串聯聚能裝藥隔爆結構設計數值模擬和實驗研究

徐浩銘,顧文彬,劉建青,趙長嘯,徐尉友,胡亞鋒

(解放軍理工大學野戰工程學院,江蘇南京 210007）

串聯聚能裝藥隔爆結構設計數值模擬和實驗研究

徐浩銘,顧文彬,劉建青,趙長嘯,徐尉友,胡亞鋒

(解放軍理工大學野戰工程學院,江蘇南京 210007）

為了解決在大塊度障礙物上快速開孔且孔深和孔徑優化匹配的難題,提出一種前后兩級均為爆炸成型彈丸(EFP)裝藥的新型串聯聚能裝藥結構。利用有限元軟件,分析隔爆結構對串聯EFP裝藥侵徹能力的影響,進行相應的串聯EFP裝藥侵徹45#鋼靶實驗。實驗結果表明:隔爆體形狀對串聯EFP后級裝藥侵徹能力有重大影響,優化后的串聯EFP后級裝藥整體侵徹深度和后級侵徹深度分別提高了23%和35%,大大改善了串聯EFP后級裝藥的利用效率。

兵器科學與技術;串聯爆炸成型彈丸;隔爆體;結構設計;實驗研究;數值仿真

0 引言

隨著武器技術的不斷發展,各種重要目標的防護能力不斷加強,串聯裝藥逐漸成為戰斗部設計者比較重視的研究項目[1-3]。王成等[4]對同口徑前級為W型裝藥的破-破型串聯裝藥戰斗部進行了實驗研究。涂侯杰等[5]、張先鋒等[6-7]、王健等[8]分別對串聯戰斗部前級爆轟對后級的影響進行了數值模擬分析與實驗。但是對于破-破型串聯聚能裝藥,串聯爆炸成型彈丸(EFP)裝藥量較大,兩級距離較小,前級爆炸會對后級產生重大的影響,傳統隔爆手段略顯不足。在此背景下,隔爆技術的應用,已經成為串聯破甲戰斗部侵徹能力提高的重要途徑。

由于串聯EFP裝藥屬于爆炸高壓加載范疇,金屬與炸藥相互作用機理復雜,影響因素多,決定了在串聯EFP裝藥之間隔爆體設計及理論研究的復雜性。其影響因素一般包括隔爆體自身的材料與形狀、隔爆體與前后級裝藥之間的間隔、前后級裝藥起爆延時時間等。本文根據研制快速破障器材研究的需要,設計了一種新型串聯聚能裝藥,用于在堅硬目標中產生直徑和深度均較大的破孔。主要設計思想是:在滿足破孔直徑并兼顧破孔深度要求的EFP裝藥結構優化設計基礎上,將2個EFP裝藥串聯起來,通過控制起爆延時間隔、EFP裝藥之間的隔爆等參數設計,形成2個高速EFP連續侵徹穿孔。開展這種串聯聚能裝藥相關關鍵技術的研究,可為今后設計破-破-爆型串聯戰斗部提供一定依據。

1 串聯聚能裝藥結構設計

1.1 串聯關鍵技術

串聯聚能裝藥的關鍵技術分為兩級起爆控制的精確性和裝藥之間的互不干擾性。本文目的是要設計出一種填隔在前后級戰斗部的聯接件中的隔爆結構及相關控制參數,實現兩級裝藥的隔爆防護。

1.2 隔爆材料

聚氨酯泡沫(RPUF)是一種密度較輕、有一定吸能緩沖性能的較好隔爆材料[9-10],在國防、軍事領域廣泛用于抗沖擊波防護領域,也是本文隔爆體設計采用的材料。

1.3 EFP裝藥選擇

本文聚能裝藥選擇前期設計得到的φ65 mm球缺型變壁厚EFP裝藥結構方案[11]。裝藥結構參數為:炸藥采用JH-2,密度1.7 g/cm3,裝藥長徑比1.0;藥型罩采用紫銅材料,罩頂厚2.1 mm,罩內曲率半徑Ri= 67 mm,外表面曲率半徑Ro=62 mm,EFP速度2 500 m/s左右。

