馮 煒, 李 恒*, 劉海曉, 趙 江, 焦俊杰

基于夾層裝藥的水下EFP成型影響因素分析

馮 煒1, 李 恒1*, 劉海曉1, 趙 江1, 焦俊杰2

(1. 海軍研究院, 北京, 100073; 2. 南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 江蘇 南京, 210094)

為了研究夾層裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)水下爆炸成型彈丸(EFP)成型過程的影響規(guī)律, 運(yùn)用AUTODYN軟件對(duì)不同夾層裝藥結(jié)構(gòu)的EFP水下成型過程進(jìn)行了數(shù)值仿真與分析, 分析結(jié)果表明: 隨著水介質(zhì)中空氣炸高的增大, 夾層裝藥的成型速度和長(zhǎng)徑比逐漸增大, 隨著外層裝藥頂部寬度的增大, 藥型罩設(shè)置處各高斯點(diǎn)的壓垮速度差減小, 成型速度衰減較緩慢, 在水介質(zhì)的影響下, 其長(zhǎng)徑比越來越小。在水介質(zhì)中采用夾層聚能裝藥可以減少水介質(zhì)對(duì)EFP成型過程的影響, 提高EFP的成型速度，改善成型姿態(tài)。文中工作可為提高EFP水中爆炸威力提供參考。

水下爆炸; 爆炸成型彈丸; 夾層裝藥; 數(shù)值仿真

0 引言

隨著海軍艦艇和潛艇的材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展, 其防護(hù)能力不斷增加, 普通魚雷已難以對(duì)這些目標(biāo)造成重大毀傷。聚能戰(zhàn)斗部因其能量集中、裝藥利用率高的優(yōu)點(diǎn), 在水中兵器領(lǐng)域的應(yīng)用研究越來越深入[1-3]。姜鑫圣[4]、步相東[5]、楊莉[6]和楊世昌[7]等分別從藥型罩類型、結(jié)構(gòu)、形狀和成型方式等方面對(duì)爆炸成型彈丸(explosi- vely formed projectile, EFP)在水中運(yùn)動(dòng)和對(duì)靶板的侵徹性能進(jìn)行了仿真。周方毅等[8]近一步研究了不同藥型罩形成的射流在水中開辟的通道對(duì)后續(xù)彈丸阻力形成的影響。楊莉[9]和曹兵[10]等利用脈沖X光高速攝影技術(shù)獲得了不同結(jié)構(gòu)的EFP在水中的飛行特性。王海福等[11]通過數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)研究了聚能裝藥水下作用行為, 得出聚能裝藥的成型過程及其結(jié)構(gòu)是影響水下作用行為的決定性因素。張先鋒[12]、潘建[13]和李玉品[14]等研究得出夾層裝藥形成的超壓爆轟可大幅提高EFP的成型速度、長(zhǎng)徑比和密實(shí)度, 并進(jìn)一步增強(qiáng)EFP裝藥的侵徹威力。曹鑫等[15]對(duì)不同結(jié)構(gòu)夾層裝藥的EFP結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)及仿真分析, 研究結(jié)果表明, 夾層裝藥結(jié)構(gòu)可增大EFP的成型速度, 改善成型姿態(tài)并提高其長(zhǎng)徑比, 但是對(duì)于水介質(zhì)對(duì)該裝藥結(jié)構(gòu)成型的影響缺乏研究。文中利用AUT- ODYN有限元軟件對(duì)不同夾層裝藥結(jié)構(gòu)的EFP成型過程進(jìn)行分析, 獲得不同夾層裝藥結(jié)構(gòu)EFP水中成型影響規(guī)律, 為夾層裝藥EFP裝藥結(jié)構(gòu)在水中兵器的應(yīng)用設(shè)計(jì)提供理論和技術(shù)支持。

1 模型建立

1.1 裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為對(duì)比不同夾層裝藥結(jié)構(gòu)下水中EFP的成型過程, 使用與文獻(xiàn)[15]相同的夾層裝藥結(jié)構(gòu), 采用球缺型藥型罩, 藥型罩厚度3 mm, 裝藥口徑0=60 mm, 藥型罩口徑=50 mm, 并保持裝藥高度(50 mm)和外層裝藥的口部長(zhǎng)度1=5 mm不變, 內(nèi)層采用低爆速炸藥, 外層采用高爆速炸藥, 依據(jù)外層裝藥頂部寬度的不同來改變夾層裝藥的裝藥結(jié)構(gòu), 并設(shè)置不同的起爆方式研究裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)藥型罩成型過程的影響, 其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 EFP夾層裝藥結(jié)構(gòu)圖

