中心帶孔等壁厚雙層球缺罩EFP成型數(shù)值模擬
2022-10-14 03:05:20侯一方周春桂王志軍尹建平孔繁家張肖江
兵器裝備工程學(xué)報 2022年9期
侯一方，周春桂，王志軍，尹建平，孔繁家，張肖江
(中北大學(xué) 機電工程學(xué)院， 太原 030051)
1 引言
現(xiàn)在戰(zhàn)爭中爆炸成型彈丸(EFP)應(yīng)用廣泛。但是單個EFP在面對一些新型防御設(shè)施時也顯得力不從心。為了有效解決這一難題，多層串聯(lián)EFP戰(zhàn)斗部技術(shù)得到了廣泛研究。
門建兵等采用數(shù)值仿真與試驗相結(jié)合的方法，對雙層EFP成型及侵徹問題進行了探究，試驗采用脈沖X光拍攝到了EFP成型的過程，并研究了雙層藥型罩所形成的串聯(lián)EFP對鋼靶板的侵徹能力。鄭宇等研究了藥型罩不同材料對同軸EFP成型的影響，并對雙層EFP的分離進行了探究。賀晶等開展了雙層罩厚度匹配對成型特性影響的數(shù)值模擬，對其主要影響因素進行了對比分析。李惠明等開展了內(nèi)外層材料匹配對雙層EFP侵徹特性影響規(guī)律研究。龍源等采用數(shù)值模擬和實驗相結(jié)合的方法，獲得了曲率半徑對雙層藥型罩EFP戰(zhàn)斗部成型及侵徹特性的影響規(guī)律。伊建亞等對復(fù)合雙藥型罩結(jié)構(gòu)所形成的射流對爆炸反應(yīng)裝甲侵徹及后效進行了研究，并且針對K裝藥，研究了不同材料藥型罩對其裝藥性能影響，并對所提出的新型復(fù)合藥型罩的射流成型情況進行了數(shù)值仿真。王哲等針對其典型裝藥結(jié)構(gòu)，得出了雙層藥型罩所形成的EFP的速度計算模型。尹建平等指出：由中心開孔的等壁厚襯板形成的EFP不僅具有良好的徑向收縮性能，而且具有良好的氣動構(gòu)型，金屬損失較小。韓峰等對中心孔藥型罩射流成型進行了數(shù)值模擬，得到了藥型罩中心孔徑、罩頂藥高及中心護管材料等不同因素對中心孔藥型罩射流成型的影響規(guī)律。賈子健等進行了中心帶孔雙層藥型罩射流成型數(shù)值模擬，得出：在一定范圍內(nèi)雙層藥型罩開孔可提高射流速度，使得侵徹深度和孔徑達到最佳。
目前，對于裝藥量不變,僅在藥型罩上開孔的雙層球缺藥型罩的研究較少。本文在球缺罩壓垮理論基礎(chǔ)上，首先設(shè)計一種等壁厚雙層球缺罩戰(zhàn)斗部，其前后2層球缺罩中心帶有圓孔，并運用Autodyn仿真軟件，通過數(shù)值模擬的方式得出其開孔大小對EFP成型的影響；其次設(shè)計正交優(yōu)化表，通過正交優(yōu)化法得出一組較優(yōu)參數(shù)；最后再與藥型罩中心不帶孔裝藥結(jié)構(gòu)進行對比分析。
2 仿真模型
2.1 模型參數(shù)
本文所采用的戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)示意圖如圖1，其中為裝藥高度，為裝藥直徑且=100 mm，為殼體厚度，為兩藥型罩曲率半徑，前后兩藥型罩均為等壁厚藥型罩，第1層罩為遠離炸藥的鉭藥型罩，第2層罩為靠近炸藥的銅藥型罩且厚度均為，為第2層罩開孔直徑，為第2罩開孔直徑。
圖1 戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of warhead
仿真模型利用Autodyn仿真軟件建立，對所有物質(zhì)使用二維歐拉網(wǎng)格建模，并在空氣邊緣設(shè)置邊界條件Flow_Out，此邊界條件可以起到模擬無限空氣域的作用，以點起爆方式引爆炸藥，起爆點為底部中心點，(以>為例)建立有限元仿真模型，如圖2所示。
圖2 有限元模型示意圖Fig.2 Finite element model
2.2 材料模型參數(shù)
有限元仿真模型由聚能裝藥、殼體、空氣域和雙層藥型罩組成，其材料選取均基于Autodyn自帶的材料庫。選取Steel_1006作為戰(zhàn)斗部殼體材料,采用Shock狀態(tài)方程和Johnson_Cook強度模型來描述戰(zhàn)斗部殼體的變形情況。炸藥選用B炸藥，選用JWL狀態(tài)方程來描述其復(fù)雜的爆轟過程，其狀態(tài)方程參數(shù)見表1。前后兩層藥型罩均采用Shock狀態(tài)方程，殼體及藥型罩材料具體模型參數(shù)見表2。
表1 B炸藥JWL方程主要參數(shù)Table 1 Main parameters of JWL equation for B explosive
