双层药型罩内罩开槽对EFP形成尾翼的影响 .pdf
doi10. 3969/ j. issn. 1001-8352. 2014. 06. 003 双层药型罩内罩开槽对 EFP 形成尾翼的影响 ❋ 郭 帅① 李小军② 于小洁③ 陈智刚① 裴思行① 付建平① 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 [摘 要] 为了研究内层药型罩周向对称开槽对爆炸成型弹丸EFP形成尾翼的影响,利用 LS-DYNA 显示动力 分析有限元程序,采用 Lagrange 算法,对双层药型罩聚能装药的成型过程进行数值模拟。 对不同开槽参数的数值 模拟结果进行对比分析,选择数值模拟最佳结果进行试验验证。 数值模拟与试验研究所得结论基本吻合。 结果表 明内层药型罩周向对称开槽结构能够形成带尾翼的串联 EFP。 当 L/ Da=0. 20、W/ Da=0. 05 时Da为装药直径,L 为开槽长度、W 为开槽宽度,前后 EFP 长径比最大,带尾翼的串联 EFP 的成型效果最佳。 [关键词] 聚能装药;双层药型罩;爆炸成型弹丸;尾翼;数值模拟 [分类号] TJ410. 3 +3 引言 随着现代科学技术的发展,尤其是军事科技的 发展,使得军事目标的抗打击能力都在加强。 新型 串联爆炸成型弹丸EFP装药结构可提高 EFP 的 侵彻能力,而要提高 EFP 的稳定飞行能力,行之有 效的方法就是使用带有尾翼的 EFP。 文献[1-6]以 药型罩的材料和结构、装药结构等为影响因素,对双 层药型罩进行了数值模拟和试验研究,得出在一定 的装药结构下,采用不同材料的双层药型罩能够形 成串联 EFP 的结论。 赵慧英等[7-8]和桂毓林等[9-10] 分别以药型罩表面贴附隔板结构和三点起爆方式等 为影响因素,对带尾翼 EFP 进行数值模拟和试验研 究,得出采用特殊的结构和多点起爆方式能够使单 层药型罩形成带尾翼的 EFP 的结论。 目前研究主 要是单层药型罩形成带尾翼的 EFP 或者双层药型 罩形成串联 EFP,对双层药型罩形成尾翼的问题的 研究较少。 本文提出一种在双层药型罩的内层药型罩周向 对称开槽,并用密度较大的钨作为填充材料的方法, 以此新型结构来影响药型罩的塑性变形过程,从而 形成带尾翼的串联 EFP。 通过对该结构的数值仿真 计算,获得了开槽参数对带尾翼串联 EFP 成型效果 的影响规律,从而为今后的研究工作提供一定的借 鉴和参考。 1 有限元模型及材料参数 1. 1 建立有限元模型 为提高串联 EFP 飞行稳定性,本文提出一种在 双层球缺罩内层药型罩周向对称开槽,并用钨作为 填充材料的聚能装药战斗部。 因聚能装药为轴对称 结构,同时本文以药型罩内罩开 4 个槽为例进行研 究,所以建立1/4 模型即可,如图1 所示。 模型中装 药直径 Da=50 mm,药柱球面半径 R =85 mm,外层 药型罩壁厚 δ1=3 mm,内层药型罩壁厚 δ2=3 mm, 装药长径比 1. 2。 利用 LS-DYNA 软件中的拉格朗 日算法对双层药型罩战斗部形成尾翼的过程进行模 拟计算,单位制为cm-g-μs。 1-炸药;2-内罩;3-外罩;4-填充物 图 1 有限元模型 Fig. 1 Finite element model 1. 2 材料参数 炸药选用 High Explosive Burn 高能炸药爆轰 模型,其主要材料参数为ρ =1. 717 g/ cm3,D =7980 112014 年 12 月 双层药型罩内罩开槽对 EFP 形成尾翼的影响 郭 帅,等 ❋ 收稿日期2014-04-09 基金项目2014 年山西省研究生优秀创新项目资助 作者简介郭帅1988 ,男,硕士研究生,主要研究方向弹箭控制与高效毁伤技术。 E-mail309351855@ qq. com 通信作者陈智刚1963 ,男,教授,主要研究方向弹药高效毁伤。 E-mailtj85tj@163. com m/ s,pCJ=29. 5 GPa。 状态方程为 JWL 方程[11],方 程参数见表 1。 表 1 B 炸药 JWL 状态方程参数 Tab. 1 Parameters of JWL equation for composition B A/ GPa B/ GPa R1R2ω E0/ GPa 524. 237. 6784. 24. 00. 348. 5 填充物选用 Plastic Kinematic 材料模型,参数 见表 2。 其中 ρ 为材料密度;E 为杨氏模量;v 为泊 松比;σ 为屈服应力。 