不同材料双层球缺罩侵彻特性的研究.pdf

doi10． 3969／ j． issn． 1001- 8352． 2017． 05． 009 不同材料双层球缺罩侵彻特性的研究 * 王维占 赵太勇 陈智刚 印立魁 付建平 付 恒 杨大昭 中北大学地下目标毁伤技术国防重点学科实验室 （山西太原，０３００５１） ［摘 要］ 采用数值模拟及钢靶侵彻试验两种方法研究了单层钛合金球缺罩、钛合金／ 铜、铝合金／ 铜双层球缺罩 形成的３ 种杆式射流对 ４５ ＃钢锭靶板侵彻深度和开孔的问题。 研究结果表明不同材料的双层球缺罩形成的杆式 射流对４５ ＃钢锭靶板的开孔孔径和侵彻深度大小均有直接影响，且钛合金／ 铜双层罩杆式射流破甲深度相对于铝合 金／ 铜双层罩有一定提高，其开孔孔径明显增大。 而单层钛合金药型罩杆式射流整体速度最大，开孔孔径较钛合 金／ 铜、铝合金／ 铜双层罩杆式射流有明显提高，但破甲能力较低。 研究结果对于武器战斗部设计具有一定的指导 作用。 ［关键词］ 聚能装药；双层球缺罩；孔径；数值模拟 ［分类号］ TJ４１０． ３３ Penetration Characteristics of Double- layer Hemispherical Liner Made of Different Materials WANG Weizhan， ZHAO Taiyong， CHEN Zhigang， YIN Likui， FU Jianping， FU Heng， YANG Dazhao National Defense Key Laboratory of Underground Damage Technology， North University of China （Shanxi Taiyuan， ０３００５１） ［ABSTRACT］ In this paper， penetration depth and opening problems of ４５ ＃ steel ingot target caused by three kinds of rod- shaped jet ed by the single- layer titanium alloy hemispherical liner， titanium alloy／ copper and aluminum alloy／ copper double- layer hemispherical liner were studied by numerical simulation and steel target penetration test．The results show that different types of rod- shaped jets have a direct influence on the aperture and penetration depth of the ４５ ＃ steel ingot target plate． Penetration depth of titanium alloy／ copper double- layer rod jet has a relative increase compared to alumi- num alloy／ copper double- layer rod jet， and the aperture increases significantly． The whole velocity of the single layer titani- um is the largest， and the aperture is higher than that of titanium alloy／ copper and aluminum alloy／ copper double layer rod jet， but the armor capability is low．The results of this paper have a certain guidance on the design of weapon warhead． ［KEYWORDS］ shaped charge； double- layer hemispherical liner； aperture； numerical simulation 引言 近年来，随着目标防护技术的飞速发展，钢筋混 凝土和装甲钢作为首选硬目标，对聚能装药战斗部 的威力要求越来越高。 