裝藥結構對ALP橫向效應的影響*

孫加肖,尹建平,王志軍,唐 琦

(中北大學機電工程學院,太原 030051)

裝藥結構對ALP橫向效應的影響*

孫加肖,尹建平,王志軍,唐 琦

(中北大學機電工程學院,太原 030051)

為獲得裝藥結構對ALP(主動式橫向效應彈)橫向效應的影響規律,采用有限元分析軟件AUTODYN-2D對ALP以1 200 m/s著靶速度垂直侵徹4340鋼靶板過程進行數值仿真研究。針對文中研究模型所得研究結果表明:與PELE相比,ALP可形成較大的穿孔直徑和更好的橫向效應。當炸藥中心與彈底的距離與彈體高度之比δ/H為0.8、采用軸向環起爆和B炸藥時,ALP橫向效應最優。

ALP;橫向效應;裝藥位置;起爆方式;炸藥材料

0 引言

侵徹膨脹彈又稱橫向效應增強彈(penetrator with enhanced lateral efficiency,PELE),是一種無裝填高能炸藥,卻集穿甲彈和榴彈殺傷效果于一身的彈藥[1]。與常規彈藥相比,PELE具有高安全性、低附帶性、高效性、低成本以及可以實現點面殺傷綜合效果的優點,因此如何大幅度增強PELE的橫向效應和提高后效毀傷性能成為各國爭相研制的焦點[2]。德國科研工作者Stephan等[3]提出了主動式橫向效應彈(ALP)的概念。主動式橫向效應彈(active lateral penetrator,ALP),其原理是在傳統的PELE結構基礎上,由外界提供一個足夠強大的瞬時高能脈沖作用于彈芯與彈丸殼體上,從而使彈丸侵徹靶板時會形成更大的穿孔直徑和使更大面積的殼體破裂形成破片,增強了彈丸的橫向效應和后效毀傷性能[4-6]。ALP尤其適用于小口徑彈藥,可廣泛應用于防空、反導、反武裝直升機、反陸軍輕型裝甲及水面艦艇輕型裝甲等領域[7]。

文中提出了一種利用炸藥產生足夠強大高能脈沖作用的ALP結構,并利用大型有限元軟件AUTODYN-2D對該結構垂直侵徹鋼靶板的過程進行了數值模擬,同時對裝藥位置、起爆方式和炸藥材料參數對ALP橫向效應的影響進行了分析。

1 數值計算模型

所探究的結構模型如圖1所示,其彈殼外徑D為10 mm,高度H為50 mm,彈芯直徑d為8 mm,高度h為40 mm,彈底厚度為10 mm。炸藥塊直徑4 mm,高度10 mm,中心距彈底35 mm,所用的鋼靶板為80 mm×80 mm×10 mm的長方體。

圖1 ALP結構模型

文中利用大型有限元軟件AUTODYN-2D對ALP對靶板的垂直侵徹過程進行了數值模擬。計算對象為鎢合金外殼裝填包含B炸藥塊尼龍的ALP垂直侵徹靶板,靶板材料為4340鋼,著靶速度為1 200 m/s。由于ALP對靶板垂直侵徹具有對稱性,所以建立1/2計算模型。采用有限元軟件AUTODYN-2D建立的ALP垂直侵徹靶板的數值計算模型如圖2所示,其中紅點位置為起爆位置。建模時彈體和靶板均采用Lagrange法進行網格劃分。仿真過程中所采用的材料參數均來自AUTODYN程序材料庫[8]。外殼和靶板均采用Johnson-Cook材料強度模型和Shock狀態方程共同描述與材料應變、應變率和溫度相關的強度變化;裝填物采用Shock模型來描述材料隨壓力的增加由彈性變形變化到塑形變形直到材料具有流體性質的變化過程;B炸藥采用Hydro(Pmin)失效模型來描述炸藥對彈芯和殼體的爆轟過程。數值模擬的主要參數如表1所示,表中ρ表示密度,E表示彈性模量,ν表示泊松比。

圖2 ALP計算模型

部件材料材料參數ρ/(g/cm3)E/GPaν殼體鎢合金18.63.500.284內芯尼龍1.142.830.40靶板4340鋼7.852100.22炸藥B炸藥1.717——

