帶隔板裝藥的桿式射流成型試驗(yàn)及侵徹特性分析

楊麗，陳闖，張健，相升海（沈陽理工大學(xué)裝備工程學(xué)院，遼寧沈陽110159）

?

帶隔板裝藥的桿式射流成型試驗(yàn)及侵徹特性分析

楊麗，陳闖，張健，相升海
（沈陽理工大學(xué)裝備工程學(xué)院，遼寧沈陽110159）

摘要：帶隔板偏心的亞半球罩裝藥可形成桿式射流，為研究其成型及侵徹特性，以等質(zhì)量原則設(shè)計了3種偏心的亞半球藥型罩，開展桿式射流成型的X光試驗(yàn)及靜破甲試驗(yàn)，對比不同變壁厚方式偏心亞半球罩桿式射流的成型形態(tài)及侵徹能力，找出了形成最佳桿式射流的藥型罩變壁厚。研究結(jié)果表明，罩頂和罩口厚、中間薄形狀形成桿式射流的杵體小，成型效果最佳，侵徹能力強(qiáng)，孔徑均勻。通過理論研究桿式射流的成型參數(shù)，獲得了桿式射流的速度和質(zhì)量分布，罩頂和罩口部厚、中間薄形狀藥型罩形成桿式射流的質(zhì)量較傳統(tǒng)單錐罩提高22%，頭部速度提高10%.

關(guān)鍵詞：兵器科學(xué)與技術(shù)；桿流；偏心亞半球罩；隔板；侵徹

0 引言

近年來，新型成型裝藥結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用研究是國內(nèi)外彈藥領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題之一。桿式射流［1 -2］（以下簡稱桿流）作為一種介于爆炸成型彈丸和聚能射流之間的聚能侵徹體，毀傷元具有射流質(zhì)量大、杵體小、侵徹孔徑均勻等特點(diǎn)，適用于多種戰(zhàn)斗部，具有良好的發(fā)展趨勢和應(yīng)用前景。

Funston等［3］設(shè)計了一種由隔板和偏心亞半球藥型罩組成的小長徑比緊湊型成型裝藥，能夠形成高速桿流。Mattson等［4］將桿流與普通射流的成型及侵徹性能進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)桿流裝藥的炸藥能量利用率與藥型罩利用率均較高，侵徹孔徑更加均勻。國內(nèi)許多學(xué)者對桿流的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了大量研究。李偉兵等［5］優(yōu)化設(shè)計了實(shí)現(xiàn)桿流與射流轉(zhuǎn)換的雙模戰(zhàn)斗部。張曉偉等［6］研究了鈦合金藥型罩裝藥桿流的成型及侵徹特性。帶隔板成型裝藥改變了裝藥內(nèi)爆轟波的傳播方向，使得藥型罩受到的爆轟載荷變得較為復(fù)雜。帶隔板裝藥偏心亞半球罩的變壁厚方式對桿流成型和侵徹特性的影響還有待研究。

本文以等質(zhì)量原則設(shè)計了3種偏心亞半球罩帶隔板裝藥，分別開展了桿流成型的X光及靜破甲試驗(yàn)，對比分析了3種結(jié)構(gòu)形成桿流的特點(diǎn)。利用理論和數(shù)值模擬研究了桿流的成型特性，獲得了桿流的成型效果及成型參數(shù)，找出了形成最佳桿流的藥型罩變壁厚方式。

1 桿流成型及侵徹試驗(yàn)方法

1. 1 帶隔板裝藥結(jié)構(gòu)

相比于單錐罩，帶隔板裝藥偏心亞半球罩形成的桿流能降低射流的質(zhì)量堆積點(diǎn)，射流質(zhì)量占藥型罩質(zhì)量的比例較單錐罩的大。如圖1所示，帶隔板偏心亞半球罩裝藥的結(jié)構(gòu)由輔助裝藥、隔板、主裝藥和藥型罩組成，裝藥直徑Dk= 110 mm.偏心亞半球罩的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括外壁曲率半徑RL、壁厚b、偏心距a；隔板結(jié)構(gòu)參數(shù)由直徑Dg、張角m、半錐角w控制。