1.2 仿真計(jì)算模型

EFP成型過程是一種多物質(zhì)相互作用的大變形運(yùn)動(dòng)過程, 文中采用非線性動(dòng)力學(xué)仿真軟件AUTODYN-2D中的Euler算法仿真計(jì)算藥型罩的壓垮和成型過程。

藥型罩材料為高導(dǎo)無氧銅(CU-OHFC), 密度為8.96 g/cm3, 采用Shock狀態(tài)方程以及Steinberg- Guinan強(qiáng)度模型; 選用材料庫中HMX-TNT和HMX炸藥作為高爆速炸藥和低爆速炸藥, 其密度為分別為1.776 g/cm3和1.891 g/cm3, 采用JWL狀態(tài)方程。本構(gòu)關(guān)系為High_explosive_burn; 水選用材料庫中Shock狀態(tài)方程, 空氣采用Null本構(gòu)方程和Gruneisen狀態(tài)方程, 避免壓力在邊界面反射, 在整個(gè)空氣計(jì)算域的外表面定義無反射邊界。為了對(duì)比不同夾層裝藥結(jié)構(gòu)水中成型過程, 具體的裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示, 仿真結(jié)構(gòu)如圖2所示。

表1 不同EFP夾層裝藥結(jié)構(gòu)及參數(shù)

圖2 EFP夾層裝藥成型仿真模型

2 仿真結(jié)果及分析

為對(duì)比不同炸高、裝藥結(jié)構(gòu)及起爆方式對(duì)EFP成型的影響, 對(duì)不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真, 70 μs的仿真結(jié)果見表2所示。

由表2可知, 當(dāng)EFP在水中成型時(shí), 由于水介質(zhì)的影響, EFP的速度、長(zhǎng)徑比和成型過程有很大的改變。當(dāng)采用不同的起爆方式(結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2)時(shí), 點(diǎn)起爆的聚能裝藥成型速度小于面起爆的成型速度, 并且在水中不同空氣炸高下面起爆聚能裝藥的成型姿態(tài)優(yōu)于點(diǎn)起爆的成型姿態(tài)。而對(duì)于不同夾層裝藥的外層裝藥頂部寬度不同時(shí)(結(jié)構(gòu)2、結(jié)構(gòu)3和結(jié)構(gòu)4)在空氣中的成型速度大于水中1倍空氣炸高的速度, 小于水中2倍空氣炸高的速度, 同時(shí)EFP在水中的長(zhǎng)徑比明顯小于空氣中的長(zhǎng)徑比, 并隨水中空氣炸高的增大而增大。在所有結(jié)構(gòu)中, 結(jié)構(gòu)2在水中的飛行速度、長(zhǎng)徑比和成型姿態(tài)優(yōu)于其他結(jié)構(gòu), 這與空氣中EFP的成型過程有很大的不同, 在水介質(zhì)的影響下, 改變了EFP的成型過程，為了進(jìn)一步說明水介質(zhì)對(duì)EFP成型過程的影響, 對(duì)結(jié)構(gòu)2藥型罩中不同藥型罩的部位設(shè)置高斯點(diǎn)觀測(cè)其成型速度, 如圖3所示。

表2 不同夾層裝藥結(jié)構(gòu)EFP成型仿真結(jié)果

從圖3可知, 在空氣中, EFP成型過程中受到的阻力較小, 藥型罩設(shè)置的高斯點(diǎn)4、5和6速度衰減比較慢, 導(dǎo)致長(zhǎng)徑比相對(duì)于水中較大。而對(duì)于在水中1倍空氣炸高EFP成型時(shí), 由于炸高相對(duì)較小, 藥型罩設(shè)置的高斯點(diǎn)4、5和6在成型過程中受水的阻力影響較大, 速度衰減較快, 影響了EFP的拉伸過程, 使其長(zhǎng)徑比相對(duì)較小。隨著炸高的增大, EFP的成型時(shí)間變長(zhǎng), 水介質(zhì)對(duì)其成型過程的影響會(huì)減小, 使得水中2倍空氣炸高EFP的長(zhǎng)徑比介于EFP在空氣中成型和水中1倍空氣炸高之間。結(jié)構(gòu)3和結(jié)構(gòu)4由于頭部成型的速度和尾部成型的速度差相對(duì)較小(見圖4), 在水介質(zhì)的影響下不能完全成型, 導(dǎo)致其成型姿態(tài)和長(zhǎng)徑比與空氣中有很大差別。因此, 在設(shè)計(jì)水中EFP 戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)時(shí), 需要考慮水介質(zhì)對(duì)其成型過程的影響, 尤其是頭尾部的成型速度是重點(diǎn)考慮因素。

