仿真分析三種射流形態對移動靶板的侵徹*

陳振華，張國偉，高元浩，孫國慶

(中北大學機電工程學院，太原 030051)

0 引言

伴隨著各種制導武器的迅猛發展，空襲和防空作戰在現代戰爭中的地位越來越重要，而將敵方各種來襲導彈成功攔截和擊毀，已成為各國掌控制空權的共識，反導技術愈來愈成為各國研究的焦點內容。近程反導是作為防護己方目標免受導彈襲擊的最后一道屏障，在近程反導方面各國采取的措施主要是以諸如定向戰斗部、可控離散桿戰斗部、聚焦戰斗部等破片形式的動能攔截為主，利用破片對導彈關鍵部位侵徹，使導彈偏離其預定軌道或直接侵徹并引爆戰斗部，從而達到反導的目的，其中以直接引爆戰斗部效果最佳。但隨著各國對導彈防護能力的加強以及鈍感炸藥的研制與應用，直接引爆戰斗部的難度越來越大，從而使反導效率越來越低。鑒于射流在軍事、民用領域應用越來越廣泛，主要是利用射流侵徹靜止或低速運動的目標，如爆炸切割、石油射孔彈、反坦克破甲彈等，它具有高溫、高速、侵徹能力強等優點，若采用射流侵徹并引爆導彈戰斗部將會使反導效率得到明顯提高?；谶@種思路，文中重點探討3種射流形態對移動斜靶的侵徹情況。

1 仿真方案的確定

聚能裝藥是一種一端裝有內凹金屬罩的炸藥裝藥，在另一端爆炸后，爆轟波作用到金屬罩上，將罩以很大的速度向中心擠壓，使罩金屬變形并在軸線上發生碰撞，在碰撞的高壓作用下，匯成一股連續高速金屬射流。聚能裝藥的3種射流形態分為金屬射流(JET)、聚能桿式射流(JPC)和自鍛破片(EFP)，文中通過調節藥型罩的錐角，用TrueGrid軟件建立金屬射流、桿式射流和自鍛破片戰斗部模型，通過ANSYS/LS-DYNA數值模擬它們各自對移動斜靶的侵徹，得出哪種射流形態對移動斜靶的侵徹效果最好。

2 數值模擬

2.1 模型結構的建立

為了結構優化，分別建立藥型罩錐角為50°、100°和150°3種典型聚能裝藥結構，其射流形態分別代表金屬射流、聚能桿式射流和自鍛破片。口徑均為90 mm，藥型罩壁厚為2.3 mm，殼體的壁厚為4 mm，裝藥高度采用1.8d。其模型圖如圖1～圖2所示。

圖1 數值模擬總體模型

圖2 3種聚能裝藥的藥型罩模型結構

文中建立的斜靶模型的靶面與水平線成60°夾角，沿著60°的方向移動，賦予500 m/s的速度，其靶厚采用100 mm的厚度，靶板在z方向距藥型罩口部的距離為27 cm。

2.2 材料模型

在文中的數值模擬中，涉及到炸藥、空氣、藥型罩、殼體和靶板5種材料模型，其中炸藥采用B炸藥，藥型罩材料為紫銅，靶板為45#鋼，殼體為鋼質材料。

1)B 炸藥的主要參數為:ρ=1.82 g/cm3，VD=8.48 km/s，PCJ=34.2 GPa［1］。選用 MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型，狀態方程為EOS_JWL狀態方程，其基本形式為:

其中:p為壓力;E為爆轟產物的內能;V為爆轟產物的相對體積;A、B、R1、R2和 ω 為待定常數，如表1所示。

表1 8701炸藥的主要參數

2)藥型罩選用紫銅為材料，采用MAT_JOHNSON_COOK模型和EOS_GRUNEISEN狀態方程。狀態方程的基本形式為:

對于可壓縮材料:

對于膨脹材料:

3)空氣采用MAT_NULL模型，狀態方程采用EOS_LINEAR_POLYNOMIAL，其狀態方程的基本形式為:

4)殼體采用鋼質材料，采用MAT_JOHNSON_COOK模型和EOS_GRUNEISEN狀態方程。

5)靶板采用45#鋼。

3 數值模擬結果分析

3.1 總體分析

如圖3所示，3種聚能裝藥對移動斜靶的侵徹各不相同，對于金屬射流而言，在150 μs穿透靶板，并于202 μs的時候射流上半段脫節，其杵體對靶板進行二次開坑。對于桿式射流而言，168 μs穿透靶板，其射流大致沿著開坑路線侵徹，未發生脫節現象;對于自鍛破片而言，未能穿透靶板，只是開坑效果不錯，而且自鍛破片在侵徹靶板的時候產生類似于穿甲彈“滑彈”的效果，無法完成作戰指標。

圖3 3種聚能裝藥對斜靶的侵徹情況

3.2 射流過程中完整性分析

如圖4所示，根據仿真結果顯示，金屬射流在侵徹過程中，射流在橫向方向發生偏移，其偏移量為1.646 cm。而桿式射流的偏移量為1.412 cm。

圖4 剛穿透靶板時兩種射流情況

3.3 射流對靶板的開坑分析

如圖5所示，根據仿真結果顯示，金屬射流恰好透過靶板，其透孔的體積為18.313 cm3，開坑直徑為52.24 mm，恰好透過靶板的孔徑為25.27 mm;而桿式射流透孔的體積為30.557 cm3。開坑直徑為74.26 mm，恰好透過靶板的孔徑為25.67 mm。

圖5 兩種聚能裝藥穿透靶板時靶板的情況

3.4 侵徹后射流頭部速度分析

金屬射流恰好透過靶板，其射流的頭部速度為1 840 m/s，相比其剛接觸靶板的頭部速度7 425 m/s，其速度降為75.22%。而桿式射流透過靶板后的頭部射流速度為2 172 m/s，相比其剛接觸靶板的頭部速度5 560 m/s，其速度降為60.93%。

3.5 侵徹時間分析

金屬射流于58 μs開始接觸靶板，于150 μs透過靶板，穿透靶板所用時間為92 μs;桿式射流于68 μs開始接觸靶板，于168 μs透過靶板，穿透靶板所用時間為100 μs，其對比數據如表2所示。

表2 JET和JPC總體對比數據

4 結論

1)通過對比金屬射流和桿式射流穿透靶板時射流的形態，金屬射流的偏移量較桿式射流明顯，而且到了后期，金屬射流的偏移量更明顯，無法維持射流的穩定性。

2)通過對比分析金屬射流和桿式射流穿透靶板的仿真數據，桿式射流透孔的體積是金屬射流透孔體積的1.67倍，桿式射流開坑直徑和底部孔徑均優于金屬射流。

3)通過對比分析金屬射流和桿式射流接觸靶板和透過靶板射流頭部速度數據，在兩者作用時間相差不大的情況下，金屬射流的頭部速度降大于桿式射流的速度降，桿式射流的作用效果相對較佳。

通過對3種射流形態的仿真模擬，綜合分析對比三者的仿真數據，可以得出，桿式射流相對金屬射流能更穩定的侵徹移動靶板，而且侵徹效果更優于金屬射流。

［1］吳國棟，董方棟，王志軍，等.CEW戰斗部成型數值模擬［J］.彈箭與制導學報，2013，33(1):107-109.

［2］張先鋒，陳惠武.三種典型聚能射流侵徹靶板數值模擬［J］.系統仿真學報，2007，19(19):4439-4401.

［3］陶為俊，黃風雷，浣石.聚能射流侵徹過程的相似律及其在數值仿真中的應用［J］.廣州大學學報:自然科學版，2008，7(1):78-81.

［4］尹建平，王志軍.彈藥學［M］.北京:北京理工大學出版社，2012:207-230.

［5］汪文革，楊世軍，韓永要.基于ANSYS/LS-DYNA的聚能射流侵徹裝甲鋼的有限元分析［J］.先進制造與管理，2008，27(3):38-40.

［6］馬健，張國偉，李金銘.基于ANSYS/LS-DYNA的藥型罩椎角對射流影響數值仿真［J］.機械，2013，40(3):11-13.

［7］張國偉.終點效應及其應用技術［M］.北京:國防工業出版，2006:80-102.