基于正交優(yōu)化設(shè)計方法得到的結(jié)果，表明藥型罩對桿流成型指標(biāo)影響較大［7］，因此本文主要比較等質(zhì)量下等壁厚藥型罩與變壁厚藥型罩形成桿流的性能。選擇隔板的結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為Dg= 100 mm，m =5°，w =55°.在等質(zhì)量結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上對藥型罩內(nèi)壁重新設(shè)計，遵循等質(zhì)量原則，通過調(diào)整藥型罩各部分的壁厚，找出能形成較佳速度分布及較高射流質(zhì)量的藥型罩結(jié)構(gòu)。

圖1 帶隔板成型裝藥結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of large-scale shaped charge with foam

圖2 方案K2和方案K3藥型罩結(jié)構(gòu)Fig. 2 Liner structures of K2and K3schemes

等壁厚偏心亞半球罩結(jié)構(gòu)參數(shù)為RL= 90 mm，a =39 mm，b =2. 2 mm，記作方案K1.方案K2和K3的藥型罩結(jié)構(gòu)如圖2所示。K2藥型罩為罩頂與罩口厚、中間薄壁形狀，罩口部與頂部厚度為3. 8 mm，中間最薄處為1. 53 mm. K3結(jié)構(gòu)藥型罩的形狀為從罩頂?shù)秸挚诓恐饾u變薄，頂部和口部厚度分別為4. 5 mm、1. 5 mm.

1. 2 桿流的X光成型及靜破甲試驗(yàn)布局

采用脈沖X光機(jī)拍攝3種帶隔板裝藥結(jié)構(gòu)形成桿流的形態(tài)。試驗(yàn)布局如圖3所示，包括2個呈45°交匯的X光射線管、成型裝藥、炸高筒、靶塊、2個底片架和2張底片。通過設(shè)置兩臺X光機(jī)的出光時間，一次試驗(yàn)獲得兩張不同時刻的X光照片。試驗(yàn)中利用雷管起爆后產(chǎn)生的電離場觸發(fā)X光以控制同步起爆，在底片架上設(shè)置參考標(biāo)記以便計算成型參數(shù)。

圖3 X光試驗(yàn)布局圖Fig. 3 X-ray experimental layout

為了驗(yàn)證3種結(jié)構(gòu)帶隔板裝藥的侵徹能力，試驗(yàn)研究了小炸高下桿流對鋼靶的侵徹。靜破甲試驗(yàn)布置如圖4所示。利用8號雷管起爆擴(kuò)爆藥，由擴(kuò)爆藥起爆主裝藥，試驗(yàn)中靶塊采用45號鋼。靶板尺寸分別為φ150 mm×150 mm，φ150 mm×500 mm，選擇炸高為2. 0Dk和2. 5Dk.

圖4 靜破甲試驗(yàn)布置圖Fig. 4 The layout of penetration experiment

2 結(jié)果與分析

2. 1 試驗(yàn)結(jié)果

通過試驗(yàn)獲得的K1、K2、K33種方案的桿流成型形態(tài)如圖5所示。X光機(jī)的出光時間分別設(shè)置為40 μs和50 μs.由于第2個時刻桿流較長，底片長度有限，因此僅用1張底片拍攝桿流的頭部和中部位置，以便于測量桿流頭部速度。

圖5 桿流成型形態(tài)的試驗(yàn)結(jié)果Fig. 5 Experimental results of rod-like jet formation

從各方案形成的毀傷元形態(tài)來看，方案K2形成的桿流杵體較其他兩種方案的小得多。將X光底片數(shù)字化后，根據(jù)放大系數(shù)可以計算出桿流的成型參數(shù)。

各方案侵深試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由于破甲存在不穩(wěn)定性，每種工況至少進(jìn)行3發(fā)試驗(yàn)，最終取試驗(yàn)樣本有效結(jié)果的平均值。

比較表1中結(jié)果可看出，方案K2的侵徹深度最大，方案K3的侵徹深度最小，罩頂與罩口厚、中間薄壁形狀的藥型罩形成桿流侵徹性能得到顯著提升。表2為侵徹孔徑的試驗(yàn)結(jié)果，方案K2孔徑最均勻，方案K3的入口孔徑最大，射流的能量用于擴(kuò)孔較多。圖6為方案K2在2. 0Dk下靶塊的開孔孔徑，孔徑均勻，侵徹結(jié)果表明，帶隔板變壁厚偏心的亞半球罩裝藥具有比傳統(tǒng)射流侵徹孔徑大且更加均勻的優(yōu)點(diǎn)。