其中，药型罩材料充当着提 高射流性能的关键性角色。 不同材料双层药型罩形 成的杆式射流具有速度梯度小、整体速度高、射流质 量高等优点，备受国内外广泛关注。 Hong 等 ［１］ 对多层药型罩的形成过程进行了数 值仿真研究，得出复合射流的形成机理；付建平 等 ［２］ 则对双层球缺罩形成复合杆式射流进行了初 步研究，认为铝／ 铜双层杆式射流的侵彻威力大于单 层铜质杆式射流的侵彻威力；郑宇等 ［３］ 对双层药型 罩侵彻半无限靶板进行了数值仿真研究，结论为相 同几何尺寸条件下，与单金属罩相比，双层药型罩不 仅侵彻能力提高，而且质量减小；龚超安等 ［４］ 进行 了双层药型罩不同材料配比对侵彻结果的影响研 究，得出了合理调整外罩与内罩的厚度比有助于改 善射流性能的结论。 针对双层药型罩技术，前人已取得了一定的研 究成果，但不同内外药型罩材料组合对双层杆式射 流性能的影响还涉及不多，有待进一步研究 ［５］ 。 基 于此，文中首先阐述了双层药型罩的特点；其次设计 第４６ 卷 第 ５ 期 爆 破 器 材 Vol． ４６ No． ５ ２０１７ 年１０ 月 Explosive Materials Oct． ２０１７ * 收稿日期２０１６- １２- ２３ 作者简介王维占（１９９０ - ），男，硕士研究生，主要从事弹药工程与毁伤技术研究。 E- mail５３００５６６７９＠qq． com 万方数据 了两种不同材料的双层药型罩，使用钛合金和铝合 金两种新型材料，采用数值模拟和钢靶侵彻的试验 方法，在内层罩为紫铜的条件下，改变外层球缺罩材 料为铝合金、钛合金作为试验因变量，同时使用单层 钛合金药型罩代替双层钛合金药型罩，依次对 ４５ ＃ 钢靶进行侵彻试验研究，对比分析不同材料双层罩 形成的杆式射流的破甲性能。 针对目标特性不同， 为串联战斗部前级的选取提供参考依据。 1 双层球缺罩简述及结构设计 根据射流形成原理，射流是由药型罩的内层金 属在爆轰产物压力作用下形成的，而杵体则由药型 罩的外层金属形成。 双层药型罩正是利用这一特 点，它的内层药型罩采用塑性好、密度大并且易于形 成侵彻射流的紫铜材料，而外层药型罩则采用密度、 熔点、气化点以及阻抗均较低的材料。 这样既能保 证形成射流所需内层金属的质量，又能使外层材料 起到传递及增压的作用，从而达到提高射流速度的 目的 ［６］ 。 文中，球缺罩内层采用紫铜作为形成杆式射流 的主要质量材料，外层材料依次采用铝合金、钛合 金，同时使用单层钛合金罩代替双层钛合金罩；外罩 与内罩采用的厚度比例为 １２。 计算模型几何尺 寸药型罩的底部内口径 D１＝ ８０ mm，装药直径 D２ ＝ ８０ mm，内球曲率半径 R１＝ ３７ mm，外球曲率半径 R３＝ ４０． ７５ mm，中球曲率半径 R２＝ ３９． ５ mm。 装药 高度 H ＝ １２８ mm，装药壳体厚度 b ＝ ２ mm，钢壳。 结 构见图１ 所示。 图 １ 双层球缺罩装药结构尺寸图 Fig． １ Charging structure and size of the double- layer hemispherical liner 2 数值模拟 2． 1 计算模型与算法 为节约计算时间，采用 １／ ４ 结构建立三维有限 元模型，并设置对称约束条件于 １ ／ ４ 模型的对称面 上。 计算网格均采用 Solid １６４ 八节点六面体单元， 炸药、药型罩、空气采用 ALE 算法，它们之间的接触 作用采用流固耦合算法。 并在模型的边界节点上施 加压力流出边界条件，避免压力在边界上的反射。 通过 LS- DYNA 软件对杆式射流的成形过程进行三 维数值模拟。 2． 2 材料模型 本文的算例中，内层药型罩材料采用紫铜，外层 药型罩采用铝合金、钛合金；对比项采用单层钛合金 药型罩。 所有金属材料模型都采用 Johnson- Cook 材 料模型和 Grueise 状态方程。 主装药为 ８７０１ 炸药， 选用 High＿Explosive＿Burn 材料模型和 JWL 状态方 程来描述，材料参数见表 １。 空气采用空物质材料 （Null）描述，对应的状态方程为多线性状态方程。 装药起爆方式采用中心点起爆。 钛合金（Ti- ６Al- ４V）材料主要参数密度为４． ４５ g／ cm ３，声速为５ １３０ m／ s，剪切模量为４１． ９ GPa，屈服应力为０． ４ GPa ［７］ 。 其他材料主要参数如表２。 