2 ALP與PELE橫向效應對比分析

當ALP以1 200 m/s的速度垂直著靶時,外殼穿透鋼靶板的作用過程如圖3所示。由圖3可知ALP與鋼靶板在5 μs時明顯接觸。B炸藥在t=0 μs在中心點起爆后,產生的爆轟波作用于填充物尼龍上,加劇了尼龍的膨脹。t=10 μs時,填充物尼龍開始被大幅度壓縮,成為準流體狀態,同時可以看出B炸藥在封閉空間內向外急劇膨脹,并對彈體作用較大的徑向力,從而增強了ALP的橫向效應,增大了開孔直徑。t=20 μs后,ALP繼續垂直侵徹鋼靶板,靶板背面出現明顯鼓包,同時裝藥位置完全進入鋼靶板,繼續增強橫向效應,達到擴大孔徑的效果。當t=40 μs時,ALP完全貫穿鋼靶板,并產生近似圓錐體的沖塞塊,侵徹過程結束。

圖3 ALP貫穿鋼靶板過程圖

PELE所采用的模型尺寸與圖1所示ALP的結構尺寸一致。數值計算所采用的有限元模型如圖4所示。PELE垂直侵徹鋼靶板的過程圖如圖4所示。通過數值模擬計算所得到的ALP與PELE貫穿鋼靶板后所形成的孔徑如表2所示。

圖4 PELE計算模型

圖5 PELE貫穿鋼靶板過程圖

彈丸靶板正面孔徑/mm靶板背面孔徑/mmALP15.7224.15PELE13.9421.72

由圖3和圖5對比分析可知,在t=10 μs時,由于炸藥的作用,ALP彈體明顯膨脹。在t=20 μs時,ALP彈頭部分橫向效應明顯增強,增大了穿孔直徑。但是ALP貫穿鋼靶板的時間比PELE長大約5 μs。

由表2可知,ALP在靶板正面和靶板背面所形成的孔徑分別比PELE所形成孔徑增大1.78 mm和2.43 mm,增益分別為12.8%和11.2%。在ALP貫穿鋼靶板的過程中,炸藥促進了尼龍的膨脹,加劇了殼體的脹裂,增強了ALP的橫向效應。

3 裝藥結構對ALP橫向效應的影響

3.1 不同裝藥位置時的數值模擬

通過5種不同裝藥位置時ALP垂直侵徹鋼靶板過程的數值模擬,觀察分析ALP垂直侵徹靶板的整個過程,多角度分析裝藥位置對橫向效應影響的一般規律。數值模擬過程中5種裝藥位置如圖6所示。圖6中(1)～(5)所示炸藥中心與彈底的距離δ與彈體高度H之比分別為0.4、0.5、0.6、0.7、0.8。

在數值模擬過程中,以ALP貫穿4340鋼靶板后所產生的孔徑為橫向效應的考察指標。不同裝藥位置下所得到的數值模擬結果如表3所示?？讖诫S裝藥位置的變化關系趨勢圖如圖7所示。t=30 μs時,不同裝藥位置下ALP垂直侵徹靶板數值模擬效果如圖8所示。

圖6 裝藥位置示意圖

序號靶板正面孔徑/mm靶板背面孔徑/mm117.7923.33217.1621.84316.5622.18415.7224.15516.2624.69

圖7 孔徑隨裝藥位置變化的關系趨勢圖

圖8 t=30 μs時,不同裝藥位置下ALP侵徹靶板模擬效果

由表3可知,第1號方案中即δ/H=0.4時,ALP垂直侵徹4340鋼靶板所形成的正面孔徑最大,其值為17.79 mm,與PELE相比增益為27.6%。第5號方案中即δ/H=0.8時,ALP垂直侵徹4340鋼靶板所形成的背面孔徑最大,其值為24.69 mm,與PELE相比增益為13.7%。由圖7可知,ALP垂直侵徹4340鋼靶板所形成的正面和背面孔徑隨δ/H比值的增大均為先減小后增大。由圖8可知,當δ/H較小時,彈殼會發生明顯彎折,彈體底部橫向效應明顯。雖然擴大了正面孔徑,但是不利于彈體過程中的完整性,使得彈體過早破碎,影響ALP貫穿靶板形成破片的殺傷效果。當δ/H較大時,ALP既可以保持殼體的完整性,同時與PELE相比擴孔效果也很明顯。因此,當δ/H=0.8時,ALP橫向效應最優。

3.2 不同起爆方式時的數值模擬

通過6種不同起爆方式時ALP垂直侵徹鋼靶板過程的數值模擬,觀察分析ALP垂直侵徹靶板的整個過程,多角度分析裝藥位置對橫向效應影響的一般規律。數值模擬過程中6種起爆方式如圖9所示。圖9中(1)～(6)所示起爆方式分別為中心點起爆、兩點起爆、軸向線起爆、軸向環起爆、裝藥底端面起爆、裝藥頂端面起爆。

