環型聚能裝藥侵徹靶板能力影響因素分析

傅　磊，王偉力，黃雪峰，姜穎資（海軍航空工程學院.研究生管理大隊；.兵器科學與技術系，山東煙臺264001）

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環型聚能裝藥侵徹靶板能力影響因素分析

傅磊a，王偉力b，黃雪峰a，姜穎資a
（海軍航空工程學院a.研究生管理大隊；b.兵器科學與技術系，山東煙臺264001）

摘要：采用正交設計試驗方法優化環型聚能裝藥結構，利用ANSS/LS-DNA軟件，對環型聚能裝藥侵徹靶板過程進行數值模擬，得出了藥型罩開口角度、藥型罩壁厚、裝藥高度、炸高4種因素對環形射流穿靶時間及剩余速度的影響規律。仿真結果表明，對射流穿靶時間及剩余速度影響較大的因素為藥型罩開口角度，優化后的環型聚能裝藥結構對靶板侵徹能力顯著提高。

關鍵詞：爆炸力學；環型聚能裝藥；數值模擬；正交設計

環型聚能裝藥是由聚能裝藥理論發展起來的一種新型聚能裝藥結構，其藥型罩相當于將楔型罩的線型聚能裝藥按一定半徑繞成中空的圓環形狀[1]。環型聚能裝藥起爆后形成環形“薄片”狀射流，可用來實現對靶板的大口徑切割。目前，針對線型聚能裝藥的研究較多[2-6]，而對環型聚能裝藥的研究方興未艾。王成等[7-8]人對W型聚能裝藥的射流形成過程進行了實驗和仿真研究。吳成等[1]人基于等動量原理，采用質量補償方法對環型聚能藥型罩進行了設計。王偉力、李永勝等[9-10]人對中空環型聚能裝藥結構進行了試驗研究。目前，針對環型聚能裝藥結構參數對其侵徹能力的影響規律需加強研究。

本文采用正交設計試驗方法對上述中空環型聚能裝藥結構進行優化，利用ANSS/LS-DNA軟件，對環型聚能裝藥侵徹靶板過程進行數值模擬，研究不同裝藥結構參數因素改變對環型聚能裝藥侵徹靶板能力的影響規律。

1　計算模型

1.1結構參數與有限元模型

本文選取的環型聚能裝藥結構以本課題組設計的中空環型聚能裝藥結構為基礎[9]，如圖1所示。藥型罩材料采用紫銅，開口口徑為d=80mm，主裝藥采用柱錐體形狀的注裝梯黑裝藥，殼體選用Q235A鋼，殼體厚度為g=10mm。靶板厚度為40mm。起爆方式為裝藥頂端中心處環形多點起爆。相關研究表明，裝藥、藥型罩、炸高、隔板等因素都對聚能裝藥破甲效果有一定影響[11]。對于本文研究的環型聚能裝藥而言，不考慮隔板因素，改變藥型罩開口角度2α、藥型罩壁厚δ、裝藥高度h和炸高H，采用正交設計試驗方法合理設置不同參數的裝藥結構進行數值模擬。

圖1　環型聚能裝藥結構參數Fig.1 Structural parameters of annular shaped charge

模型分為裝藥、藥型罩、殼體、靶板和空氣。SOLID164實體單元，映射網格劃分，殼體與靶板采用拉格朗日網格，單點積分算法。裝藥、藥型罩和空氣采用歐拉網格，多物質ALE算法。計算模型中，將空氣外邊界施加透射條件，靶板外邊界設置固支條件。為提高計算效率，當環形射流基本成形后刪除殼體材料。采用1/4模型進行運算。圖2所示為環型聚能裝藥結構的有限元模型。

1.2本構方程與計算參數

計算模型中，環型聚能裝藥采用高能炸藥燃燒模型與JWL狀態方程；藥型罩選取STEINBURG模型，殼體材料選取JOOHSON-COOK模型，均采用GRUNEISEN狀態方程；空氣材料選取NULL模型與線性多項式狀態方程；鋼靶選用隨動塑性模型。材料參數列于表1~5[9-10]。