表 １ ８７０１ 炸药参数 Tab． １ Parameters of ８７０１ explosive ρ／ （g cm - ３） ABR１�R２＃ω D／ （m s - １） １g． ７２２５５6． ８６6． ９４M． １１d． ４０{． ４８ ４２５p 表２ 金属材料参数 Tab． ２ Parameters of metal material 材料 ρ／ （g cm - ３） A／ GPa B／ MPa Cnm 紫铜８⇔． ９６０f． ０９０㈧． ２９２０■． ０２５０ ． ３１１6． ９１ 铝合金２⇔． ７７０f． ２６０㈧． ４３００■． ０１５０ ． ３４１6． ００ ４５ ＃钢 ７⇔． ８３０f． ７９０㈧． ５１００■． ０１４０ ． ２６１6． ０３ 其中 A 是屈服应力； B 为应变硬化系数； n 是 应变硬化指数； C 是应变率相关系数； m 是温度相 关系数 ［８］ 。 3 结果分析 在外层罩采用不同材料的条件下，通过数值模 拟，对２． ５ 倍装药直径炸高条件下，杆式射流的头尾 ４４ 爆 破 器 材 第 ４６ 卷第 ５ 期 万方数据 部速度 v头、v尾，头尾部直径 D头和 D尾、杆式射流长 度 L、动能 E、长径比等参数以及射流形态进行对 比，分析射流性能，见表３。 由表３ 可见，当外罩材料为钛合金时，射流头部 速度、长径比相对适中，尾部杵体主要由钛合金形 成，所占体积比例较高，射流整体动能最大，形态较 佳；外罩材料为铝合金时，所形成的杆式射流头部速 度相对适中，长径比最大，尾部杵体所占质量比相对 较低，动能适中；当药型罩为单层钛合金罩时，杆式 射流整体速度最高，但动能最小，尾部较粗，适合开 孔。 外罩为钛合金与外罩为铝合金相比，钛合金／ 铜 杆式射流长径比较小，但射流整体形态更加密实，整 体动能较大，尾部杵体与射流中后部衔接过渡较均 匀，速度梯度相对较小，尾部钛合金杵体所占体积比 例较大，射流有效破甲体积多集中在射流中间靠近 头部；由此可知，射流性能相对较佳。 4 试验准备 试验采用铝合金／ 铜双层药型罩、单层钛合金药 型罩、钛合金／ 铜双层药型罩。 装药结构见图 ２。 ３ 种药型罩对应的钢靶编号分别为 １ ＃、２＃、３＃，双层球 缺罩总壁厚均为 ４． ３２ mm。 药型罩原材料为紫铜 板、聚乙烯树脂和钛合金，采用先冲压、后车制的加 工方法。 试验中的装药采用８７０１ 炸药压制而成，装 药直径为 ８０ mm，装药高度为 １２８ mm，起爆方式均 为中心点起爆。 靶板为 ４５ ＃钢，１＃靶厚度为 ２５０ mm， 分别由两块１００ mm 厚和一块 ５０ mm 厚的钢锭叠摞 表３ 不同材料条件下杆式射流形态及参数对比 Tab． ３ Rod- type jet shape and parameter comparison under different material conditions 材料参数单层钛合金铝合金／ 铜钛合金／ 铜 v头／ （m s - １） ５ １８７㈢３ ８３４ ３ ６８５} v尾／ （m s - １） ８９８q３１３�３０５W D头／ mm４． ６８８s． ７４９�． ４０ D尾／ mm５８ ． ２２３２⑦． ８２３２�． ９８ L／ mm１５４-． ６６１７７�． ８０１７５ ． ６０ E／ kJ０�． １３１０\． １６８０�． １７２ 长径比５． ８１８s． ５６８�． ２８ 射 流 速 度 云 图 射 流 质 量 分 布 ５４２０１７ 年１０ 月 不同材料双层球缺罩侵彻特性的研究 王维占，等 万方数据 而成；２ ＃靶厚度为１５０ mm，由一块１００ mm 厚和一块 ５０ mm 厚的钢锭叠摞而成；３ ＃ 靶厚度为 ２５０ mm，分 别由两块１００ mm 厚和一块５０ mm 厚的钢锭叠摞而 成，其中５０ mm 厚钢锭放置于中间位置。 内外层球 缺罩参数如表４。 １ - 起爆装置；２ - 装药；３ - 壳体； ４ - 外层药型罩；５ - 内层药型罩。 图 ２ 双层球缺罩装药结构示意图 Fig． ２ Structural diagram of double- layer hemispherical liner 表 ４ 双层球缺罩内外层罩参数 Tab． ４ Parameters of double- layer hemispherical liner 编号 内层罩参数 材料壁厚／ mm 外层罩参数 材料壁厚／ mm １ ＃ 紫铜２．． ５０铝合金１\． ２５ ２ ＃ 钛合金３．． ７５ ３ ＃ 紫铜２．． ５０钛合金１\． ２５ 5 试验结果与分析 试验射流侵彻靶板后典型照片如图３、图４、 图 ３ 钢靶正面 Fig． ３ Front view of the steel target 图５所示；试验侵彻参数见表５。 