变壁厚球缺罩杆式射流的形成与侵彻性能研究 .pdf

ｄｏｉ１０. ３９６９/ ｊ. ｉｓｓｎ. １００１-８３５２. ２０１６. ０１. ００９ 变壁厚球缺罩杆式射流的形成与侵彻性能研究 ❋ 张 钧① 陈智刚① 李小军② 于小洁③ 郭光全④ 吕慧贞④ ①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 ②中国人民解放军防化研究院北京,１０２２０５ ③总装北京军代局北京,１０００４２ ④晋西工业集团有限责任公司山西太原,０３００５１ [摘 要] 为了研究不同结构对变壁厚球缺罩形成杆式射流的影响,设计了等壁厚、中间厚边缘薄、中间薄边缘厚 ３ 种等质量球缺罩方案。 利用 ＬＳ-ＤＹＮＡ 软件对杆式射流的形成与侵彻进行了数值模拟,并进行了大炸高下的侵彻 试验。 研究结果表明结构不同导致形成杆式射流的方式不同,并对射流的形态与速度分布有显著影响；中间厚边 缘薄球缺罩形成的杆式射流侵彻深度最大,等壁厚球缺罩次之,中间薄边缘厚球缺罩最差。 [关键词] 聚能装药；杆式射流；球缺罩；壁厚；数值模拟 [分类号] ＴＪ４１０. ３ 引言 现代战场对反坦克弹药大炸高攻顶技术的需求 提高,而战斗部的布置空间有限,高品质射流的形成 是提高其侵彻性能的关键技术。 杆式射流[１]是一 种侵彻性能介于爆炸成型弹丸和聚能射流之间的聚 能侵彻体,由于其在中近炸高条件下侵彻能力强,装 药及药型罩材料利用率高和可调性较强,在对付某 些特殊的装甲防护如多层间隔装甲、含水间隙装甲 和机场跑道时具有较好的应用前景[１-２]。 形成杆式射流的装药结构主要是大锥角聚能装 药。 国外对大锥角装药进行了较多研究,最早的是 Ｋ-Ｃｈａｒｇｅ[３]。 近些年来,中国工程物理研究院谭多 望[４]、北京大学王成[５]、北京理工大学黄风雷[６]、南 京理工大学黄正祥[７]和李伟兵[８]等大量国内学者, 都针对杆式射流的形成及侵彻能力进行了研究。 球缺罩作为一种常用的药型罩结构,当它的高 度和内表面底直径的比值满足一定关系时,可以产 生杆式射流。 与其他结构杆式射流相比,球缺罩形 成的杆式射流粗细均匀,其材料利用率与动能值均 较高。 本文设计了 ３ 种等质量变壁厚球缺罩,利用 ＬＳ-ＤＹＮＡ 非线性分析软件分析了杆式射流的形成 与侵彻过程,并进行了大炸高下侵彻 ４５＃钢靶的 试验。 １ 杆式射流方案设计 １. １ 杆式射流的技术途径 形成杆式射流的核心是控制侵彻体的速度梯 度,目前可以通过两种技术途径得到杆式射流１ 提高爆炸成型弹丸ＥＦＰ的速度梯度,将 ＥＦＰ 拉长 来得到杆式射流；２降低射流的头部速度并提升射 流的尾部速度,减小射流整体速度梯度的差异。 １. ２ 初步方案设计 初步设计了 ３ 种等质量变壁厚球缺罩等壁厚 球缺罩方案Ⅰ、中心厚边缘薄球缺罩方案Ⅱ、 中心薄边缘厚球缺罩方案Ⅲ。 战斗部装药主要 由球缺罩、炸药、战斗部壳体、起爆装置等组成。 ２ 数值模拟 ２. １ 有限元模型与算法 采用多物质耦合 ＡＬＥ 算法来模拟聚能装药作 用的大变形过程,并在有限元模型的边界上施加压 力透射边界条件。 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。 计算网格均采用六面体实体单元,炸药、药型 罩、空气采用 ＡＬＥ 算法,战斗部壳体、靶板采用 Ｌａｇｒａｎｇｅ算法,它们之间的相互作用采用流固耦合 算法。 计算模型几何尺寸为炸药药柱直径 ５５ ｍｍ, 炸药药柱高度为 ５２ ｍｍ,球缺罩口部直径 ５２ ｍｍ,球 􀅰９３􀅰２０１６ 年 ２ 月 变壁厚球缺罩杆式射流的形成与侵彻性能研究 张 钧,等 ❋ 收稿日期２０１５-０５-０５ 作者简介张钧１９８９ ,男,硕士研究生,主要从事弹箭控制与高效毁伤技术的研究。 Ｅ-ｍａｉｌ５８３３２５６０２＠ ｑｑ. ｃｏｍ 通信作者陈智刚１９６３ ,男,教授,主要从事弹药高效毁伤技术研究。 Ｅ-ｍａｉｌｔｊ８５ｔｊ＠１６３. ｃｏｍ 缺罩高度为 １７. ２ ｍｍ。 ２. ２ 材料模型 选择 ８７０１ 炸药,其主要材料参数为ρ ＝ １. ７２ ｇ/ ｃｍ３,Ｄ ＝８. ４２５ ｋｍ/ ｓ,ｐＣＪ＝２９. ９５ ＧＰａ。 计算中炸 药模型采用高能炸药材料本构模型∗ＭＡＴ ＨＩＧＨ ＥＸＰＬＯＳＩＶＥ ＢＵＲＮ 和状态方程 ＪＷＬ 来描述。 