裝藥爆轟控制結(jié)構(gòu)參數(shù)對雙模毀傷元的影響

樊雪飛, 李偉兵, 王曉鳴, 李文彬, 于 良

(1. 南京理工大學(xué)智能彈藥技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室, 江蘇 南京 210094; 2. 山東特種工業(yè)集團有限公司, 山東 淄博 255201)

1 引 言

雙模戰(zhàn)斗部是指在同一成型裝藥結(jié)構(gòu)下,通過不同的起爆方式而形成的兩種不同的毀傷元,如爆炸成型彈丸(EFP)和聚能桿式侵徹體(JPC)[1]。國內(nèi)外專家學(xué)者進行了大量研究,如David Bender等[2]應(yīng)用DYNA2D軟件模擬改變EFP裝藥結(jié)構(gòu)環(huán)起爆位置獲得不同形狀的侵徹體,蔣建偉[3]等運用AUTODYN軟件模擬研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對多模毀傷元成型及侵徹的影響,李偉兵[4-5]研究了弧錐結(jié)合罩的結(jié)構(gòu)參數(shù)和起爆位置等對多模毀傷元成型的影響,Funston等人[6]在其專利中設(shè)計了一種新型成型裝藥,即K裝藥,通過隔板將點起爆形成的發(fā)散型爆轟波變?yōu)榫哂协h(huán)圈陣面的匯聚爆轟波,從而提高了爆轟載荷[7]。上述研究多側(cè)重于藥型罩結(jié)構(gòu)參數(shù)或者單一參數(shù)對雙模毀傷元的影響規(guī)律,但是針對特定雙模戰(zhàn)斗部的裝藥爆轟控制結(jié)構(gòu)參數(shù)對雙模毀傷元成型的影響以及如何在同一裝藥結(jié)構(gòu)下考慮多個因素的影響見諸報道較少。

本研究應(yīng)用LS-DYNA仿真軟件研究裝藥爆轟控制結(jié)構(gòu)參數(shù)對EFP和JPC毀傷元成型的影響,獲得隔板及裝藥參數(shù)對雙模毀傷元的影響規(guī)律,找出了最佳裝藥爆轟控制結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值范圍,結(jié)合正交設(shè)計方法優(yōu)化選取各結(jié)構(gòu)參數(shù)的最佳組合,并進行了X光試驗驗證。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計及方案選取

2.1 雙模戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于起爆方式對聚能侵徹體的影響主要體現(xiàn)在對主裝藥爆轟波形的控制上以及起爆改變引起的主裝藥爆轟波對藥型罩的不同作用過程,單點起爆主裝藥中爆轟波波陣面呈球面。裝藥中心點起爆要經(jīng)過一段時間才開始對藥型罩作用,藥型罩頂點起爆,則一起爆就開始對藥型罩作用,而且每一時刻爆轟波最大壓力區(qū)不一樣。中心點起爆形成的爆轟波壓力峰值比藥型罩頂點起爆形成的爆轟波壓力峰值來得晚,主要是由于起爆爆轟波需要在主裝藥中傳播一段時間才對藥型罩作用,李偉兵[8]等研究了藥型罩結(jié)構(gòu)參數(shù)對多模毀傷元成型的影響,結(jié)合單點起爆位置對EFP成型的影響規(guī)律,優(yōu)化設(shè)計了成型裝藥。為實現(xiàn)單點起爆形成雙模毀傷元,本文采取裝藥中心點起爆形成JPC毀傷元,藥型罩頂點起爆形成EFP毀傷元,具體裝藥結(jié)構(gòu)如圖1所示,其中裝藥口徑為Dk,涉及到的裝藥爆轟控制結(jié)構(gòu)參數(shù)有隔板直徑Dg,錐角β,厚度d,裝藥高度h,小藥片高度l,殼體厚度s。