表５ 中出口尺寸均 为１００ mm 厚处靶板的出口尺寸。 图４ 钢靶背面 Fig． ４ Rear view of the steel target 图５ 试验钢锭 Fig． ５ Experimental steel ingot 表５ 试验数据对比 Tab． ５ Comparison of experimental data mm 编 号 炸高 开口 尺寸 出口 尺寸 侵彻 深度 平均穿孔 直径 １ ＃ ２００�２６ １８�１９５ ２２ψ ２ ＃ ２００�４２ ２６�１３４ ３４ψ ３ ＃ ２００�３０ ２４�２０４ ２７ψ 由图 ３ 可看到，钛合金药型罩对 ２ ＃钢靶开孔孔 径最大，可以模糊看到银白色（钛合金颜色）金属覆 盖在孔径周边；１ ＃钢靶开孔孔径最小，明显低于３＃钢 靶开孔孔径；由图 ３ 中第 ２ ＃钢靶出口可明显看到银 白色金属附着在出口四周，那是因为钛合金（银白 色）射流穿透第一块靶板后，高温高压的射流向钢 靶间隙中膨胀溅射造成，虽然破甲深度只有 １３４ mm，但入孔和出孔分别达到 ４２ mm 和 ２６ mm，适合 作为串联战斗部前级开孔使用，为后级随进子弹药 创造良好的随进通道。 6 结论 １）通过数值模拟方法，描述了两种不同材料双 层球缺罩杆式射流的形态，并对杆式射流的性能进 行分析对比，得出不同外罩材料对杆式射流成型有 ６４ 爆 破 器 材 第 ４６ 卷第 ５ 期 万方数据 一定影响。 但从杆式射流动能、形态、速度梯度等得 出，使用钛合金优于铝合金。 ２）通过钢锭侵彻试验得知，与铝合金／ 铜双层 杆式射流对比，钛合金／ 铜双层罩形成的杆式射流比 动能较大，破甲深度有一定提高，开孔能力明显优于 铝合金／ 铜杆式射流，与数值模拟分析结论一致。 ３）单层钛合金药型罩形成的杆式射流相对于 铝合金／ 铜、钛合金／ 铜双层药型罩形成的杆式射流， 开孔威力提高明显，破甲威力明显下降。 参 考 文 献 ［１］ HONG S C， NIU Y M．Numerical simulation of the mul- tiplayer explosively ed projectle ［C］ ／ ／ Proceedings of the １５th International Symposium on Ballistic． １９９５３１５- ３２４． ［２］ 付建平， 冯顺山， 陈智刚，等． 双层球缺罩形成复合杆 式射流的初步研究［J］．中北大学学报（自然科学 版）， ２０１６， ３７（１）２４- ２８． FU J P，FENG S S ，CHEN Z G ， et al． Preliminary study of composite jetting penetrator charge with double- layer spherical segment liner［J］． Journal of North University of China （Natural Science Edition）， ２０１６， ３７（１）２４- ２８． ［３］ 郑宇， 王晓鸣， 李文彬．双层药型罩侵彻半无限靶板 的数值仿真研究［J］．南京理工大学学报（自然科学 版）， ２００８， ３２（３）３１３- ３１７． ZHENG Y，WANG X M ， LI W B．Numerical simulation on double- layered shaped charge liner penetration into semi- infinite target ［J］．Journal of Nanjing University of Science and Technology （ Natural Science）， ２００８， ３２ （３）３１３- ３１７． ［４］ 龚超安， 陈智刚， 印立魁，等． 双层药型罩不同材料配 比对侵彻结果的影响［J］．机械， ２０１６，４３（３）６６- ６９． GONG C A，CHEN Z G ，YIN L K， et al．Effection of different material proportion of double layer liner on the penetration［J］．