物质A L E 算法，克服了单元严重 畸变引起的数值计算困难的问题；而异型环形聚能 装药的壳体和前、后端靶板3 种材料采用L a g r a n g e 网格单元划分。为保证计算的精确和可靠性，在空 气域四周设置透射边界，以避免冲击波在空气域边 界反射造成的误差。对于整个模型，在对称面上施 加对称约束。环形切割器装药起爆方式为顶端环形 起爆。 2 ．2 ．2 材料模型参数 1 装药 装药材料为C o m p ．B 炸药，采用H i g h E x p l o s i v e B u m 材料模型和J w L 状态方程，材料参数见表1 。 2 药型罩 异型环形装药的药型罩材料为紫铜，采用 万方数据 4 2 爆破 2 0 1 5 年1 2 月 S t e i n b e r g 材料模型和G r t i n e i s e n 状态方程，材料参数 见表2 。 3 壳体和前后靶板 异型环形装药的壳体材料为高强度钢，前、后端 靶板材料为9 2 2 钢，均采用J o h n s o n ．C o o k 材料模 型，状态方程为G r t i n e i s e n 方程，材料参数见表3 。 4 空气 空气采用N u l l 流体动力模型，状态方程为 G r i i n e i s e n 方程，材料参数见表4 。 表1C o m p ．B 炸药的材料参数 T a b l e1P a r a m e t e r so ft h eC o m p ．Be x p l o s i v e ，．P ／- 3 、， 叱P c J ／ AB R l 尺2 ∞ g c m 。 m s “ G P a 一一 “1 “2 ⋯ 表2 紫铜药型罩的材料参数 T a b l e2P a r a m e t e r so ft h ec o p p e rl i n e r 表3 钢壳体和靶板的材料参数 T a b l e3P a r a m e t e r so ft h es t e e ls h e l la n dt a r g e t g 巴， c 4c 5 麓 ％ 1 ．2 9 3 1 0 ～0 ．40 ．4 1 ．2 9 3 1 0 5 1 ．0 2 ．3 数值模拟结果及分析 2 ．3 ．1 内壳倾角对中心侵彻体的影响 内壳倾角虽然不同，但中心侵彻体的形成过程 大致相同，仅形成过程中的一些数据不同。不同内 壳倾角条件下中心侵彻体形成过程中的主要数据统 计如表5 所示。其中，r 为环形切割器内壳在轴线 发生碰撞时的时间，L 为计算终止时中心侵彻体的 总长度，巧为计算终止时中心逆向侵彻体长度， L y ／t 为计算终止时逆向侵彻体占总长度的比例， ／ y m a x 为逆向侵彻体头部最大速度，V y f i n a l 为计算终止时 逆向侵彻体头部速度的分布。 表5 中心侵彻体成形数据统计 内壳倾角 T a b l e5S t a t i s t i c sd a t e so fc e n t e rp r o j e c t i l e p r o d u c e d i n n e rs h e l la n g l e 1 随着内壳倾角的增大，环形装药药量增大， 作用在内壳的爆炸载荷也增加，使内壳向轴向运动 的速度增加，而内壳距轴线的距离减小，从而导致内 壳在轴线方向发生碰撞的时间缩短。 2 随着内壳倾角的增大，内壳的总面积增大， 形成中心侵彻体的总质量也增大，表现在中心侵彻 体的总长度增大，但逆向侵彻体的速度减小，且逆向 侵彻体长度占中心侵彻体总长度比例减小，逆向侵 彻体的头部速度也显著降低。 3 可见，当内壳倾角为4 5 0 时，虽然仍有轴向 向后运动的逆向侵彻体单元，但这些单元相对很少， 已基本消除了逆向侵彻体对后端的破坏作用，不存 在冲击起爆后级装药的危险。 2 ．3 ．2 内侧装药倾角对环形射流的影响 通过改变内壳倾角，虽然可以达到消除中心逆 向侵彻体对后级装药引爆的目的，但装药形式发生 了变化，作用到药型罩上的爆炸载荷不再对称，从而 导致形成的环形射流运动形态发生较大变化，如图 7 所示。 药型罩 图7 环形射流形态 内壳倾角 F i g ．7F o r m a b i l i t yo fa n n u l a rj e t i n n e rs h e l la n g l e 环形射流产生偏转是由于药型罩内外两侧受爆 轰载荷作用的不对称性引起的，因此考虑改变装药 万方数据 第3 2 卷第4 期李永胜，王伟力，宋之勇 抑制中心逆向侵彻体的异型环形装药设计 4 3 内侧倾角J B ，使装药与内壳有一部分空气，达到衰减 多余爆炸载荷的目的。