圖1雙模毀傷元結(jié)構(gòu)圖

Fig.1Structure of dual mode warhead

2.2 仿真模型及研究方案

本研究采用的仿真模型如圖1所示,由于成型裝藥毀傷元的形成涉及高應(yīng)變率、高過載過程,因此仿真中采用ALE算法來計算涉及網(wǎng)格大變形、材料流動問題的聚能侵徹體形成過程,炸藥、隔板、藥型罩、空氣選用多物質(zhì)流歐拉算法,炸藥、隔板、藥型罩、空氣與殼體的相互作用采用流固耦合算法。其中,藥型罩和殼體材料分別為紫銅和45鋼,本構(gòu)方程選用Johnson-Cook模型,狀態(tài)方程為Grüneisen方程; Johnson-Cook[9]本構(gòu)方程式為:

Grüneisen[9]狀態(tài)方程表達的壓力表達式為:

式中，ρ0為材料初始密度、E為內(nèi)能、ρ為當前時間步對應(yīng)的材料密度、C,S1,S2,S3,γ0,α為材料特性參數(shù)、μ=ρ/ρ0-1。

主裝藥為JH-2炸藥,狀態(tài)方程選為JWL(Jones-Wilkins-Lee)[9]狀態(tài)方程; 其表達式為:

式中，A、B、R1、R2、ω是常數(shù),E是炸藥單位體積中的內(nèi)能。其中R1=4.6,R2=1.35,ω=0.25,其余參數(shù)見表1。

隔板采用酚醛樹脂材料,狀態(tài)方程同樣選用Grüneisen狀態(tài)方程,其中C=0.1933,S1=3.49,S2=-8.2,S3=9.6。裝藥中各材料的具體參數(shù)如表1所示。

表1藥型罩、隔板及炸藥材料參數(shù)

Table1The material parameter of liner, partition and explosive

liner(Cu)A/MPaB/MPaCnmρ/g·cm-389．92920．0250．311．098．96shell(45#Steel)A/MPaB/MPaCnmρ/g·cm-34964340．0140．261．037．83partition(phenolicresin)GSIGYEHPCFSρ/g·cm-32．40．050-9-1．196explosive(JH?2)D/m·s-1pCJ/GPaA/GPaB/GPaGρ/g·cm-3842529．66854．52．05-1．845

模型中裝藥口徑Dk為110 mm、藥型罩口部最大外半徑R為50 mm,外壁曲率半徑r1為110 mm,壁厚t為4 mm; 初步確定模型中各參數(shù)的原始取值為Dg=100 mm,d=4 mm,β=54°,h=125 mm,l=5 mm?？疾靻我蛔兞繉﹄p模毀傷元影響規(guī)律時,保持其余參數(shù)取值不變。其中: 隔板直徑Dg變化范圍為76～104 mm(每次增加4 mm)、隔板厚度d變化范圍為2～16 mm(每次增加2 mm)、隔板半錐角β變化范圍為42°～70°(每次增加2°)、裝藥高度h變化范圍為110～145 mm(每次增加5 mm)、小藥片高度l變化范圍為3～17 mm(每次增加2 mm)。下文進行曲線規(guī)律描述時,為得到通用性的適合不同尺寸裝藥的參數(shù)取值范圍,以裝藥口徑Dk為量化標準,以各參數(shù)與Dk的比值為橫軸,得出各參數(shù)的變化規(guī)律圖。

3 隔板結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響規(guī)律

3.1 隔板直徑的影響

計算隔板直徑各取值下雙模毀傷元的成型指標,得出頭部速度vtip和長徑比L/D變化曲線圖2。由于EFP毀傷元的頭部速度和長徑比隨隔板直徑的增加無明顯變化,JPC毀傷元頭部速度和長徑比則隨之增加,因此選擇JPC毀傷元頭部速度和長徑比較大時的取值作為最佳取值范圍,考慮到隔板直徑過大會影響爆轟波的傳播,因此選取隔板直徑Dg為0.8Dk～0.87Dk。

