王維占，馮順山，李小軍，陳智剛，易榮成，趙太勇，付建平

(1.中北大學(xué)地下目標(biāo)毀傷技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3.軍事科學(xué)研究院防化研究院，北京 102205；4.重慶長(zhǎng)安工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，重慶 401120)

引 言

隨著現(xiàn)代目標(biāo)防護(hù)工程技術(shù)的發(fā)展，對(duì)攻堅(jiān)技術(shù)的要求越來(lái)越高，提高串聯(lián)戰(zhàn)斗部前級(jí)侵深威力性能，是目前串聯(lián)攻堅(jiān)戰(zhàn)斗部的發(fā)展趨勢(shì)之一。桿式射流作為攻堅(jiān)武器常用毀傷元之一，在對(duì)付鋼筋混凝土等硬目標(biāo)方面具有重要作用。針對(duì)桿式射流侵深威力問(wèn)題，國(guó)內(nèi)學(xué)者已做了相關(guān)研究。付恒等[1]對(duì)等壁厚球缺型藥型罩優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到在一定侵徹深度條件下,開(kāi)孔能力最佳的等壁厚球缺型藥型罩結(jié)構(gòu)參數(shù)的最佳組合；張鈞等[2]進(jìn)行了變壁厚球缺型藥型罩桿式射流的形成與侵徹性能研究，結(jié)果表明頂厚邊薄的球缺型藥型罩侵徹威力最佳；王維占等[3]研究了周向約束對(duì)桿式射流成型的影響，闡述了合理匹配殼體材料和襯套高度及壁厚可有效提高射流的侵徹威力；沈慧銘等[4]對(duì)變壁厚雙層錐型罩形成射流過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)雙層藥型罩內(nèi)外罩壁厚比呈線性關(guān)系配比時(shí)較單層錐型罩可明顯提高穿深威力。

目前，攻堅(jiān)戰(zhàn)斗部仍面臨著侵深、擴(kuò)孔不足等問(wèn)題，在保證擴(kuò)孔能力的同時(shí)由于戰(zhàn)斗部前級(jí)對(duì)目標(biāo)侵徹能力有限，造成后級(jí)隨進(jìn)子彈藥達(dá)不到貫穿隨進(jìn)性能，進(jìn)而戰(zhàn)斗部威力性能達(dá)不到指標(biāo)要求。為了提高戰(zhàn)斗部對(duì)目標(biāo)的穿孔深度同時(shí)兼顧擴(kuò)孔能力，本研究設(shè)計(jì)了3種不同結(jié)構(gòu)的局部變壁厚球缺型藥型罩，通過(guò)LS-DYNA 軟件對(duì)3種球缺型藥型罩桿式射流的形成過(guò)程進(jìn)行三維數(shù)值模擬，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，為串聯(lián)戰(zhàn)斗部前級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論參考。

1 球缺型藥型罩結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

球缺型藥型罩作為桿式射流的有效質(zhì)量形成體，由于其母線長(zhǎng)度優(yōu)勢(shì)較傳統(tǒng)單錐型藥型罩更能保證射流的有效質(zhì)量和射流速度而被廣泛采用。但球缺型藥型罩在形成桿式射流時(shí)，尾部杵體消極質(zhì)量過(guò)大，設(shè)計(jì)不當(dāng)還會(huì)有蹦落環(huán)產(chǎn)生，大大降低了射流的有效破甲質(zhì)量和動(dòng)能。本研究對(duì)兩種不同壁厚球缺型藥型罩桿式射流成型過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，不同時(shí)刻桿式射流速度云圖如圖1和圖2所示。

從圖1可看出，球缺型藥型罩形成桿式射流過(guò)程中，藥型罩變形伴隨著藥型罩中心邊緣壓垮變形與藥型罩口邊緣翻轉(zhuǎn)變形兩種形式。藥型罩邊緣翻轉(zhuǎn)部分質(zhì)量較大，大多形成蹦落環(huán)，如圖1(c)所示，蹦落環(huán)速度較低，為375m/s，遠(yuǎn)小于臨界破甲速度，對(duì)射流整體速度影響較大，不利于侵徹與隨進(jìn)擴(kuò)孔；射流成型之后，若產(chǎn)生密實(shí)性較好的尾部，通常會(huì)有較大質(zhì)量低速杵體產(chǎn)生，如圖2(c)中所示，尾部杵體速度較低，僅為505m/s，不利于提高桿式射流有效破甲質(zhì)量，從而影響桿式射流的穿孔威力。