1.4 延時控制

起爆延時間隔時間T對后級EFP的成型和穩定飛行影響非常大,朗明君等[12]、梁秀清等[13]對串聯聚能裝藥起爆延時進行了分析計算。在兩級裝藥間距不變的情況下,延時間隔小則后級裝藥的成型受影響較小,但其與前級裝藥爆轟場相遇較早,前級爆轟場的壓力峰值很大,后級EFP的長徑比和速度將因此降低很多;延時間隔大會使得后級藥型罩還未被完全壓垮,就與前級裝藥爆轟場相遇,將嚴重影響后級EFP的成型。因此,兩級裝藥起爆時間間隔的匹配,是降低前級爆轟場對后級影響的重要因素。本文選用專門設計的起爆系統,精度為±0.1 μs,如圖1所示。

圖1 微秒起爆控制系統Fig.1 Microsecond detonation control system

2 數值模擬分析

2.1 建立模型

為了比較該串聯聚能裝藥各方案的可行性,利用LS-DYNA有限元計算程序對其成型過程進行了數值仿真計算,整體模型如圖2所示,主要考察后級EFP的成型和侵徹性能。

圖2 串聯EFP整體模型圖Fig.2 Model of tandem EFP charge

本文在定義數值模型材料時應用了“填充法”(INITIAL_VOLUME_FRACTION_GEOMETRY)[12],填充炸藥、藥型罩和隔爆材料。與傳統建模不同的是,應用此方法建立模型時,不需要通過定義復雜不同的PART來定義不同的流體材料,而是只需要定義一種材料(本模型中定義的為空氣材料),其余材料的建立與定義是通過K文件中的關鍵字實現的。此方法的使用,極大地減少了建模過程的工作量。

2.2 材料參數選取

模型中各部分所用材料的本構模型與狀態方程如表1所示,材料參數見表2.

表1 仿真計算中采用的材料模型Tab.1 Material model used in simulation

表2 各種材料計算參數Tab.2 Calculating parameters of materials

2.3 隔爆體形狀的選取

前級裝藥爆轟產物和空氣沖擊波直接作用在后級裝藥藥型罩上,會產生較大的沖量,降低后級EFP的速度,改變后級EFP形狀和性能。基于這方面的影響,本文設計出3種簡單形狀的隔爆結構(見圖3),通過比較串聯裝藥后級EFP在200 μs時刻的形態,來選擇合理的隔爆體形狀,模擬結果如圖4所示。

圖4(a)中前級裝藥起爆后,爆炸沖擊波直接作用圓柱形隔爆體,隔爆體殘留部分向后飛散,一定程度影響了后級裝藥的成型。圖4(b)中隔爆體在爆轟波作用下,主體向后飛散到藥形罩上,造成能量損失并導致EFP未能成型。圖4(c)中隔爆材料在爆轟作用下沿其法線方向迅速將推開,在吸收前級爆轟能量的前提下,盡可能地減少了對后級EFP成型的干擾。通過對比可以看出,圖4(c)形狀更適合作為串聯聚能裝藥的隔爆結構。

圖3 不同形狀的隔爆體Fig.3 Explosion-proof bodies with different shapes

圖4 3種隔爆條件200 μs后級EFP裝藥的形態Fig.4 Shapes of postpositive EFP charge under three different explosion-proof bodies at 200 μs

2.4 前后級延時間隔的確定

根據設計需要,兩級裝藥最大間距150 mm.表3為此間距下,模擬不同延時間隔T得到的后級EFP性能參數。通過分析不同延時間隔后級EFP成型參數,可以發現后級裝藥延時20 μs起爆時,后級EFP速度v和長徑比L/D最好,為后續串聯EFP裝藥侵徹實驗起爆延時的確定提供參考依據。

表3 不同延時條件下后級EFP參數Tab.3 Parameters of postpositive EFP charge at different delay time