圖2　環型聚能裝藥結構有限元模型Fig.2 Finite element model of annular shaped charge

表1　裝藥的材料參數Tab.1 Parameters of eplosive

表1　裝藥的材料參數Tab.1 Parameters of eplosive

ρ0/(g/cm3) 1.717 PCJ/GPa 27.6 A/GPa 524.2 B/GPa 7.678 R1 4.2 R2 1.1 ω 0.35

表2　藥型罩的材料參數Tab.2 Parameters of liner

表3　殼體的材料參數Tab.3 Parameters of shell

表4　空氣的材料參數Tab.4 Parameters of air

表5　鋼靶的材料參數Tab.5 Parameters of palte

圖3　試驗布置圖Fig.3 Setup of the eperiment

圖4　試驗結果與仿真效果對比圖Fig.4 Contrast between eperimental and simulation effects

表6　仿真結果與試驗數據比較Tab.6 Comparison between simulation and eperimental data

表6　仿真結果與試驗數據比較Tab.6 Comparison between simulation and eperimental data

數據仿真試驗觸靶時間/μs 45 40穿靶時間/μs 100 120切割孔徑/mm 383 380

通過毀傷效果的比較，可知數值仿真與試驗結果具有較好的一致性，仿真所用的計算參數較為準確，可以采用數值模擬方法來進行環型聚能裝藥結構的優化設計。

2　數值仿真與分析

2.1正交設計方案

根據前期的設計安排，保持裝藥材料、藥型罩材料、殼體材料及厚度等條件不變，選取藥型罩開口角度（2α）、藥型罩壁厚（δ）、裝藥高度（h）、炸高（H）作為正交設計試驗的4個因素。

這些因素對應的水平取值，都是根據現有資料，考慮到實際需要及加工要求，在合理的范圍內選取。最終確定的裝藥結構因素及水平的取值如表7所示。

表7　因素水平表Tab.7 Factors and levels

1.3試驗驗證

在對環型聚能裝藥結構進行優化設計之前，選取原來設計的環型聚能裝藥結構參數[10]進行侵徹靶板的數值模擬。所采用的環型聚能裝藥結構參數為：藥型罩錐角2α=60°，藥型罩壁厚δ=5.0mm，裝藥高度h=120mm，炸高H=80mm。然后，根據數值模擬條件設置靶場試驗，并將試驗結果與數值模擬相對比以確定仿真結果的可信性。試驗設置如圖3所示，試驗得到的環型聚能裝藥侵徹靶板后效果與仿真效果的對比如圖4所示。同時，根據靶場試驗所采集的相應數據，與仿真結果對比見表6。

將射流穿靶時間t及穿靶后射流平均剩余速度v作為優化設計的評定指標。所選因素所對應的全部16個水平選取L16（45）正交表來安排，具體方案設計及仿真結果見表8所示，表中分別以A、B、C、D表示表7中的4個因素。

表8　優化設計方案及仿真結果Tab.8 Orthogonal design scheme and simulation results

根據數值仿真結果，可以得到各因素對環型聚能裝藥侵徹靶板能力影響的結果。所選指標隨因素的變化趨勢如圖5、6所示。

圖5　穿靶時間隨因素變化曲線Fig.5 Change curves of penetration time with factors

圖6　剩余速度隨因素變化曲線Fig.6 Change curves of remaining velocitwith factors

射流穿靶時間隨藥型罩錐角增大而變小，剩余速度隨藥型罩錐角增大而增大，當2α=70°時，射流穿靶時間最短，剩余速度也最大；隨著藥型罩壁厚增加，射流穿靶時間呈現先減小后變大趨勢，剩余速度則隨之減小，當δ=5.0mm時，射流穿靶時間最短，δ=4.0mm時，射流剩余速度最大；裝藥高度對2個指標的影響趨勢與藥型罩錐角一致，當h=130mm時，射流穿靶時間最短，射流剩余速度也最大；對炸高而言，射流穿靶時間隨炸高增大而呈現先減小后變大趨勢，剩余速度隨炸高增大而增大，當H=80mm時，射流穿靶時間最短，H=85mm時，射流剩余速度最大。由分析結果可知，4個因素對2個指標的影響趨勢各有不同，為了得到較好的結構參數，需要通過方差分析，進一步確定因素影響程度。