表 2 填充物材料模型参数 Tab. 2 Parameters of filler material model 材料 ρ/ gcm -3 E/ GPa v σ/ GPa 钨18. 33570. 3032. 07 药型罩内外罩采用 Johnson Cook 材料模型和 Gruneisen 状态方程[12],材料模型参数见表 3。 ρ 为 材料密度;G 为剪切模量; A、B、n、c、m 为材料常数; Tm为材料融化温度。 表 3 药型罩外罩和内罩材料模型参数 Tab. 3 Parameters of material model of outer liner and inner liner 药型罩材料 ρ/ gcm -3 G/ GPa A/ GPa 内罩铝2. 70770. 175 外罩铜8. 96460. 090 B/ GPancmTm/ K 0. 3800. 340. 0151. 00933 0. 2920. 310. 0251. 091 356 2 数值模拟 2. 1 尾翼成型过程分析 由爆轰理论可知,一定形状的药柱爆炸时,必将 产生高温、高压的爆轰产物,在瞬时爆轰条件下,这 些产物将沿炸药表面的法线方向向外飞散。 当有球 缺型凹槽的圆柱形药柱爆炸后,一方面,爆轰产物以 一定速度沿垂直于球缺型凹槽表面的方向朝中心轴 线汇聚,形成一股速度和密度都很高的气流,即为聚 能效应;另一方面,由于稀疏波的作用,汇聚到中心 轴线处的爆轰产物又会迅速地向周围低压区膨胀, 使能量分散开。 在成型装药的球缺型凹槽表面加上 一个金属罩,则爆炸后的爆轰产物将推动罩壁向中 心轴线运动,将能量传递给金属罩,避免气体的高压 膨胀引起能量的再度分散。 而在这个过程中,填充 材料钨起到闭气的作用。 由于钨的可压缩性比铝的 可压缩性小得多,在受到相等爆轰载荷作用时,冲击 波压力在钨中衰减比铝快。 当经过衰减后的冲击波 作用于外层药型罩时,在没有开槽处的外罩微元获 得的压力比其他位置处大,产生的塑性变形也大,将 形成串联 EFP 的尾翼。 在内层药型罩开槽数目确定为 4 的情形下,串 联 EFP 成型结果则主要受槽长和槽宽的影响。 下文将在不同开槽长度和开槽宽度的情形下, 对带尾翼的串联 EFP 的形成过程进行数值模拟,计 算中均采用中心点起爆方式。 2. 2 开槽宽度对串联 EFP 形成尾翼的影响 当开槽长度 L =1. 0 cm 时,仅改变开槽宽度 W, 依次取值为 0. 15、0. 20、0. 25、0. 30 cm 进行计算,得 到的串联 EFP 形态见表 4,计算结果见表 5,串联 EFP 速度、长径比随开槽宽度的变化曲线分别如图 2、图 3 所示。 从仿真结果可以看出,随着开槽宽度W的增 大,串联EFP的速度和长径比都呈现先增大后减小 的趋势,尾翼成型效果越来越明显。当开槽宽度W =0. 25 cm,形成串联EFP的尾翼和头部形状都比 表 4 不同开槽宽度时的串联 EFP 形态 Tab. 4 Shapes of series EFP as different widths of groove W/ cm t/ μs 前 EFP 形态后 EFP 形态 0. 15130 0. 20130 0. 25130 0. 30130 表 5 不同开槽宽度时的串联 EFP 速度和长径比 Tab. 5 Velocities and length-diameter radios of series EFP as different widths of groove W/ cm t/ μs 前 EFP 速度/ ms -1 后 EFP 速度/ ms -1 前 EFP 长径比 后 EFP 长径比 0. 151301 6951 5791. 170. 91 0. 201301 7051 6241. 280. 96 0. 251301 7521 6531. 361. 05 0. 301301 6481 5761. 260. 99 21 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 43 卷第 6 期 图 2 串联 EFP 速度随开槽宽度的变化曲线 Fig. 2 Changingcurves of tandem EFP speedas different widths of groove 图 3 串联 EFP 长径比随开槽宽度的变化曲线 Fig. 3 Changing curves of length - diameter radio of tandem EFP as different widths of groove 较好,速度及长径比达到最大值,此串联 EFP 的综 合性能最佳。 2. 3 槽长对串联 EFP 形成尾翼的影响 当开槽宽度 W = 0. 