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鋯鉭復(fù)合藥型罩EFP成型及侵徹研究

2019-05-05 08:48沈曉軍王傳婷
兵器裝備工程學(xué)報(bào) 2019年4期
關(guān)鍵詞:藥型罩靶板裝藥

韓 偉,何 勇,沈曉軍,王傳婷

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 南京 210094; 2.北京特種機(jī)電研究所, 北京 100081)

第二次世界大戰(zhàn)以來,隨著制導(dǎo)精度的提高和破甲能力的增強(qiáng),聚能戰(zhàn)斗部已經(jīng)在反裝甲武器上得到了廣泛應(yīng)用[1]。但隨著復(fù)合、復(fù)反應(yīng)裝甲和貧鈾裝甲等技術(shù)的出現(xiàn),各種軍事目標(biāo)的防護(hù)能力不斷加強(qiáng),使得傳統(tǒng)聚能戰(zhàn)斗部迎來了巨大的挑戰(zhàn)。為實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的高效毀傷,近年來人們提出雙層藥型罩、含能藥型罩等各種彈藥設(shè)計(jì)來提高聚能裝藥對新型裝甲的侵徹能力。傳統(tǒng)的聚能裝藥都是單層罩結(jié)構(gòu),利用其形成的射流或EFP(爆炸成型彈丸)進(jìn)行動能侵徹和毀傷。而根據(jù)材料阻抗匹配關(guān)系,設(shè)計(jì)雙層含能藥型罩可以獲得更高的壓垮速度,能量轉(zhuǎn)換與吸收機(jī)制更有效,侵徹性能更強(qiáng)。

Phillips通過對金屬材料的物理屬性和經(jīng)濟(jì)性等方面的考量,認(rèn)為目前可適用于制造藥型罩的金屬有紫銅、鋁、鉭和鋯等[1]; Faibish[2]制備了雙層焊接藥型罩,對小錐角雙層藥型罩射流成型過程進(jìn)行了數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)研究;臧濤成等[3]發(fā)現(xiàn)了雙層藥型罩相比于單層藥型罩的優(yōu)勢,形成的射流侵徹能力更強(qiáng);Weiman K和Blache A為了提高EFP的侵徹能力和飛行穩(wěn)定性,提出了外鐵內(nèi)鉭的雙層藥型罩形成EFP的技術(shù)方案[4]。

綜上所述,國內(nèi)外陸續(xù)開展了多層藥型罩的研究,以求增強(qiáng)聚能裝藥的毀傷效果。利用活性材料代替外層惰性金屬,由其形成的EFP尾部材料隨進(jìn)EFP頭部的開孔,發(fā)生化學(xué)反應(yīng),釋放化學(xué)能,擴(kuò)大毀傷效果[5,6]。本文提出外層為鋯,內(nèi)層為鉭的雙層含能藥型罩設(shè)計(jì)。內(nèi)層鉭形成EFP頭部侵徹靶板,外層鋯隨進(jìn)在靶后放熱產(chǎn)生后效。由于很難對EFP成型和侵徹進(jìn)行理論研究,且為了減少實(shí)驗(yàn)的成本,本文采用AUTODYN軟件模擬EFP成型,研究典型大錐角裝藥結(jié)構(gòu)下不同厚度的鋯/鉭雙層藥型罩形成EFP速度及對靶板侵徹規(guī)律,得到典型大錐角雙層含能藥型罩不同內(nèi)外罩厚度比的成型情況,并進(jìn)行了部分實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,對于鋯/鉭雙層含能藥型罩的研究具有重要的指導(dǎo)意義。

1 理論模型分析

1.1 EFP的成型分析

多年來,學(xué)者們進(jìn)行了大量仿真和實(shí)驗(yàn)研究,但對于EFP成型的理論分析沒有太多進(jìn)展。得出的EFP的成型過程大致為:EFP的成型伴隨著壓垮和翻轉(zhuǎn)。壓垮就是炸藥起爆后,藥型罩受到爆轟波的壓縮發(fā)生壓垮現(xiàn)象,壓垮的程度與炸藥的材料、起爆方式、起爆點(diǎn)的選擇和藥型罩的材料及加工方式等眾多因素有關(guān)。而EFP發(fā)生翻轉(zhuǎn)是因?yàn)椴糠治⒃乃俣葻o法克服材料的屈服強(qiáng)度,無法運(yùn)動到軸線上。按照鄭宇[7]的理論,將大錐角的藥型罩分為如圖1所示的3個(gè)區(qū)域。

1.2 雙層藥型罩EFP壓垮計(jì)算

由PER理論[8]得出射流速度方程:

(1)

其中,V0為壓垮速度,α為藥型罩半錐角,δ為藥型罩微元的極限偏轉(zhuǎn)角,β為壓垮角。

圖1 大錐角藥型罩的變形[7]