圖9 起爆方式示意圖

以ALP貫穿4340鋼靶板后所產生的孔徑為橫向效應的考察指標,不同起爆方式下所得到的數值模擬結果如表4所示?？讖诫S裝藥位置的變化關系趨勢圖如圖10所示。

表4 不同起爆方式下所得到的模擬結果

由表4可知,第4號方案中即起爆方式為軸向環起爆時,ALP垂直侵徹4340鋼靶板所形成的正面孔徑和背面孔徑均為最大,其值分別為16.84 mm和24.52 mm,與PELE相比增益分別為20.8%和12.9%。由表4和圖10綜合分析可知,當采用軸向環起爆時,ALP的橫向效應最優。

圖10 孔徑隨起爆方式變化的關系趨勢圖

3.3 不同炸藥材料參數時的數值模擬

為了獲取炸藥材料參數如炸藥的密度、炸藥的爆速、炸藥的爆壓等對ALP橫向效應的影響規律,分別選取PENT、TNT、B炸藥三種炸藥對ALP垂直穿甲過程進行數值模擬仿真。仿真計算過程中,ALP計算模型采用的起爆方式全部為軸向環起爆,所用炸藥材料均選自AUTODYN材料庫。數值仿真中所用三種炸藥材料參數如表5所示。ALP采用不同炸藥時所得到的數值模擬結果如表6所示。

表5 炸藥材料參數

表6 不同炸藥下所得到的數值模擬結果

由表5和表6綜合分析可知,ALP貫穿鋼靶板后所形成的孔徑隨炸藥密度、炸藥爆速和炸藥爆壓的增大而增大。因此,當炸藥選用炸藥密度較大、炸藥爆速較高和炸藥爆壓較高的B炸藥時,ALP的橫向效應較好。

4 結論

針對文中的所研究模型,通過計算與仿真,獲得如下結論:

1)通過ALP與PELE開孔的對比分析可以得出,與PELE相比,ALP可形成較大的穿孔直徑和具有更好的橫向效應。

2)通過對不同裝藥位置時ALP穿甲過程的數值仿真可以得出,當炸藥中心與彈底的距離和彈體高度之比δ/H為0.8時,ALP的橫向效應最優。

3)通過對不同起爆方式時ALP穿甲過程的數值仿真可以得出,當采用軸向環起爆時,ALP的橫向效應最好。

4)通過對采用不同炸藥時ALP穿甲過程的數值仿真可以得出,當炸藥選用炸藥密度較大、炸藥爆速較高和炸藥爆壓較高的B炸藥時,ALP的橫向效應最好。

[1] 朱建生, 杜國志, 杜忠華. 裝填材料對PELE效應的影響 [J]. 彈道學報, 2007, 19(2): 62-65.

[2] 尹建平, 劉同鑫, 張洪成, 等. 結構參數對預制破片PELE彈丸毀傷性能的影響 [J]. 含能材料, 2013, 22(2), 226-229.

[3] KERK Stephen. PELE-the future ammunition concept [C]∥21th International Sy-mposium on Ballistic，2004: 1134-1144.

[4] CHANG B H, YIN J P, CUI Z Q, et al. Numerical simulation of modified low-density jet penetrating shell charge [J]. International Journal of Simulation Modelling, 2015, 14(3): 426-437.

[5] 宋麗麗. 橫向效應增強型侵徹體垂直撞擊金屬薄靶機理研究 [D]. 南京: 南京理工大學, 2011: 1-5.

[6] 朱建生. 橫向效應增強型侵徹體作用機理研究 [D]. 南京: 南京理工大學, 2008: 1-9.

[7] 尹建平, 王志軍, 魏繼允. 長徑比對侵徹膨脹彈橫向效應的影響 [J]. 彈箭與制導學報, 2010, 30(2): 87-90.

[8] Century Dynamics. AUTODTN Theory Manual: Rev.4.3 [M]. [S.l.]:Century Dynamics, 2005: 124-180.

Influence of Charge Structure on Lateral Efficiency of ALP

SUN Jiaxiao,YIN Jianping,WANG Zhijun,TANG Qi

(School of Mechatronics Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

In order to get the effect of charge structure on lateral efficiency of ALP(active lateral penetrator), numerical simulation of the process of penetrating 4340 steel target plate with ALP at 1 200 m/s was carried out by using finite element analysis software AUTODYN-2D. The results show that compared with PELE, ALP can form a larger hole and has better lateral efficiency. When the ratio of distance between explosive center and penetrator bottom to the penetrator height δ/H is 0.8, the ring initiation and explosive B are adopted, ALP shows best lateral efficiency.

ALP; lateral efficiency; position of explosives; initiation; explosive material

2015-11-10基金項目:國家自然科學基金(11572291);中北大學研究生科技基金(20151201;20151202;20151209)資助

孫加肖(1990-),男,山東德州人,碩士研究生,研究方向:戰斗部設計與高效毀傷技術。

TJ413

A