3.2 隔板厚度的影響

計算隔板厚度各取值下雙模毀傷元的成型指標,得出頭部速度vtip和長徑比L/D變化曲線圖3。由于EFP毀傷元的頭部速度和長徑比隨隔板厚度的增加無明顯變化, JPC毀傷元的頭部速度呈現(xiàn)逐漸增加后趨于平穩(wěn)的趨勢,長徑比則呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。因此,當JPC毀傷元頭部速度趨于穩(wěn)定后,選擇長徑比較大時所對應(yīng)的取值作為最佳取值范圍,選取隔板厚度d為0.08Dk～0.12Dk。

a. changing curves of vtip

b. changing curves of L/D

圖2侵徹體成型參數(shù)隨隔板直徑的變化曲線

Fig.2The change of the forming parameters with the diameter of the partition

a. changing curves of vtip

b. changing curves of L/D

圖3侵徹體成型參數(shù)隨隔板厚度的變化曲線

Fig.3The change of the forming parameters with the thickness of the partition

3.3 隔板錐角的影響

計算隔板半錐角各取值下雙模毀傷元的成型指標,得出頭部速度vtip和長徑比L/D變化曲線圖4。由于EFP毀傷元的頭部速度和長徑比隨隔板半錐角的增加無明顯變化,但JPC毀傷元的頭部速度和長徑比則呈現(xiàn)減小趨勢,因此選擇JPC毀傷元頭部速度和長徑比較大時所對應(yīng)取值作為最佳取值范圍,考慮到隔板半錐角過小會導(dǎo)致隔板體積過大影響裝藥量,故選取隔板半錐角β為52°～60°。

a. changing curves of vtip

b. changing curves of L/D

圖4侵徹體成型參數(shù)隨隔板錐角的變化曲線

Fig.4The change of the forming parameters with the cone angle of the partition

4 裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響規(guī)律

4.1 裝藥高度的影響

計算裝藥高度各取值下雙模毀傷元的成型指標,得出頭部速度vtip和長徑比L/D變化曲線圖5。由于EFP毀傷元頭部速度和長徑比隨裝藥高度增加無明顯變化, JPC毀傷元頭部速度呈遞增趨勢,長徑比則呈緩慢遞減趨勢。因此,為使JPC毀傷元頭部速度和長徑比均能取值較大,選擇曲線中間部分作為取值范圍,選取裝藥高度h為1.1Dk～1.2Dk。

a. changing curves of vtip

b. changing curves of L/D

圖5侵徹體成型參數(shù)隨裝藥高度的變化曲線

Fig.5The change of the forming parameters with the height of the charge

4.2 小藥片高度的影響

計算小藥片高度各取值下雙模毀傷元的成型指標,得出頭部速度vtip和長徑比L/D變化曲線圖6。由于EFP毀傷元頭部速度和長徑比隨小藥片高度的增加無明顯變化, JPC毀傷元頭部速度和頭尾速度差整體呈現(xiàn)緩慢遞減趨勢?？紤]到小藥片高度過大浪費裝藥量,過小則影響裝藥頂點起爆,因此小藥片高度取值不能過大過小且對應(yīng)的JPC毀傷元頭部速度和長徑比盡量取較大值,故選取小藥片高度l為0.06Dk～0.12Dk。

5 裝藥爆轟控制結(jié)構(gòu)參數(shù)正交設(shè)計及試驗驗證

5.1 正交設(shè)計方案

將隔板結(jié)構(gòu)參數(shù)(隔板直徑Dg、隔板厚度d、隔板錐角β),裝藥高度h,小藥片高度l以及殼體厚度s作為正交優(yōu)化的六個參數(shù),每個因素選取5個水平參與正交設(shè)計[10]。各因素及其對應(yīng)的水平見表2。

a. changing curves of vtip

b. changing curves of L/D

圖6侵徹體成型參數(shù)隨小藥片高度的變化曲線

Fig.6The change of the forming parameters with the height of the small charge

表2正交設(shè)計各因素水平表

Table2Factor levels in orthogonal design

levelfactorDg/Dkd/Dkβh/Dks/Dkl/Dk10．80．02501．050．020．0320．840．04521．090．040．0530．870．06541．140．050．0640．910．07561．180．070．0850．950．09581．230．090．10