2.5 隔爆體與后級裝藥距離分析

隔爆體與后級裝藥的距離也是影響隔爆效果的重要因素。圖5為前后級起爆延時均為20 μs,隔爆體距后級裝藥間隔H分別為60 mm、40 mm,后級EFP與隔爆體接觸時刻對比圖。可以看出H= 60 mm,隔爆體與后級EFP相遇時,聚氨酯泡沫的殘留較少,充分發揮了隔爆作用,后級EFP頭部速度將因前級爆轟場下降較少;H=40 mm,隔爆體距后級過近,后級EFP與其相遇時,聚氨酯泡沫有過多的殘留未飛散,這將干擾后級EFP的形成,頭部和尾部的速度都因此下降較多。

圖5 隔爆體與后級裝藥不同間隔接觸時刻對比Fig.5 Comparison of contact times under different gaps betweenexplosion-proof body and postpositive charge

根據以上分析結果,根據兩級EFP成型的計算結果,本文模擬了在前后級裝藥間距為150 mm、前后級裝藥起爆延時20 μs條件下,串聯EFP在5種不同位置隔爆體作用下侵徹鋼靶的情況,模擬結果見表4.其中:H為隔爆體與后級裝藥間隔,dmin為最小孔徑,Pmax為最大侵徹深度。

表4 不同隔爆間隔串聯EFP裝藥侵徹鋼靶仿真結果Tab.4 Simulation results of tandem EFP penetrating intosteel target under different explosion-proof gaps

3 串聯EFP侵徹鋼靶實驗研究

3.1 串聯侵徹實驗設置

實驗采用鈍化黑索今作為傳爆藥柱,進行串聯EFP侵徹鋼靶實驗,起爆方式為8號軍用雷管中心起爆。圖6為實驗的設置圖。

3.2 不同隔爆條件下串聯EFP侵徹鋼靶實驗

圖6 實驗設置Fig.6 Experimental set-up

為了驗證隔爆體形狀對串聯EFP裝藥侵徹性能的影響規律,同時為數值模擬結果提供事實依據,進行了6發串聯EFP侵徹驗證性實驗。實驗分成3組,每組2發,分別對圖3(a)～圖3(c)中3種條件下不同形狀隔爆體進行了串聯EFP侵徹鋼靶實驗,結果如圖7所示。

圖7 3種不同隔爆體串聯EFP侵徹鋼靶實驗結果Fig.7 Experiment results of tandem EFP penetrating into steeltarget under three different explosion-proof bodies

3.3 不同隔爆間隔串聯EFP侵徹鋼靶實驗

如圖8所示,實驗主要用于分析隔爆體與后級裝藥間隔H對串聯EFP戰斗部侵徹威力的影響規律,選用圖3(c)中隔爆體作實驗分析。根據前期研究結果,確定兩級裝藥間距為150 mm、前后級起爆延時為20 μs.分別對隔爆體距后級裝藥20 mm、40 mm、60 mm、80 mm、100 mm 5種情況進行侵徹靶板實驗,每組2發取平均值,結果依次記錄為T1～T5,實驗數據見表5.

表5 串聯EFP裝藥侵徹鋼靶實驗數據Tab.5 Experimental data of tandem EFP penetrating into steel target

圖8 5種不同隔爆間隔串聯EFP侵徹鋼靶實驗結果Fig.8 Experimental results of tandem EFP penetrating into steel target under five different explosion-proof gaps

3.4 實驗與數值模擬結果對比分析

通過分析數值模擬和實驗結果數據可以看出:

1)圖9為隔爆間隔60 mm時,串聯EFP侵徹數實驗與數值模擬結果對比,對比靶板剖面圖可以發現侵徹出的孔洞形狀大體上是一致的,可以大致分辨出前后兩級EFP的侵徹區域。總體比較來說,后級EFP的侵徹孔型較為細長,這是由于后級裝藥在小間距條件下,不可避免地受到前級裝藥爆轟場的影響,速度和長徑比都有所變化造成的結果。

圖9 H=60 mm時串聯EFP侵徹實驗與數值模擬結果對比Fig.9 Comparison of experimental and numerical simulation results at explosion-proof gap of 60 mm