25 cm 时,仅改变开槽长度 L,依次取值为 0. 6、0. 8、1. 0、1. 2 cm 进行计算,得到 串联 EFP 形态见表 6,计算结果见表 7,串联 EFP 速 度和长径比随开槽长度的变化曲线分别如图 4、图 5 所示。 表 6 不同开槽长度时的串联 EFP 形态 Tab. 6 Shapes of series EFP as different lengths of groove L/ cm t/ μs 前 EFP 形态后 EFP 形态 0. 6130 0. 8130 1. 0130 1. 2100 表 7 不同开槽长度时的串联 EFP 速度和长径比 Tab. 7 Velocities and length-diameter radios of series EFP as different lengths of groove L/ cm t/ μs 前 EFP 速度/ ms -1 后 EFP 速度/ ms -1 前 EFP 长径比 后 EFP 长径比 0. 61301 6721 5391. 060. 93 0. 81301 7291 6351. 270. 97 1. 01301 7521 6531. 361. 05 1. 21001 6501 5631. 240. 98 图 4 串联 EFP 速度随开槽长度的变化曲线 Fig. 4 Changing curves of tandem EFP speedas different lengths of groove 图 5 串联 EFP 长径比随开槽长度的变化曲线 Fig. 5 Changing curves of length - diameter radio of tandem EFP as different lengths of groove 从仿真结果可以看出,串联EFP的速度和长径 比都呈现先增大后减小的趋势。但是,当开槽长度 L取值较大或者较小时,尾翼的成型效果均较差。 当开槽长度 L =1. 0 cm,形成串联 EFP 的尾翼形状 比较好,速度及长径比达到最大值,此时串联 EFP 的综合性能最佳。 3 双层 EFP 内罩开槽战斗部试验研究 3. 1 试验布置 为进一步验证双层 EFP 内罩开槽战斗部的侵 彻性能,开展了该装药侵彻目标的试验研究。 试验 中使用的药型罩材料、结构和尺寸与数值模拟中使 用的结构和尺寸相同,开槽长度 L =1. 0 cm,开槽宽 312014 年 12 月 双层药型罩内罩开槽对 EFP 形成尾翼的影响 郭 帅,等 度 W =0. 25 cm。 药柱采用 B 炸药铸装,装药密度为 1. 69 g/ cm3。 采用电雷管中心点起爆。 药柱球面半 径为 85 mm,采用铜板和铝板冲压而成。 铝罩开槽 使用铣床加工而成,先将内罩与外罩黏接起来,然后 将钨黏贴在开槽位置。 靶板材料为 45 号钢,靶板厚 度为 30 mm,试验时炸高条件为 40Da。 采用通靶断 开获取信号对 EFP 进行速度测试,通断靶间距为 180 mm。 试验布置图如图 6 所示,药型罩采用试验 装置如图 7 所示。 a试验布置 b试验现场 图 6 试验布置与现场 Fig. 6 Testing arrangement and experimental site 图 7 药型罩结构及 EFP 战斗部 Fig. 7 Structure of shaped charge and EFP warhead 3. 2 试验结果及分析 双层 EFP 侵彻 30 mm 钢靶数值模拟结果与试 验结果对比如图 8 和图 9 所示。 测时仪测得EFP通过两网靶间的时间为104 μs,计算后速度为1730 m/ s,由于测速靶离钢靶很 图 8 数值模拟结果 Fig. 8 Numerical simulation results 图 9 试验结果 Fig. 9 Experimental results 近,可近似作为前级 EFP 侵彻靶板前的着靶速度。 试验时靶板侵彻孔洞直径为 35. 70 mm,模拟时侵彻 孔洞直径为33. 24 mm,忽略试验与模拟时装药、装 配等因素带来的误差,试验与模拟结果之间的误差 为 6. 9%,可以满足工程设计需要。 从图 9 可以看出,串联 EFP 在靶板上侵彻结果 为一个穿孔,孔形与模拟结果相似。 通常 EFP 有效 作用距离可达 1 000Da,但本文炸高仅为 40Da,气动 特性差异对前后 EFP 飞行弹道的影响较小。 同时 计算结果表明串联 EFP 在一定距离后分离,1 140 μs 时,前 EFP 着靶,此时前后 EFP 距离仅为110 mm 左右。 