Machinery， ２０１６，４３ （３） ６６- ６９． ［５］ 滕桃居， 陈磊， 石祥．不同材料双层药型罩 EFP 成型 及侵彻性能数值模拟［J］． 弹箭与制导学报， ２０１４， ３４ （５）１１３- １１６． TENG T J， CHEN L， SHI X．Numerical simulation on ation process and penetration perance of double layer liners EFP with different materials［J］．Journal of Projectiles，Rockets， Missiles and Guidance， ２０１４， ３４ （５）１１３- １１６． ［６］ 臧涛成，胡焕性，邵琦． 破甲弹复合罩性能研究［J］．火 炸药学报， １９９８（４）４４- ４７，５８． ZANG T C， HU H X， SHAO Q．The perance study of shaped charge liner［J］．Chinese Journal of Explosives and Propellants，１９９８（４）４４- ４７，５８． ［７］ 李惠明， 张怀智， 赵东华，等． 内外层材料特性对双层 EFP 的影响研究［J］．弹箭与制导学报， ２０１２， ３２ （６）８１- ８２，８６． LI H M，ZHANG H Z ，ZHAO D H ， et al．The study on the effect of inner and outer layer of material properties of double- layer EFP［J］．Journal of Projectiles， Rockets， Missiles and Guidance， ２０１２， ３２ （６） ８１- ８２，８６． ［８］ 张晓伟， 段卓平， 张庆明．钛合金药型罩聚能装药射 流成型与侵彻实验研究［J］．北京理工大学学报， ２０１４，３４（１２）１２２９- １２３３． ZHANG X W，DUAN Z P ，ZHANG Q M ．Experimental study on the jet ation and penetration of conical shaped charges with titanium alloy liner ［J］． Transactions of Beijing Institute of Technology， ２０１４，３４ （１２） １２２９- １２３３． （上接第４２ 页） ［３］ 崔思华，班凡生，袁光杰．页岩气钻完井技术现状及难 点分析［J］． 天然气工业，２０１１，３１ （４） ７２- ７５． CUI S H， BAN F S，YUAN G J．Status quo and challen- ges of global shale gas drilling and completion［J］．Natu- ral Gas Industry，２０１１，３１ （４） ７２- ７５． ［４］ 王素玲， 董康兴， 董海洋．低渗透储层射孔参数对起 裂压力的影响［J］． 石油钻采工艺，２００９，３１（３） ８５- ８９． WANG S L，DONG K X，DONG H Y．Effect analysis of perforating parameters upon initiation pressure in low per- meability reservoir［J］．Oil Drilling and Production Tech- nology，２００９，３１（３） ８５- ８９． ［５］ 北京工业学院八系爆炸及其作用编写组．爆炸及其作 用（下册） ［M］．北京 国防工业出版社， １９７９９５- １１０． ［６］ 高永宏，顾晓辉，王凤英． 粉末药型罩的材料密度对聚 能射流性能的影响［J］． 高压物理学报，２０１３，２７（４） ５５６- ５６０． GAO Y H，GU X H，WANG F Y．Powder liner density effect on the perance of shaped charge jet［J］．Chi- nese Journal of High Pressure Physics，２０１３，２７（４）５５６- ５６０． ７４２０１７ 年１０ 月 不同材料双层球缺罩侵彻特性的研究 王维占，等 万方数据