表2 材料模型參數(shù)Table 2 Material model parameters
3 藥型罩不同開孔尺寸數(shù)值模擬結(jié)果分析
分別建立=、<、>等3種裝藥結(jié)構(gòu)數(shù)值仿真模型，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。
表3 不同開孔尺寸裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 3 Structural parameters of charge with different hole sizes
3.1 前后罩開孔尺寸相同時
在聚能裝藥起爆后，大約6 μs后爆轟波開始作用于銅罩，銅罩在爆轟波壓力下先發(fā)生變形，在32 μs時前后藥型罩所受爆轟波壓力基本平均，并逐漸開始向后翻轉(zhuǎn)，由于藥型罩中心開孔，開孔處泄出速度會與藥型罩變形速度形成速度差，此時銅罩與鉭罩會有少量的崩出，此后藥型罩進入拉伸階段，在260 μs時銅罩在爆轟波徑向壓力作用下中心孔閉合，但鉭罩在成型后未能發(fā)生閉合。方案1為不同時間藥型罩上壓力分布情況，如圖3所示，方案1為不同時間所形成的EFP，如圖4所示。
圖3 方案1不同時間藥型罩上壓力分布情況示意圖Fig.3 Scheme 1 pressure distribution on liner at different times
圖4 方案1不同時間所形成的EFP示意圖Fig.4 Scheme 1 EFP formed at different times
3.2 前后罩開孔尺寸C1在聚能裝藥起爆后，大約8 μs后爆轟波開始作用于銅罩，銅罩在爆轟波作用下先發(fā)生變形，大約30 μs時前后藥型罩所受爆轟波壓力基本平均，并向后發(fā)生翻轉(zhuǎn)，由于<，開孔處銅泄出量相比=時較大，在進入拉伸階段時，銅罩與鉭罩均能閉合，但EFP彈體中后部徑向收縮性較差。方案2為不同時間藥型罩上壓力分布情況，如圖5所示，方案2為不同時間所形成的EFP，如圖6所示。
圖5 方案2不同時間藥型罩上壓力分布情況示意圖Fig.5 Scheme 2 pressure distribution on liner at different times
圖6 方案2不同時間所形成的EFP示意圖Fig.6 Scheme 2 EFP formed at different times
3.3 前后罩開孔尺寸C1>C2時
在聚能裝藥起爆后，初期爆轟波傳播過程與方案1、方案2類似，不同的是，由于>，開孔處雖有銅隨炸藥向前崩落，但蹦出量極少，并且在120 μs時銅罩中心孔已經(jīng)閉合，180 μs時鉭罩中心孔閉合，并且在之后的拉伸中可以看出，EFP徑向收縮性好，材料利用率較高,可以明顯看出所形成EFP的頭部直徑較小。方案3為不同時間藥型罩上壓力分布情況，如圖7所示，方案3不同時間所形成的EFP，如圖8所示。
圖7 方案3不同時間藥型罩上壓力分布情況示意圖Fig.7 Scheme 3 Pressure distribution on liner at different times
圖8 方案3不同時間所形成的EFP示意圖Fig.8 Scheme 3 EFP formed at different times
3.4 總體分析
中心開孔會使一部分炸藥從孔中泄出，使得開孔處速度明顯高于藥型罩其余部分，從而增加了藥型罩頭部成型時的軸向速度，此時EFP的頭部與尾部出現(xiàn)速度差，使得EFP更好地軸向拉伸，從而得到更好的長徑比，同時頭部直徑較小，總體而言，中心開孔對藥型罩EFP成型長徑比影響較大。
4 裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計
4.1 優(yōu)化設(shè)計因素，水平和評定指標
分別選用長徑比()，藥型罩曲率半徑()，殼體厚度()，兩層藥型罩總厚度()，和作為正交優(yōu)化因素，將仿真計算得到的長徑比作為評定指標，各因素以及對應(yīng)的水平如表4所示。
表4 正交設(shè)計各因素取值Table 4 Table of factors in orthogonal design
4.2 正交優(yōu)化仿真結(jié)果
采用25(5)正交表來安排仿真方案，共計25組，結(jié)果如表5所示。