2)實驗結果表5與數值模擬結果表4進行比較,如圖10所示。發現差值中最大為8.5%,平均為3.7%,數值模擬與實驗結果吻合性較好。對比發現,隨著隔爆體與后級裝藥間隔的增加,后級裝藥開孔深度先增加后加少,開孔直徑先增加后趨于平穩,說明隔爆結構對串聯裝藥后級侵徹能力影響很大,結構參數的優化十分必要。

圖10 數值模擬與實驗結果對比Fig.10 Comparison of numerical simulation and experimental results

圖11 優化前后串聯EFP裝藥侵徹鋼靶結果對比Fig.11 Comparison of the penetrating results of tandem EFP charge against steel target before and after optimization

3)如圖11所示,起爆延時20 μs隔爆間隔60 mm時,優化后的串聯EFP裝藥侵徹深度為114.5 mm,而優化前相同裝藥間距無隔爆體的串聯EFP裝藥侵徹深度僅為95 mm,裝藥整體侵徹深度提高了20.6%.從圖中靶板剖面圖可知,兩級EFP侵徹各自開孔區域形狀十分明顯,串聯裝藥前級侵徹深度為40 mm,優化前串聯EFP后級裝藥侵徹深度僅為55 mm,優化后串聯EFP后級裝藥侵徹深度達到74.5 mm,后級裝藥侵徹能力提高了35%,優化效果明顯。

4)通過對比數值模擬與實驗結果,得出二者在穿深及孔徑分布規律上基本相似。觀察對比結果發現,實驗中后級裝藥的開孔直徑略小于數值模擬結果值,原因可能是隔爆體殘留物會導致后級EFP成型過程中會出現飛散。實驗中也發現了在靶板彈孔的入口周圍出現了飛散EFP侵徹留下的小坑。這種現象降低了后級EFP裝藥的利用效率,也是后續研究需要解決的問題。

4 結論

1)通過數值模擬和實驗驗證相結合的方法,對比分析了不同形狀隔爆體對串聯EFP后級裝藥成型性能的影響,得到了此種串聯裝藥隔爆體較好的形狀及位置方案,為后續多級戰斗部隔爆設計提供了參考依據。

2)開展了兩級裝藥間距150 mm,不同隔爆間隔條件下串聯EFP侵徹45#鋼靶板實驗,發現在隔爆體與后級裝藥間隔60 mm、延時起爆時間20 μs時,既提高了侵徹深度,又盡可能保證了串聯裝藥開孔直徑,后級裝藥侵徹深度較優化前提高了35%,充分說明了隔爆體參數設置對串聯EFP侵徹能力提高的重要性。

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Numerical Simulation and Experimental Study
on Explosion-proof Structure Design of Tandem Shaped Charge

XU Hao-ming,GU Wen-bin,LIU Jian-qing,ZHAO Chang-xiao,XU Wei-you,HU Ya-feng
(College of Field Engineering,PLA University of Science and Technology,Nanjing 210007,Jiangsu,China)

In order to solve the optimal matching issue of penetrating hole depth and aperture on fast perforating into a hunk obstacle,a new tandem shaped charge structure is proposed,which uses two same structures of explosively formed projectile(EFP)shaped charge.The effect of explosion-proof structure on the penetration ability of tandem EFP charge is analyzed by using finite element software,and the associated experiment of tandem EFP penetrating into a steel target is conducted.The results show that the shape of explosion-proof body has an important effect on the penetration ability of postpositive charge of tandem EFP,and the whole penetration depth of optimized tandem EFP and the penetration depth of postpositive charge are increased by 23%and 35%,respectively,greatly improving the efficiency of postpositive EFP charge.

ordnance science and technology;tandem explosively formed projectile;explosion-proof body;structure design;experimental study;numerical simulation

O385

:A

1000-1093(2014)02-0170-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.02.005

2013-05-07

國家科技支撐計劃項目(2012BAK05B01)

徐浩銘(1985—),男,博士研究生。E-mail:xuhaoming2012@sina.com;

顧文彬(1962—),男,教授,博士生導師。E-mail:guwenbin1@aliyun.com