為了減小藥型罩消極質(zhì)量對(duì)桿式射流威力性能的影響，本研究設(shè)計(jì)了3種罩口部位局部變壁厚球缺型藥型罩，其設(shè)計(jì)原理是在外罩壁端口截取合適長(zhǎng)度母線替換為凸弧、平弧(直線)、凹弧3種形式，保證裝藥量增加的同時(shí)，減小球缺型藥型罩的消極質(zhì)量，3種結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型與算法

為節(jié)約計(jì)算時(shí)間，采用四分之一結(jié)構(gòu)建立三維有限元模型，并設(shè)置對(duì)稱約束條件于模型的對(duì)稱面上。計(jì)算網(wǎng)格均采用Solid164八節(jié)點(diǎn)六面體單元，炸藥、藥型罩、空氣采用ALE算法，戰(zhàn)斗部殼體采用Lagrange算法，它們之間的接觸作用采用流固耦合算法。在模型的邊界節(jié)點(diǎn)上施加壓力流出邊界條件，避免壓力在邊界上的反射[5-7]。

通過(guò)LS-DYNA 軟件對(duì)桿式射流的成型過(guò)程進(jìn)行三維數(shù)值模擬。4種裝藥結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見(jiàn)圖4，其中殼體壁厚t=2mm，裝藥直徑D=50mm,裝藥高度H=60mm。表1 為藥型罩結(jié)構(gòu)主要參數(shù)。

表1 藥型罩結(jié)構(gòu)主要參數(shù)

注：R3為正數(shù)代表凸弧，為負(fù)數(shù)代表凹弧，為∞時(shí)代表平弧。

2.2 材料模型

藥型罩材料采用紫銅。靶板和裝藥外殼均為45#鋼。所有金屬材料模型都采用JOHNSON-COOK材料模型和GRUNEISEN狀態(tài)方程。主裝藥為B炸藥，選用HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型和JWL狀態(tài)方程來(lái)描述?？諝獠捎每瘴镔|(zhì)材料(NULL)描述，對(duì)應(yīng)的狀態(tài)方程為多線性狀態(tài)方程。裝藥起爆方式采用中心點(diǎn)起爆[8]。其他材料參數(shù)見(jiàn)表2和表3。

表2 金屬材料參數(shù)

表3 B炸藥參數(shù)

3 結(jié)果及分析

3.1 局部變壁厚結(jié)構(gòu)對(duì)桿式射流威力性能的影響

在保持其他條件不變的條件下，改變半弧的形狀進(jìn)行數(shù)值模擬。表4為兩倍炸高條件下各桿式射流形態(tài)參數(shù)，圖5為射流速度云圖及靶板破壞圖。

Cartridge typev/(m·s-1)D/mmm/gE/MJH/mmR/mmHeadTailHeadTailEqual wall thickness30117915.7130.0043.970.10287.4215.52Convex arc31119366.2415.2844.390.16194.8215.90Flat arc318610696.5215.4644.530.16597.0016.64Concave arc383811596.2516.6644.670.182104.2316.38

注：v為射流頭尾部速度；D為射流直徑；m為1/4裝藥質(zhì)量；E為1/4射流動(dòng)能；H為破甲深度；R為開(kāi)孔孔徑。

由圖5及表4可知，桿式射流的動(dòng)能、整體速度隨著藥型罩邊緣局部半弧的變化而改變。采用罩口凹弧結(jié)構(gòu)時(shí)，桿式射流破甲深度最大，開(kāi)孔孔徑相對(duì)較大。采用罩口平弧結(jié)構(gòu)時(shí)，桿式射流破甲深度相對(duì)較大，開(kāi)孔孔徑最大。其中，凹弧結(jié)構(gòu)桿式射流頭部速度達(dá)3838m/s，但射流頭部直徑較小，尾部直徑較大，射流頭部所占質(zhì)量比相對(duì)較小，相對(duì)于平、凸弧結(jié)構(gòu)藥型罩穿孔深度提高并不明顯，且凹弧結(jié)構(gòu)桿式射流形態(tài)出現(xiàn)徑縮現(xiàn)象，在大炸高條件下威力性能相對(duì)不穩(wěn)定。