2.2仿真結果方差分析

各因素所在列的離差平方和S2i，統計量F值的計算公式[12]如下：式（1）、（2）中：Ⅰi、Ⅱi、Ⅲi、Ⅳi分別表示表8因素所在第i列的同水平數據之和；T為數據總和；m表示水平重復數；n為數據總個數；fi為各因素所在列離差平方和的自由度，fe表示誤差平方和的自由度。

對于給定的顯著性水平α（分別取α=0.05，α=0.01），通過F分布表可查得臨界值Fα(fi,fe)，若Fi>F0.05(fi,fe)，則說明此列所對應因素對指標影響顯著，以“*”標記；若Fi>F0.01(fi,fe)，則說明此列所對應因素對指標影響高度顯著，以“**”標記。經過計算，對于穿靶時間t及剩余速度v的方差分析分別見表9、10。通過方差分析可知，因素A對于環型射流的穿靶時間t和剩余速度v而言均為高度顯著影響因素，因素B、C對于剩余速度而言為顯著影響因素，因素D 對2個指標的影響均不顯著。

表9　穿靶時間方差分析Tab.9 Variance analsis of penetration time

表9　穿靶時間方差分析Tab.9 Variance analsis of penetration time

方差源ABCDeT離差平方和797.15 31.80 255.04 70.03 38.34 1 192.36自由度333331 5均方265.72 10.60 85.01 23.34 F值20.79 0.83 6.65 1.83顯著性**

表10　剩余速度方差分析Tab.10 Variance analsis of remaining velocit

表10　剩余速度方差分析Tab.10 Variance analsis of remaining velocit

方差來源ABCDeT離差平方和0.224 0.020 0.054 0.017 0.002 0.317自由度333331 5均方0.075 0.007 0.018 0.006 F值112 10 27 8.5顯著性** **

查表得到F0.05(3,3)=9.28，F0.01(3,3)=29.5。結合圖5、6，可選定較好的結構參數為A4B1C4，對因素D，可選定剩余速度較高的水平D4。由此得到優選方案參數：2α=70°，h=130mm，H=85mm，δ=4.0mm。

2.3優化方案仿真計算

上述優化方案參數沒包含在表8設置的方案中，需進一步數值仿真以驗證優化的正確性。由得到的優化方案參數建立有限元模型，利用前面給出的材料模型參數，計算得到優化后的環型裝藥結構參數侵徹靶板仿真結果：射流穿靶時間t=32 μs，穿靶后平均剩余速度v=1 490 m/s，見圖7。由表8可知，優化得到的環型聚能裝藥結構穿靶時間更短，射流平均剩余速度較高。從仿真效果看，觸靶前環形射流成型較好，侵徹靶板過程中無明顯射流堆積，靶板切割較為均勻。

圖7　優化方案參數仿真結果Fig.7 Smulation time of optimal scheme parameters

3　結論

2）優化得到的環型聚能裝藥結構參數為：藥型罩開口角度70°、藥型罩壁厚4.0mm、裝藥高度130mm、炸高85mm。經過優化后的環型聚能裝藥侵徹能力明顯提高。

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Influencing Factors Analssiiss of Annular Shaped Charge Penetrating Into Plate

FU Leia, WANG Wei-lib, HUANGue-fenga, JIANGing-zia
（NavAeronautical and Astronautical Universit, a. Graduate Students’Brigade; b. Department of Ordnance Science and Technolog,antai Shandong 264001, China）

作者簡介：傅磊（1987-），男，博士生。

基金項目：部委技術研究基金資助項目（40107）

收稿日期：2014-06-3?0；

DOI:10.7682/j.issn.1673-1522.2015.02.012

文章編號：1673-1522（2015）02-0151-05

文獻標志碼：A

中圖分類號：TJ410.3

修回日期：2015-01-16