5.2 計算結(jié)果及分析

正交表的構(gòu)造以及EFP和JPC的成型參數(shù)見表3,由于該結(jié)構(gòu)裝藥為匹配雙模毀傷元成型,故選取同一時刻的EFP與JPC成型參數(shù)進行比較,而此時EFP計算時間較短仍存在一定的頭尾速度差。利用極差分析法[11]對25次仿真計算結(jié)果進行分析,計算各列水平下的極差S,通過極差S的大小可以得到各因素對各個指標影響的主次順序。分析可得殼體厚度和隔板直徑分別是影響EFP和JPC毀傷元頭部速度的最主要因素,對EFP毀傷元頭部速度的影響主次順序為:s、Dg、d、β、h、l; 對JPC毀傷元頭部速度的影響主次順序為:Dg、s、d、β、l、h。按照同樣的極差分析方法,計算各因素對于雙模毀傷元頭尾速度差和長徑比的影響規(guī)律。結(jié)果表明,隔板厚度是影響EFP和JPC毀傷元頭尾速度差的主要因素,對EFP毀傷元頭尾速度差的影響主次順序為:d、h、β、s、l、Dg; 對JPC毀傷元頭尾速度差的影響主次順序為:d、Dg、h、s、l、β; 殼體厚度和隔板直徑分別是是影響EFP和JPC毀傷元長徑比的最主要因素,對EFP毀傷元長徑比影響的主次順序為:s、d、h、Dg、β、l; 而對JPC毀傷元長徑比影響的主次順序為:d、Dg、s、h、l、β。

表3正交表的構(gòu)造(L25)及計算結(jié)果(150 μs)

Table3Orthogonal table and calculated results

projectsABCDEF123456EFPvtip/m·s-1Δv/m·s-1L/DJPCvtip/m·s-1Δv/m·s-1L/D11111112023521．27337910104．0021222222121441．43366310313．8831333332169381．4034098783．2441444442205451．40385211704．0551555552223431．41388111394．4262123452205431．42364111404．3872234512224351．4034546762．7282345122012461．21320511673．6892451232122551．43375912024．26102512342166481．40374612754．76113135242122591．33363311363．98123241352167541．46355811944．37133352412142371．84383512224．54143413522209381．97388112624．47153524131906211．03381713765．87164142532229381．42373310814．02174253142024551．24367811974．68184314252123541．41376711153．96194425312174401．43388411223．93204531422201351．42385214245．22215154322172411．4236619503．87225215432209381．46390511994．12235321542220341．44384913815．18245432152023431．25378314486．02255543212123421．40394013825．24

為了分析每個因素中各個水平對三個評價指標的影響情況,現(xiàn)將各指標隨因素水平變化的情況用圖形表示出來。其中A、B、C、D、E、F分別代表隔板直徑Dg、隔板厚度d、隔板錐角β、裝藥高度h、殼體厚度s以及小藥片高度l共6個不同參數(shù),1、2、3、4、5分別代表各個參數(shù)下對應(yīng)的5個水平,這樣可以清楚的知道各個因數(shù)對每個評價指標的影響規(guī)律,并可以得到不同因數(shù)之間對同一指標的影響差異。

將毀傷元的頭部速度vtip,頭尾速度差Δv,長徑比L/D作為評價指標,根據(jù)相關(guān)資料文獻可知,毀傷元頭部速度越大,對侵徹越有利。針對EFP毀傷元頭尾速度差不能過大,否則容易導(dǎo)致毀傷元因較大的頭尾速度差而發(fā)生斷裂。其次將大長徑比的毀傷元作為評價標準。