藥型罩微元壓垮速度簡化公式[9]:

(2)

其中,B為考慮裝藥、藥型罩結(jié)構(gòu)、爆轟波入射角等多種影響因素的系數(shù),b為雙層藥型罩壁厚,ρ為雙層藥型罩微元平均密度,P為內(nèi)層銅罩壓垮壓力。

炸藥爆轟后,沖擊波運(yùn)動至藥型罩表面時(shí)會發(fā)生透射和反射現(xiàn)象,透射波和反射波的性質(zhì)由相鄰介質(zhì)材料本身決定。爆轟沖擊波從低阻抗(R0)炸藥傳到高阻抗(R2)紫銅界面上時(shí),反射波壓力為Pr2,透射波壓力為Pt2,阻抗失配方程的基本形式為:

(3)

式中,P0為炸藥爆轟初始壓力。

基于復(fù)合材料系統(tǒng)中的阻抗適配原理[9-10],當(dāng)在炸藥和紫銅罩中間加入阻抗為R1(R0

(4)

可以看出,通過配置合適的外層罩材料可以提高雙層藥型罩微元壓垮速度,增大射流速度。

2 數(shù)值模擬

聚能裝藥EFP的形成和侵徹是一個(gè)高壓、大應(yīng)變的過程。非線性動力學(xué)仿真軟件AUTODYN可以很好的解決大變形過程。本文使用AUTODYN軟件模擬EFP的成型與侵徹問題。Euler算法適宜求解大變形和流體流動問題,但是耗費(fèi)大量的求解資源。本文在計(jì)算EFP的形成時(shí),選用Euler算法,而EFP侵徹靶板宜采用Lagrange算法。在仿真過程中,當(dāng)應(yīng)力波或爆轟產(chǎn)物到達(dá)邊界時(shí)會發(fā)生應(yīng)力波固壁反射以及爆轟產(chǎn)物回流,將對仿真結(jié)果產(chǎn)生很大影響,故設(shè)置邊界條件為“Flow-out(All Equal)”,假設(shè)所有的物質(zhì)可以無障礙流出,且應(yīng)力波可以在邊界無反射傳播出去。由于聚能裝藥結(jié)構(gòu)為對稱圓柱體,在仿真中為減少求解時(shí)間,將其簡化為二維軸對稱模型。

2.1 計(jì)算模型

仿真計(jì)算聚能裝藥采用60基準(zhǔn)彈無殼體裝藥結(jié)構(gòu),以140°錐形藥型罩為原型,主裝藥為8701炸藥,中心點(diǎn)起爆,裝藥結(jié)構(gòu)示意圖為圖2,結(jié)構(gòu)參數(shù)值見表1。

圖2 聚能裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

裝藥直徑/mm內(nèi)罩直徑/mm半錐角/(°)內(nèi)罩壁厚/mm內(nèi)罩口部直徑/mm6056703.038.46

藥型罩選用內(nèi)外罩壁厚比為1/3、2/3、3/3三種結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。圖3為雙層藥型罩內(nèi)外罩厚度比為3/3的有限元模型,模型由空氣域、主裝藥、殼體、外罩和內(nèi)罩構(gòu)成。由于EFP的形成和侵蝕過程都是在軸線位置上發(fā)生的,因此為計(jì)算的方便,軸線附近的網(wǎng)格設(shè)置為0.2×0.2,其他網(wǎng)格為0.5×0.5。

圖3 鋯/鉭藥型罩內(nèi)外厚度3/3的二維計(jì)算模型

2.2 材料模型

選取鋯和鉭兩種金屬作為雙層藥型罩材料。鋯的密度比鉭小得多,但材料聲速比鉭略大,聲阻抗介于炸藥和鉭之間,根據(jù)上一節(jié)理論分析可知,這樣的結(jié)構(gòu)有利于增大藥型罩壓垮速度。材料狀態(tài)方程和強(qiáng)度模型如表2所示,其物理參數(shù)如表3所示。表中C為材料聲速;γ0為Gruneisen系數(shù)。

主裝藥選用8701炸藥,計(jì)算采用高能炸藥燃燒材料模型和JWL狀態(tài)方程共同描述炸藥爆轟過程。JWL狀態(tài)方程表達(dá)式為[6]

pu=Fpe(V,E)

(8)

(9)

式中:pu為任意時(shí)刻炸藥微元所釋放的壓力;pe為來自JWL狀態(tài)方程的炸藥爆轟產(chǎn)物壓力;F為炸藥燃燒質(zhì)量分?jǐn)?shù);V為相對體積;E為單位體積內(nèi)的內(nèi)能密度;e為比動能。