圖3 夾層裝藥結(jié)構(gòu)2 EFP成型過程高斯點(diǎn)的速度曲線

圖4 夾層裝藥結(jié)構(gòu)3和結(jié)構(gòu)4的EFP在空氣中成型過程中高斯點(diǎn)的速度曲線

3 結(jié)束語

文中針對(duì)不同夾層裝藥結(jié)構(gòu)在空氣和水中不同炸高下的EFP成型過程進(jìn)行了仿真, 結(jié)果表明: 隨著水介質(zhì)中空氣炸高的增大, 夾層裝藥的成型速度和長(zhǎng)徑比增大; 對(duì)于不同的夾層裝藥結(jié)構(gòu), 在水介質(zhì)的影響下, EFP設(shè)置的高斯點(diǎn)速度差減小, 改變其EFP的壓垮和拉伸過程; 在水介質(zhì)中, 采用夾層聚能裝藥結(jié)構(gòu)可以減少水介質(zhì)對(duì)EFP成型過程的影響, 提高EFP成型速度, 改善EFP成型姿態(tài), 可為提高EFP在水中的毀傷威力提供參考。

[1] 王雅君, 李偉兵, 李文彬, 等. 爆炸成型模擬彈丸水中飛行影響因素[J]. 彈道學(xué)報(bào), 2018, 30(1): 88-93.

Wang Ya-jun, Li Wei-bing, Li Wen-bin, et al. Factors Influencing Flight Characteristics of Simulated EFP in Water[J]. Journal of Ballistics, 2018, 30(1): 88-93.

[2] 王雅君, 李偉兵, 王曉鳴, 等. EFP水中飛行特性及侵徹間隔靶的仿真與試驗(yàn)研究[J]. 含能材料, 2017, 25(6): 459-465.

Wang Ya-jun, Li Wei-bing, Wang Xiao-ming, et al. Numerical Simulation and Experimental Study on Flight Characteristics and Penetration against Spaced Targets of EFP in Water[J]. Chinese Journal of Energetic Materials, 2017, 25(6): 459-465.

[3] 張凱奇. 水下EFP及其終點(diǎn)效應(yīng)的研究[D]. 太原: 中北大學(xué), 2020.

[4] 姜鑫圣, 王金相, 李恒, 等. 空氣和水介質(zhì)中EFP形成特性的數(shù)值仿真研究[J]. 兵器裝備工程學(xué)報(bào), 2020, 41 (6): 1-6.

Jiang Xin-sheng, Wang Jin-xiang, Li Heng, et al. Study on Characteristics of EFP Formation in Air and Water Me- dium by Numerical Simulation[J]. Journal of Ordnance Equipment Engineering, 2020, 41(6): 1-6.

[5] 步相東, 王團(tuán)盟. 魚雷聚能戰(zhàn)斗部自鍛彈丸水中運(yùn)動(dòng)特性仿真研究[J]. 魚雷技術(shù), 2006, 14(3): 44-47.

Bu Xiang-dong, Wang Tuan-meng. Simulation Study on Kinematic Characteristic of Explosively Formed Projectile(EFP) in the Water for Torpedo Shaped Charge Warhead[J]. Torpedo Technology, 2006, 14(3): 44-47.

[6] 楊莉, 張慶明, 汪玉, 等. 反艦聚能戰(zhàn)斗部裝藥結(jié)構(gòu)研究[J]. 兵工學(xué)報(bào), 2009(S2): 154-159.

Yang Li, Zhang Qing-ming, Wang Yu, et al. Research on Shaped Charge Warhead of Anti-ship Missile[J]. Acta ArmamentarII, 2009(S2):154-159.

[7] 楊世昌. EFP侵徹水介質(zhì)靶板機(jī)理仿真研究[D]. 南京: 南京理工大學(xué), 2009.

[8] 周方毅, 王偉力, 姜濤, 等. 變錐角聚能裝藥水中爆炸數(shù)值模擬研究[J]. 爆破, 2012, 29(4): 99-103.

Zhou Fang-yi, Wang Wei-li, Jiang Tao, et al. Simulation Study on Metamorphic Tapered Angle Shaped Charge under Underwater Explosion[J]. Blasting, 2012, 29(4): 99-103.

[9] 楊莉, 張慶明, 巨圓圓. 爆炸成型彈丸對(duì)含水復(fù)合裝甲侵徹的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 29(3): 197-200.