在内壳倾角为4 5 。时，不同 的内侧装药倾角下环形射流形成过程中的主要数据 统计如表6 所示。其中，L 为聚能侵彻体的总长度， △r 。i 。为射流所选节点的最小偏移距离，△r ⋯为射流 所选节点的最大偏移距离，叼曲为射流所选节点的 最小速度偏离度，叼。。，为射流所选节点的最大速度 偏离度，日为射流侵彻靶板的深度。 [ 2 ] [ 3 ] 表6 环形射流成形数据统计 装药内侧倾角 T a b l e6S t a t i s t i c sd a t e so fa n n u l a rj e t i n n e rc h a r g ea n g l e [ 4 ] I 当装药内侧倾角为0 。时，射流偏向中轴线 的距离最大，且偏向的趋势最大；当装药内侧倾角为 4 5 。时，射流偏离中轴线的距离最大，且偏离的趋势 最大，从而导致这两种情况的射流侵彻效果最差。 2 当装药内侧倾角为1 0 。和3 0 。时，与上述两 种情况相似，只是程度差一点。只有在装药内侧倾 角为2 0 0 时，射流偏移中轴线的距离较小，射流头部 与杵体差异性小，且侵彻效果最好。 3 结论 结合数值仿真与靶场试验，对环形聚能装药中 心侵彻体成形过程进行了分析，为了抑制中心逆向 侵彻体对后端的破坏作用，对环形聚能装药结构进 行了优化设计，得出如下结论 I 环形聚能装药采用倒梯形结构，内壳倾角 为4 5 。时，对中心逆向侵彻体的抑制作用最为理想。 2 为保证爆炸载荷对内外侧药型罩压合作用 的一致性，内侧装药的倾角为2 0 0 时，对环形射流偏 转现象的修正作用最为理想。 3 该抑制中心逆向侵彻体的异型环形装药原 理设计，能够进一步促进环形装药的工程应用。 [ 5 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 9 ] 参考文献 R e f e r e n c e s [ i o ] 辛春亮，史文卿，余道建，等．环形聚能装药结构的发 [ 1 0 ] 展现状和展望[ c ] ∥第1 3 届全国战斗部与毁伤技术 学术交流会论文集，2 0 1 3 5 3 - 5 9 ． X I NC h u n l i a n g ，S H IW e n q i n g ，Y UD a o - j i a n ，e ta 1 ．D e - v e l o p m e n ts i t u a t i o na n dp r o s p e c to fa n n u l a rs h a p e dc h a r g e s t r u c t u r e [ C ] ∥A c a d e m i cE x c h a n g eM e m o i ro f1 3 t hN a - t i o n a lW a r h e a da n dD a m a g eT e c h n o l o g y 。2 0 1 3 5 0 - 5 3 ． i n C h i n e s e M E I S T E RJ ．H A L L E RF ．E x p e r i m e n t a la n d n u m e r i c a l s t u d i e so fa n n u l a rp r o j e c t i l ec h a r g e [ C ] ∥1 9 t hI n t e m a t i o n a lS y m p o s i u mo nB a l l i s t i c s ，S o u t hA f r i c a ，2 0 0 1 5 7 5 5 8 I ． K O N I GPJ ．M O S T E R TFJ ．T h ed e s i g na n dp e r f o r m a n c e o fa n n u l a rE F P [ c ] ∥1 9 t hI n t e r n a t i o n a lS y m p o s i u mo n B a l l i s t i c s ，S o u t hA f r i c a ，2 0 0 1 7 4 9 - 7 5 4 ． R I C H A R DF o n g ，L A R M A RT h o m p s o n ，W I L L I A MN g ．T o - r o i d a lw a r h e a dd e v e l o p m e n t [ C ] ∥2 5 t hI n t e r n a t i 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