表2 各材料狀態(tài)方程及強(qiáng)度模型

表3 藥型罩材料物理參數(shù)

8701炸藥的JLW方程中的主要參數(shù)如表4所示,其C-J參數(shù)如表5所示。表中ρ為實(shí)驗(yàn)制備主裝藥的平均密度;D為爆速;e0為初始比動能。

表4 8701炸藥JWL狀態(tài)方程參數(shù)

表5 8701炸藥C-J參數(shù)

2.3 高斯點(diǎn)設(shè)置

設(shè)置動、靜態(tài)高斯點(diǎn)跟蹤和監(jiān)測材料相關(guān)信息:動態(tài)高斯點(diǎn)附著在罩材料上,可以實(shí)時(shí)顯示罩材料流動的位置,記錄藥型罩壓垮過程中對應(yīng)材料的速度、密度、應(yīng)力等的動態(tài)數(shù)據(jù)。計(jì)算結(jié)束后判讀各個(gè)高斯點(diǎn)的速度、位置等信息,比較內(nèi)外罩不同厚度比情況下EFP的速度狀態(tài)及成型情況。

如圖4所示,在軸線上的藥型罩兩端,共設(shè)置三個(gè)流動高斯點(diǎn),以其瞬時(shí)監(jiān)測EFP從形成到侵徹等一系列過程的速度、密度、壓力等參數(shù),還在Euler區(qū)域的軸線上每隔50 mm設(shè)置一個(gè)固定高斯點(diǎn),以其監(jiān)測沖擊波和EFP經(jīng)過時(shí)速度、密度等信息的變化。

設(shè)置高斯點(diǎn)記錄EFP成型過程中的數(shù)據(jù)信息,計(jì)算結(jié)束后對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理便可分析出任意時(shí)刻EFP成型性能及材料流動情況。

圖4 計(jì)算模型局部高斯點(diǎn)設(shè)置

3 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 鋯鉭雙層藥型罩EFP成型結(jié)果

以內(nèi)外罩厚度比3∶3為例,如圖5所示,炸藥爆轟后約0.02 ms時(shí)藥型罩被壓垮,內(nèi)外罩同時(shí)發(fā)生變形,內(nèi)罩形成EFP頭部。運(yùn)動至0.13 ms時(shí)雙層罩同時(shí)翻轉(zhuǎn),外罩向后流動形成尾部。在大約0.86 ms時(shí)EFP基本完成最終成型。

圖5 鋯鉭雙層藥型罩EFP成型過程

對1/3、2/3、3/3壁厚下鋯/鉭雙層藥型罩結(jié)構(gòu)進(jìn)行EFP成型數(shù)值計(jì)算,EFP飛行至約500 mm(9倍炸高)時(shí)各裝藥結(jié)構(gòu)EFP成型基本完成,此時(shí)的EFP速度最大,如圖6所示。從鋯/鉭藥型罩形成的EFP圖6(a)、(b)、(c)分析對比可以看出,在相同的裝藥及起爆條件下,隨著含能層(鋯層)厚度的增加,EFP的翻轉(zhuǎn)形成彈丸長徑比變小,這將導(dǎo)致其飛行速度衰減快,侵徹能力下降。

圖6 雙層藥型罩EFP成型結(jié)果

3.2 雙層藥型罩EFP侵徹靶板

對1/3、2/3、3/3壁厚下鋯/鉭雙層藥型罩結(jié)構(gòu)進(jìn)行EFP后對半無限45#鋼靶板的侵徹進(jìn)行數(shù)值仿真,在9倍炸高下的侵徹速度最高,侵徹能力最好,對比3種不同內(nèi)外罩厚度比藥型罩形成EFP侵徹45#鋼侵徹結(jié)果如圖7所示。顯然,在同一裝藥結(jié)構(gòu)條件下,相同位置處,隨著外罩厚度的增加,EFP的侵徹深度下降。

圖7 在9倍裝藥口徑炸高處EFP侵徹情況

將1 mmZr/3 mmTa雙層藥型罩、2 mmZr/3 mmTa雙層藥型罩、3 mmZr/3 mmTa雙層藥型罩形成EFP對半無限靶侵徹的3種仿真結(jié)果加以對比分析,見表6,表7和表8。

表6 1 mmZr/3 mmTa藥型罩EFP侵徹仿真結(jié)果

表7 2 mmZr/3 mmTa藥型罩EFP侵徹仿真結(jié)果

表8 3 mmZr/3 mmTa藥型罩EFP侵徹仿真結(jié)果

相同藥型罩厚度下,在6~9倍口徑炸高左右,EFP的速度最大和侵徹能力最強(qiáng);當(dāng)炸高繼續(xù)增大的情況下,EFP的速度和侵徹能力受到的影響越來越小。

鋯/鉭雙層藥型罩在內(nèi)層鉭厚度不變的情況下,隨著外層鋯厚度增加,EFP成型后的速度和穿透靶板的能力都有所下降,但開坑直徑差距不大。

3.3 雙層藥型罩侵徹靶板實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用粉末冶金方法制備的雙層藥型罩,選取仿真結(jié)果較好的1 mmZr/3 mmTa雙層藥型罩與60 mm銅基準(zhǔn)罩,于9倍裝藥口徑炸高下進(jìn)行侵徹45#鋼靶(35 mm)+2A12Al(2 mm)實(shí)驗(yàn),其侵徹及后效毀傷結(jié)果為圖8、圖9。

圖8 1 mmZr/3 mmTa雙層藥型罩侵徹45#鋼實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖9 60 mm銅基準(zhǔn)罩侵徹45#鋼實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖8所示為1 mmZr/3 mmTa雙層藥型罩侵徹結(jié)果,鋼靶正面有明顯的材料破碎后侵徹痕跡,表明EFP的成型后部分破碎;對鋼靶侵徹深度約為32 mm,開坑直徑約為50 mm,與仿真結(jié)果吻合較好;鋼靶靶后崩落使整個(gè)侵徹孔貫通,EFP材料穿過45#鋼靶,在崩落物和部分破碎的EFP共同作用下,對后效鋁靶產(chǎn)生擴(kuò)孔,鋁靶表面有明顯的熏黑,表明藥型罩侵徹后的釋能效果明顯。

圖9為60基準(zhǔn)罩的侵徹結(jié)果,對鋼靶侵徹開坑直徑約為50 mm,侵徹深度34 mm。同樣,對后效鋁靶有開孔,鋁靶表面有黃色痕跡,未見明顯的反應(yīng)效果。

研究后效鋁靶表面殘留物元素成分,分析藥型罩的釋能行為,對表面殘留物進(jìn)行能譜儀(EDS)元素分析,圖10所示。圖10為鋯鉭雙層藥型罩侵徹后鋁靶表面殘留物EDS分析圖,其結(jié)果表明:在鋁靶上殘留物元素主要為鋯、鉭、鐵和氧,氧含量很高,表明侵徹后發(fā)生了氧化反應(yīng),驗(yàn)證了鋯鉭雙層藥型罩釋能特性。圖11為60 mm銅基準(zhǔn)罩侵徹后鋁靶表面殘留物EDS分析圖,其中主要有銅、鐵、鋁三種元素,氧元素含量很低,表明幾乎未發(fā)生氧化反應(yīng),無釋能特性。

1 mmZr/3 mmTa雙層藥型罩和60 mm銅基準(zhǔn)罩在侵徹能力上差距不大,但是1 mmZr/3 mmTa雙層藥型罩具備靶后釋能特性,具有更強(qiáng)的后效毀傷效果。

高效毀傷聚能戰(zhàn)斗部外層罩為鋯,內(nèi)層罩為鉭的雙層含能藥型罩,可實(shí)現(xiàn)延展性優(yōu)秀的內(nèi)層鉭形成EFP頭部侵徹靶板,外層鋯隨進(jìn)發(fā)生反應(yīng)并在靶后迅速放熱產(chǎn)生后效,對靶后目標(biāo)(干草、棉絮、煤油等)進(jìn)行有效引燃。

圖10 1 mmZr/3 mmTa雙層藥型罩后效鋁靶表面殘留物EDS分析結(jié)果

圖11 60 mm Cu基準(zhǔn)罩后效鋁靶表面殘留物EDS分析結(jié)果

4 結(jié)論

1) 基于60基準(zhǔn)罩而設(shè)計(jì)的鋯/鉭雙層含能藥型罩形成EFP的彈丸長徑比較小,速度衰減快。

2) 內(nèi)外罩厚度比一定時(shí),6到9倍口徑炸高處EFP的速度最大和侵徹能力最強(qiáng);當(dāng)炸高繼續(xù)增大的情況下,EFP的速度和侵徹能力有所降低。

3) 相同裝藥和炸高條件下,鋯/鉭雙層藥型罩厚度比越大,形成的EFP速度越來越小,侵徹能力越來越弱,而擴(kuò)孔能力差距不大。

4) 通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比,1 mmZr/3 mmTa雙層藥型罩與60 mm基準(zhǔn)罩侵徹深度和擴(kuò)孔直徑差距不大,但1 mmZr/3 mmTa雙層藥型罩具備很強(qiáng)的后效毀傷能力,在穿透目標(biāo)靶板后,可利用其放熱特性對靶后目標(biāo)(例如,干草、棉絮、煤油等)有效引燃,可為高效聚能戰(zhàn)斗部和含能藥型罩的設(shè)計(jì)和研究提供參考。

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