综合这两方面的因素,在经过 2 m 的近距离 飞行后,侵彻结果仅为一个穿孔是合理的。 可以推 测,继续加大飞行距离后,侵彻结果为两个孔的可能 性很大。 由于试验条件有限,未对 EFP 成型过程进行 X 光分析,但从靶板正面的入孔形状来看,与常规无尾 翼 EFP 侵彻孔形为圆形的结果明显不同,在入孔处 存在 4 个尾翼穿靶时留下的痕迹,且基本对称,可以 推测在试验时形成了形态较好的带尾翼串联 EFP。 4 结论 1在双层药型罩的内层药型罩周向对称开槽, 并用密度较大的钨作为填充材料,此新型结构可以 形成带尾翼的串联 EFP。 2当开槽长度 L = 1. 0 cm、开槽宽度 W = 0. 25 cm 时,即 L/ Da=0. 20、W/ Da=0. 05 时,形成的串联 EFP 有良好的头部形状和尾翼,速度和长径比最大, 效果最佳。 3下一步将继续对串联 EFP 形成尾翼进行研 究,尤其是研究药型罩内外罩材料、开槽个数和槽体 中填充材料对串联 EFP 形成尾翼的影响。 参 考 文 献 [1] Liang Zengyou, Lu Xiuguo, Hou Xiucheng. 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Influence of Inner Liner with Grooves of Double-layer Liners on the Formation of EFP with Fins GUO Shuai①,LI Xiaojun②,YU Xiaojie③,CHEN Zhigang①,PEI Sixing①,FU Jianping① ①National Defense Key Laboratory of Underground Damage Technology, North University of China Shanxi Taiyuan,030051 ②Research Institute of Chemical Defense, PLABeijing, 102205 ③The assembly of Beijing Army Generation BureauBeijing, 100042 [ABSTRACT] In order to study the influence of inner liner with grooves in circumferential symmetryon double-layer shaped charge forming explosively formed projectileEFP with fins, the formation process of shaped charge assembled with double-layer liners was simulated by using finite element software LS-DYNA and Lagrange algorithm. Numerical results of grooves in different sizes on inner liner were analyzed, and the optimized result was selected for experimental studies. Simu- lated results are in good agreement with experiments. It is shown that the double-layer liners with grooves on inner liner can form EFP with fins. When L/ Da=0. 2 and W/ Da=0. 05Dais the charge diameter,L is the length of groove, and W is the width of groove, the length-diameter radios of the front and the back EFP are the largest, and the formation of tandem EFP with fins is the best. [KEY WORDS] shaped charge; double-layer liners; explosively formed projectile EFP; fins; numerical simulation 512014 年 12 月 双层药型罩内罩开槽对 EFP 形成尾翼的影响 郭 帅,等