选择 紫铜为球缺罩材料,并采用流体弹塑性材料模型和 Ｇｒｕｎｅｉｓｅｎ 状态方程来描述药型罩在爆轰波作用下 的动力响应行为。 壳体与靶板材料为 ４５＃钢,采用 应变率相关和失效相结合的各向同性塑性随动硬化 模型。 以上各材料模型的参数均选择经典数值。 ２. ３ 数值模拟结果与分析 ３ 种方案成型过程速度云图见图 １。 由图 １ 杆式射流成型过程可见,３ 种方案杆式 射流的形成方式有着显著差异。 方案Ⅲ的药型罩中心处薄,质量小,在爆轰波的 作用下先变形。 成型过程是中心处翻转,边缘处压 合,近似于 ＥＦＰ 的形成；但在形成的过程中会因聚 拢不实而产生空心,影响密实性。 方案Ⅱ的杆式射流和传统聚能射流成型规律相 似,主要由球缺罩压垮形成。 中心厚,边缘薄,这样 会造成球缺罩在爆轰波的作用下来不及翻转就被压 垮,并向中心轴线汇聚。 方案Ⅰ的药型罩壁厚相等,杆式射流在成型过 程中既有沿轴线的翻转作用,又有向轴线的压垮 汇聚。 决定杆式射流在大炸高下侵彻能力的主要因素 是射流的断裂。 速度梯度对射流的断裂有着显著影 响,速度梯度越大,射流的断裂时间越早。 由图 ２ 和 表 １ 可见,方案Ⅲ形成的杆式射流头尾速度差与速 度梯度最大,在大炸高下将最早产生颈缩而断裂。 方案Ⅱ形成的杆式射流速度梯度最小,断裂时间最 晚,且射流整体速度最高。 方案Ⅰ中杆式射流的速 度梯度大小居中,由 １００ μｓ 时的射流形态与速度分 布可知,方案Ⅰ将先于方案Ⅱ在射流中部发生断裂。 通过数值模拟发现,杆式射流速度低于１ ０００ 图 ２ 杆式射流在 １００ μｓ 时刻的形态与速度分布 Ｆｉｇ. ２ Ｓｈａｐｅ ａｎｄ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｊｅｔｔｉｎｇ ｐｅｎｅｔｒａｔｏｒ ｃｈａｒｇｅ ａｔ １００ μｓ 表 １ 杆式射流在 １００ μｓ 时刻的主要参数 Ｔａｂ. １ Ｍａｊｏｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｊｅｔｔｉｎｇ ｐｅｎｅｔｒａｔｏｒ ｃｈａｒｇｅ ａｔ １００ μｓ 方案 头部速度 ｖｊ/ ｍ􀅰ｓ －１ 尾部速度 ｖｓ/ ｍ􀅰ｓ －１ 射流长 度 Ｌ/ ｍｍ 速度梯 度 η/ ｓ －１ Ⅰ３ ２７５８０９. ５２５８. ９２９ ５２２ Ⅱ３ ４６２１ ００２. ０２６５. １１９ ２７９ Ⅲ３ １４７３４３. ７２８７. ９７９ ７３５ 图 １ ３ 种方案成型过程速度云图 Ｆｉｇ. １ Ｓｐｅｅｄ ｃｌｏｕｄ ｍａｐｓ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｓｃｈｅｍｅｓ ｉｎ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ 􀅰０４􀅰 爆 破 器 材 Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ 第 ４５ 卷第 １ 期 ｍ/ ｓ 的部分对 ４５＃钢靶侵彻能力较低,文中将速度高 于 １ ０００ ｍ/ ｓ 的射流部分称为有效杆式射流。 方案 Ⅰ中有效杆式射流质量约占药型罩总质量的 ５２. ６０％,方案Ⅱ为 ８５. ８５％,方案Ⅲ为 ５２. ２０％。 综 合以上分析,方案Ⅱ形成的杆式射流侵彻能力优于 方案Ⅰ,方案Ⅲ最差。 侵彻靶板仿真结果见图 ３。 图 ３ ３ 种方案侵彻靶板仿真结果 Ｆｉｇ. ３ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔａｒｇｅｔ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｒｅｅ ｓｃｈｅｍｅｓ ３ 试验研究 ３. １ 试验安排 试验所用药柱采用 ８７０１ 炸药压制而成,炸药药 柱直径为 ５５ ｍｍ,炸药药柱高度为 ５２ ｍｍ,起爆方式 均为中心点起爆；球缺罩由紫铜板冲压而成,球缺罩 口部外径 ５２ ｍｍ；壳体材料为 ４５＃钢,壳体壁厚 ２. １ ｍｍ,３ 种球缺罩方案外半径保持一致,仅改变罩内 半径与罩内外圆心距,并保证球缺罩的质量不变,详 细参数见表 ２。 试验布置见图 ４ 所示,木架高度 １. １ ｍ即２０倍 装药直径,靶板为 １５０ ｍｍ 的４５＃钢,靶厚９０ ｍｍ。 ３. ２ 试验结果与分析 对以上 ３ 种方案进行静破甲试验,侵彻结果如 图 ５ 图 ７ 所示,侵彻开坑数据见表 ３。 从试验结果 可以看出,所有试验的入口孔径都大于 ０. ５ 倍装药 直径,且方案Ⅱ的最大穿深超过 ９０ ｍｍ,将试验布置 中的 ４５＃钢靶完全穿透。 ４ 结论 通过对３种等质量变壁厚球缺罩形成杆式射流 过程的数值模拟及侵彻靶板的试验研究,可以得出 图 ４ 试验布置 Ｆｉｇ. ４ Ｔｅｓｔ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｓ 图 ５ 方案Ⅰ侵彻结果 Ｆｉｇ. ５ Ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎ ｓｃｈｅｍｅ Ⅰ 图 ６ 方案Ⅱ侵彻结果 Ｆｉｇ. ６ Ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎ ｓｃｈｅｍｅ Ⅱ 图 ７ 方案Ⅲ侵彻结果 Ｆｉｇ. ７ Ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎ ｓｃｈｅｍｅ Ⅲ 表 ２ 试验参数 Ｔａｂ. ２ Ｔｅｓｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ 方案 药型罩参数 罩内表面半径/ ｍｍ圆心距/ ｍｍ罩质量/ ｇ 装药参数 装药量/ ｇ装药密度/ ｇ􀅰ｃｍ －３ 炸高与装药 直径之比 Ⅰ２５. ７０５４. ５１４６. ９１. ７０４２０ Ⅱ２６. ７１. ５５４. ８１４６. ７１. ７０２２０ Ⅲ２４. ４１. ８５４. ６１４７. １１. ７０６２０ 􀅰１４􀅰２０１６ 年 ２ 月 变壁厚球缺罩杆式射流的形成与侵彻性能研究 张 钧,等 表 ３ 试验侵彻数据 Ｔａｂ. ３ Ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ ｄａｔａ ｉｎ ｔｅｓｔｍｍ 方案平均入口直径平均侵彻深度仿真计算值 Ⅰ３２８０. ３１１３ Ⅱ３１８５. ７１３５ Ⅲ３５６８. ４９２ 以下结论 １数值模拟表明,在球缺罩质量与外半径不变 的情况下,壁厚的变化会导致杆式射流形成过程的 差异。 ２中间厚边缘薄球缺罩产生的杆式射流具有 最小的速度梯度。 ３试验结果表明,在装药量与炸高相同时,３ 种 方案形成的杆式射流对 ４５＃钢靶侵彻深度为中心 厚边缘薄球缺罩最大,等壁厚球缺罩次之,中心薄边 缘厚球缺罩最小。 参 考 文 献 [１] 付建平,杨慧群,李小军,等. 小口径聚能杆式射流的 数值模拟与试验研究[Ｃ] / / 第十六届中国科协年会第 九分会场含能材料及绿色民爆产业发展论坛论文集, 昆明中国兵工学会,２０１４９４-９８. 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Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ｏｆ Ｊｅｔｔｉｎｇ Ｐｅｎｅｔｒａｔｏｒ Ｃｈａｒｇｅ ｏｆ Ｈｅｍｉｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ｌｉｎｅｒｓ ｗｉｔｈ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ＺＨＡＮＧ Ｊｕｎ①, ＣＨＥＮ Ｚｈｉｇａｎｇ①, ＬＩ Ｘｉａｏｊｕｎ②, ＹＵ Ｘｉａｏｊｉｅ③, ＧＵＯ Ｇｕａｎｇｑｕａｎ④, Ｌ Ｈｕｉｚｈｅｎ④ ①Ｎａｔｉｏｎａｌ ｄｅｆｅｎｓｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ Ｄａｍａｇｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ, Ｎｏｒｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｓｈａｎｘｉ Ｔａｉｙｕａｎ, ０３００５１ ② Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｄｅｆｅｎｓｅ, ＰＬＡ Ｂｅｉｊｉｎｇ, １０２２０５ ③Ｂｅｉｊｉｎｇ Ａｒｍｙ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｂｕｒｅａｕ, Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ Ｂｅｉｊｉｎｇ, １０００４２ ④ Ｊｉｎｘｉ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ. , Ｌｔｄ. Ｓｈａｎｘｉ Ｔａｉｙｕａｎ, ０３００５１ [ＡＢＳＴＲＡＣＴ] Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｌｉｎｅｒ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｊｅｔｔｉｎｇ ｐｅｎｅｔｒａｔｏｒ ｃｈａｒｇｅ ｏｆ ｈｅｍｉｓｐｈｅｒ- ｉｃａｌ ｌｉｎｅｒｓ ｗｉｔｈ ｖａｒｉａｂｌｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ, ｔｈｒｅｅ ｈｅｍｉｓｐｈｅｒｉｃａｌ ｌｉｎｅｒｓ ｗｉｔｈ ｅｑｕａｌ ｍａｓｓ ｗｅｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ, ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｅｑｕａｌ-ｔｈｉｃｋ ｌｉｎｅｒ, ｃｅｎｔｅｒ ｔｈｉｃｋｅｒ ｌｉｎｅｒ ａｎｄ ｅｄｇｅ ｔｈｉｃｋｅｒ ｌｉｎｅｒ. ＬＳ-ＤＹＮＡ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｊｅｔｔｉｎｇ ｐｅｎｅｔｒａｔｏｒ ｃｈａｒｇｅ. Ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｆ ｊｅｔ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ ａｇａｉｎｓｔ ｔａｒｇｅｔ ｗａｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ａｔ ｌｏｎｇ ｃｈａｒｇｅ ｄｉａｍｅｔｅｒｓ ｓｔａｎｄｏｆｆ ｄｉｓｔａｎｃｅｓ. Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｌｉｎｅｒ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｌｅａｄｓ ｔｏ ｔｈｅ ｄｉｓｓｉｍｉｌａｒ ｗａｙ ｏｆ ｒｏｄ ｌｉｋｅ ｊｅｔ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ, ａｎｄ ｌｉｎｅｒ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｈａｓ ａ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｓｈａｐｅ ａｎｄ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｆ ｊｅｔ. Ｊｅｔｔｉｎｇ ｐｅｎｅｔｒａｔｏｒ ｃｈａｒｇｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｅｎｔｅｒ ｔｈｉｃｋｅｒ ｌｉｎｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ, ｔｈｅ ｅｑｕａｌ ｔｈｉｃｋ ｌｉｎｅｒ ｆｏｌｌｏｗｓ, ａｎｄ ｔｈｅ ｅｄｇｅ ｔｈｉｃｋｅｒ ｌｉｎｅｒ ｉｓ ｔｈｅ ｗｏｒｓｔ. [ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ] ｓｈａｐｅｄ ｃｈａｒｇｅ； ｊｅｔｔｉｎｇ ｐｅｎｅｔｒａｔｏｒ ｃｈａｒｇｅ； ｈｅｍｉｓｐｈｅｒｉｃａｌ ｌｉｎｅｒ； ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 􀅰２４􀅰 爆 破 器 材 Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ 第 ４５ 卷第 １ 期