Yang Li, Zhang Qing-ming, Ju Yuan-yuan. Experimental Study on the Penetration of Explosively Formed Projectile Against Water-Partitioned Armor[J]. Transactions of Bei- jing Institute of Technology, 2009, 29(3): 197-200.

[10] 曹兵. EFP戰(zhàn)斗部水下作用特性研究[J]. 火工品, 2007 (3): 1-5.

Cao Bing. Study on the Performance of EFP Warhead Operating Underwater[J]. Initiators & Pyrotechnics, 2007(3): 1-5.

[11] 王海福, 江增榮, 李向榮. 藥型罩參數(shù)對(duì)聚能裝藥水下作用效應(yīng)的影響[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 26(5): 405-409.

Wang Hai-fu, Jiang Zeng-rong, Li Xiang-rong. Influences of Liner Parameters on the Effects of Shaped Charge Operating Underwater[J]. Transactions of Beijing Institute of Technology, 2006, 26(5): 405-409.

[12] 張先鋒, 丁建寶, 趙曉寧. 夾層聚能裝藥作用過程的數(shù)值模擬[J]. 爆炸與沖擊, 2009, 29(6): 617-624.

Zhang Xian-feng, Ding Jian-bao, Zhao Xiao-ning. Num- erical Simulation of Double Layer Shaped Charge[J]. 2009, 29(6): 617-624.

[13] 潘建, 張建軍, 侯云輝, 等. 帶隔板裝藥EFP成型數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究[J]. 振動(dòng)與沖擊, 2019, 38(18): 89-94.

Pan Jian, Zhang Jian-jun, Hou Yun-hui, et al. Numerical Simulation and Experimental Study on the EFP Forming Process with Wave-shaper[J]. Journal of Vibration and Shock, 2019, 38(18): 89-94.

[14] 李玉品, 周春桂, 王志軍, 等. 夾層聚能裝藥EFP成型及侵徹?cái)?shù)值模擬[J]. 兵器裝備兵工學(xué)報(bào), 2019, 40(3): 57-60.

Li Yu-pin, Zhou Chun-gui, Wang Zhi-jun, et al. Numerical Simulation of Molding and Penetration of Interlayer Shaped Charge EFP[J]. Journal of Sichuan Ordnance, 2019, 40(3): 57-60.

[15] 曹鑫, 崔東華, 馮煒, 等. 基于夾層裝藥的EFP結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真分析[J]. 兵器裝備工程學(xué)報(bào), 2022, 43(3): 145-149.

Cao Xin, Cui Dong-hua, Feng Wei, et al. Design and Simulation Analysis of EFP Structure Based on Sandwich Charge[J]. Journal of Ordnance Equipment Engineering, 2022, 43(3): 145-149.

Analysis of Influencing Factors of Underwater EFP Forming Based on Sandwich Charge

FENG Wei1, LI Heng1*, LIU Hai-xiao1, ZHAO Jiang1, JIAO Jun-jie2

(1. Naval Equipment Research Institute, Beijing 100073, China; 2. School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

To study the influence of a sandwich charge structure on the underwater explosively formed projectile(EFP) forming process, a numerical simulation and analysis of an underwater EFP forming process of different sandwich charge structures were conducted using AUTODYN. With an increase in the air blast height in water, the forming speed and aspect ratio of the composite charge increased, and with an increase in the top width of the outer charge, the crushing speed difference at each Gaussian point of the charge hood decreased and the forming speed dropped gradually. Under the influence of water, the aspect ratio became increasingly smaller. A sandwich charge in water can reduce the influence of water on the EFP forming process and improve the EFP forming speed and posture. This study provides guidance for improving the power of EFPs in water.

underwater explosion; explosively formed projectile; sandwich charge; numerical simulation

馮煒, 李恒, 劉海曉, 等. 基于夾層裝藥的水下EFP成型影響因素分析[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2022, 30(3): 338-341.

TJ630; TJ410.3; O385

A

2096-3920(2022)03-0338-04

10.11993/j.issn.2096-3920.2022.03.009

2022-02-28;

2022-05-05.

馮 煒(1988-), 男, 博士, 助理研究員, 主要研究方向?yàn)槲淦飨到y(tǒng)與運(yùn)用工程.

通信作者簡(jiǎn)介:李 恒(1982-), 男, 博士, 副研究員, 主要研究方向?yàn)槲淦飨到y(tǒng)與運(yùn)用工程.

(責(zé)任編輯: 楊力軍)