表5 正交優(yōu)化仿真計算方案Table 5 Orthogonal optimization simulation calculation scheme
4.3 極差分析
分析表5數(shù)據(jù)，得出EFP極差分析結(jié)果(見表6)。
表6 EFP極差分析結(jié)果Table 6 EFP range analysis results
從表6可排列出各因素對EFP長徑比的影響主次順序，其結(jié)果顯示，對所形成EFP的長徑比，其影響從大到小依次為球缺罩曲率半徑、殼體厚、裝藥長徑比、藥型罩總厚度、、。
綜上分析，裝藥長徑比為1，藥型罩曲率半徑為160 mm，殼體厚1 mm，藥型罩總厚7 mm，=6 mm，=4 mm為最優(yōu)裝藥參數(shù)。
4.4 優(yōu)化方案仿真計算
本文將其與相同裝藥結(jié)構(gòu)但中心不開孔藥型罩所形成的EFP長徑比進行了對比，對300 μs時成型情況進行分析，分析結(jié)果如圖9所示，當中心開孔時，其形成的EFP長徑比為3.0，且形成的EFP其頭部相對細長；中心不開孔時，其形成的EFP長徑比為2.4。相比之下，長徑比提升了25%，綜合分析成型情況將有利于提高戰(zhàn)斗部的侵徹能力。
圖9 300時EFP成型情況示意圖Fig.9 Comparison of EFP Forming at 300 μs
5 結(jié)論
1) 對于中心帶孔的等壁厚雙層球缺罩，其EFP的成型情況與其兩罩中心孔徑大小有關(guān)。當>時，發(fā)現(xiàn)EFP有較優(yōu)的長徑比，且材料利用率較高。
2) 通過正交優(yōu)化分析得出諸因素對EFP長徑比影響的主次順序為>>>>>。
3) 通過極差分析得到的最優(yōu)方案，相比相同結(jié)構(gòu)參數(shù)中心不開孔藥型罩，在300 μs長徑比提高25%，同時形成的EFP具有較細長的頭部。
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圖5 方案2不同時間藥型罩上壓力分布情況示意圖Fig.5 Scheme 2 pressure distribution on liner at different times
圖6 方案2不同時間所形成的EFP示意圖Fig.6 Scheme 2 EFP formed at different times
3.3 前后罩開孔尺寸C1>C2時
在聚能裝藥起爆后，初期爆轟波傳播過程與方案1、方案2類似，不同的是，由于>，開孔處雖有銅隨炸藥向前崩落，但蹦出量極少，并且在120 μs時銅罩中心孔已經(jīng)閉合，180 μs時鉭罩中心孔閉合，并且在之后的拉伸中可以看出，EFP徑向收縮性好，材料利用率較高,可以明顯看出所形成EFP的頭部直徑較小。方案3為不同時間藥型罩上壓力分布情況，如圖7所示，方案3不同時間所形成的EFP，如圖8所示。
圖7 方案3不同時間藥型罩上壓力分布情況示意圖Fig.7 Scheme 3 Pressure distribution on liner at different times
圖8 方案3不同時間所形成的EFP示意圖Fig.8 Scheme 3 EFP formed at different times
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中心開孔會使一部分炸藥從孔中泄出，使得開孔處速度明顯高于藥型罩其余部分，從而增加了藥型罩頭部成型時的軸向速度，此時EFP的頭部與尾部出現(xiàn)速度差，使得EFP更好地軸向拉伸，從而得到更好的長徑比，同時頭部直徑較小，總體而言，中心開孔對藥型罩EFP成型長徑比影響較大。
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表6 EFP極差分析結(jié)果Table 6 EFP range analysis results
從表6可排列出各因素對EFP長徑比的影響主次順序，其結(jié)果顯示，對所形成EFP的長徑比，其影響從大到小依次為球缺罩曲率半徑、殼體厚、裝藥長徑比、藥型罩總厚度、、。
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圖9 300時EFP成型情況示意圖Fig.9 Comparison of EFP Forming at 300 μs
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