分析圖7: 殼體厚度和隔板參數(shù)是影響評價指標最重要的因素,取殼體厚度s為0.09Dk; 隔板參數(shù)中隔板直徑和厚度對三個評價指標影響較大,錐角影響較小,因此選擇隔板直徑Dg為0.91Dk,隔板厚度d為0.07Dk,隔板半錐角β為52°; 裝藥高度和小藥片高度對雙模毀傷元成形影響小于其他結(jié)構(gòu)參數(shù),取裝藥高度h為1.14Dk,小藥片高度l為0.1Dk?？紤]爆轟控制結(jié)構(gòu)參數(shù)對EFP和JPC雙模毀傷元的整體影響,最終確定設(shè)計方案為“A4B4C2D3E5F5”。由于此方案并不在正交設(shè)計表中,因此需要按照優(yōu)化設(shè)計后的方案重新進行計算和仿真,得出200 μs時刻該方案的三個評價指標值以及雙模毀傷元侵徹體的成型情況如表4所示。

a. changing curves of vtip

b. changing curves of Δv

c. changing curves of L/D

圖7雙模毀傷元各指標隨因數(shù)的變化曲線

Fig.7The curve of change in different index for the Dual Mode damage element

表4正交設(shè)計方案下EFP和JPC的成型形態(tài)和成型參數(shù)

Table4The forming shape and forming parameters of EFP and JPC under orthogonal design

simulationresultsformulationpicturevtip/m·s-1Δv/m·s-1L/DEFP(200μs)218881．698JPC(200μs)392811474．970

5.3 試驗驗證

試驗裝置主要包括成型裝藥、目標靶塊、炸高筒、兩個呈45°交匯的X光射線管以及300 kV的脈沖X光機、兩個底片和底片保護盒等。試驗與仿真成型圖如表5所示。

表5仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比

Table5Comparison of the experiment results and simulation ones

typeEFP80μs120μsJPC80μs100μsexperimentresultssimulationresults

毀傷元成型參數(shù)方面,如表6所示,仿真與試驗結(jié)果吻合較好。該設(shè)計方案下,EFP和JPC雙模毀傷元頭部速度均達到最大值,滿足頭部速度大,侵徹能力強的指標; 此外,EFP毀傷元的頭尾速度差較小,滿足頭尾速度差小,防止斷裂的原則; 與此同時雙模毀傷元的長徑比均達到較高值。因此對于雙模毀傷元的成型該方案均可達到較好的成型形態(tài)和成型參數(shù)。

表6不同時刻毀傷元試驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比

Table6Comparison of the experiment data with simulated ones for damage element at different time

typemethodvtip/m·s-1vtail/m·s-1L/mmD/mmEFP(120μs)simulation2222200764．551．1experiment2025195465．054．0JPC(80μs)simulation40542533113．950．4experiment40002500123．1453．36

6 結(jié) 論

(1) 研究發(fā)現(xiàn),JH-2裝藥條件下,裝藥爆轟控制結(jié)構(gòu)參數(shù)對JPC毀傷元的影響大于EFP毀傷元。最終確定裝藥口徑110 mm的成型裝藥最佳爆轟控制結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)取值范圍為: 隔板直徑Dg為0.8Dk～0.87Dk,隔板厚度d為0.08Dk～0.12Dk,隔板半錐角β為52°～60°,裝藥高度h為1.1Dk～1.2Dk,小藥片高度l為0.06Dk～0.12Dk。

(2) 通過正交設(shè)計和極差分析得出此成型裝藥中裝藥爆轟控制結(jié)構(gòu)參數(shù)對于雙模毀傷元影響的主次順序。對于EFP和JPC毀傷元頭部速度影響的主次順序分別為:s、Dg、d、β、h、l和s、h、d、Dg、l、β。對于EFP和JPC毀傷元頭尾速度差影響的主次順序為:d、h、β、s、l、Dg和Dg、s、h、l、β、d。對于EFP和JPC毀傷元長徑比影響的主次順序為:s、d、h、Dg、β、l和s、Dg、d、h、β、l。

(3)該110 mm裝藥口徑的成型裝藥,其形成雙模毀傷元時,裝藥爆轟控制結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)組合為Dg=0.91Dk,d=0.07Dk,β=52°,h=1.14Dk,s=0.09Dk,l=0.1Dk。并進行了X光攝影試驗驗證了雙模毀傷元成型較好

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