結(jié)合上述分析，采用罩口邊緣局部變壁厚球缺型藥型罩結(jié)構(gòu)作為戰(zhàn)斗部毀傷元，與次口徑聚能裝藥結(jié)構(gòu)有類似的特點(diǎn)，可等效為在全口徑聚能裝藥周向附加一定質(zhì)量的周向裝藥量。當(dāng)采用凸弧、平弧、凹弧結(jié)構(gòu)時(shí)，藥型罩端口外壁位置質(zhì)量依次減小。同時(shí)藥型罩端口外壁位置炸藥裝藥質(zhì)量依次遞增。藥型罩端口位置裝藥質(zhì)量的增加與藥型罩形成射流非有效質(zhì)量的減小，使射流頭部速度、動(dòng)能增大，穿孔深度也隨之增大。

3.2 局部變壁厚桿式射流成型過(guò)程分析

圖6為不同時(shí)刻4種球缺型藥型罩形成的桿式射流形態(tài)。

由圖6可看出，在20μs時(shí)刻，等壁厚、凸弧、平弧、凹弧4種結(jié)構(gòu)的桿式射流長(zhǎng)徑比越來(lái)越大，周向質(zhì)量沿徑向向軸線中心方向運(yùn)動(dòng)集中，相對(duì)于等壁厚球缺型藥型罩結(jié)構(gòu)，3種局部變壁厚球缺型藥型罩結(jié)構(gòu)均避免了蹦落環(huán)(非有效破甲質(zhì)量)的產(chǎn)生，其原因是球缺型藥型罩在被壓垮過(guò)程中，罩口邊緣局部變薄，罩口邊緣炸藥相對(duì)增加，罩口邊緣微元徑向和軸向壓垮速度相對(duì)增加，向中心軸線方向匯聚，沿軸線方向速度增加，不僅避免了翻轉(zhuǎn)形成的低速蹦落環(huán)產(chǎn)生，而且有效利用了罩口部微元質(zhì)量，提高了桿式射流尾部速度。隨著藥型罩口部周向炸藥質(zhì)量的增加，桿式射流尾部速度越大，有利于桿式射流破甲質(zhì)量的提高。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述研究規(guī)律，對(duì)等壁厚球缺型藥型罩、罩口邊緣平弧球缺型藥型罩進(jìn)行試驗(yàn)研究，靶板采用直徑180mm、高100mm的45#鋼錠，藥型罩材料選用紫銅，采用先沖壓后車制的加工方法。裝藥采用8701炸藥壓制而成，裝藥直徑為50mm，裝藥高度60mm，起爆方式均為中心點(diǎn)起爆[9]，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。圖7和圖8分別為等壁厚與平弧結(jié)構(gòu)藥型罩侵徹后回收的鋼錠式樣。

表5 兩種不同結(jié)構(gòu)藥型罩破甲試驗(yàn)結(jié)果

注：h為炸高；d為入孔孔徑；b出孔孔徑；l為侵徹深度

由表5可以看出，等壁厚球缺型藥型罩侵徹靶板入口孔徑為26mm，低于局部平弧球缺型藥型罩開(kāi)孔能力，但從圖7(a)中可看出，其入孔孔徑呈漏斗狀逐漸減小，與圖5(a)中等壁厚藥型罩鋼錠侵徹孔徑形貌一致，通孔孔徑并不理想。其對(duì)45#鋼侵徹深度為84mm，相對(duì)較低，靶板背面有明顯鼓包現(xiàn)象，是因?yàn)樯淞魑膊胯企w速度低于臨界破甲速度，在孔內(nèi)堆積，未能貫穿靶板；由圖8(a)可看出，局部平弧球缺型藥型罩對(duì)45#鋼侵徹入孔孔徑為27mm，入孔孔徑軸向變化較小，出孔孔徑為17mm，平均孔徑為21mm，與圖5(c)中等壁厚藥型罩鋼錠侵徹孔徑形貌相符，其侵深與開(kāi)孔能力較佳。以上試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果具有較好的一致性。

5 結(jié) 論

(1)經(jīng)分析影響射流穿孔深度因素，提出了通過(guò)減小射流非有效破甲質(zhì)量來(lái)提高射流穿孔深度的優(yōu)化方法。

(2)數(shù)值模擬結(jié)果表明，與等壁厚球缺型藥型罩相比，局部變壁厚凸弧、平弧、凹弧球缺型藥型罩穿孔深度依次提高，與理論分析結(jié)果具有較好的一致性。

(3)試驗(yàn)結(jié)果表明，與等壁厚球缺型藥型罩相比，局部平弧球缺型藥型罩在保持開(kāi)孔能力不變的基礎(chǔ)上，穿孔深度明顯提高，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可靠性。