表1 侵徹深度試驗(yàn)結(jié)果Tab. 1 The experimental results of penetration depth

表2 侵徹孔徑試驗(yàn)結(jié)果Tab. 2 The experimental results of penetration hole diameter

圖6 靶板入孔與出孔效果Fig. 6 The penetration hole on target

2. 2 桿流成型特性的理論分析

為進(jìn)一步分析帶隔板裝藥桿流成型特性，利用改進(jìn)的PER理論，并結(jié)合文獻(xiàn)［5］中超壓爆轟波壓垮區(qū)的藥型罩壓垮速度計算方法，得到3種裝藥結(jié)構(gòu)形成桿流的過程，對比桿流的速度分布與質(zhì)量分布。

根據(jù)坐標(biāo)變換可得到射流的速度υ［8］為j

式中：υ為藥型罩的絕對壓垮速度；β0為藥型罩的絕對壓垮角；α1為藥型罩微元切線與軸線的夾角；δ為藥型罩微元壓垮過程中絕對偏轉(zhuǎn)角。

藥型罩微元壓垮過程中極限偏轉(zhuǎn)角通過泰勒公式的非定常形式確定：

式中：u為爆轟波掃過藥型罩的速度；υ0為藥型罩的極限壓垮速度；τ0為藥型罩加速度的時間常數(shù)。

式中：ε為爆轟波法線與藥型罩切線的夾角，可以根據(jù)幾何關(guān)系獲得；Dcj為炸藥的爆速。

藥型罩微元的絕對偏轉(zhuǎn)角可以表示為

式中：T為爆轟波到達(dá)藥型罩微元x處的時間。藥型罩的壓垮角可以表示為

式中：R為藥型罩的初始半徑；l為藥型罩在t時間內(nèi)運(yùn)動的距離；tc為藥型罩碰撞到軸線處的時刻。

考慮到藥型罩環(huán)形單元的質(zhì)量為mi，當(dāng)微元被壓垮到軸線，被分裂成了質(zhì)量為mj的射流單元和質(zhì)量為ms的杵體單元。根據(jù)碰撞點(diǎn)處的質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程，可以得到射流質(zhì)量為

mi可以表示為

式中：ρL為藥型罩的密度；b為藥型罩的厚度。

圖7為3種方案形成射流質(zhì)量隨藥型罩位置的變化曲線，x表示藥型罩微元從罩口部到罩頂部的變化。當(dāng)x在0～40 mm范圍內(nèi)時，方案K3形成射流的質(zhì)量最高，而方案K2最低，但各方案差距較小；當(dāng)x在40～67 mm范圍內(nèi)變化時，方案K2形成射流質(zhì)量顯著高于其他兩種方案。3種方案藥型罩的原始質(zhì)量均為320 g，對圖7中各曲線進(jìn)行積分處理，得到3種方案射流質(zhì)量分別為162. 7 g、188. 1 g、145. 2 g.圖7中還與等高度、等壁厚的傳統(tǒng)單錐罩形成射流的質(zhì)量進(jìn)行了對比，方案K2的射流質(zhì)量較傳統(tǒng)單錐罩提高了22%.

圖7 射流質(zhì)量分布圖Fig. 7 The curves of jet mass distribution

圖8為3種方案在炸高為2. 0Dk處桿流速度分布曲線，還給出了等高度、等壁厚的傳統(tǒng)單錐罩形成射流的速度分布。方案K2形成射流的頭部速度最高，動能最大。綜合分析射流質(zhì)量及速度兩方面性能，K2方案成型效果最好。

圖8 射流速度分布圖Fig. 8 The curves of jet velocity distribution

2. 3 桿流成型參數(shù)理論、數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果的對比

為了驗(yàn)證理論計算和試驗(yàn)獲得的桿流速度和長度等成型參數(shù)的準(zhǔn)確性，利用Autodyn軟件數(shù)值模擬了3種方案桿流的成型過程，并提取數(shù)值模擬結(jié)果。仿真模型如圖9所示，圖中還給出了繞爆后爆轟波形的傳播。

數(shù)值模擬采用Euler算法解決藥型罩在爆轟產(chǎn)物作用下的大變形問題。由于本文采用的隔板裝藥，起爆方式設(shè)置為間接路徑起爆，使得爆轟波經(jīng)過隔板后自動繞開。計算中采用8701炸藥，藥型罩材料選擇紫銅，隔板材料選擇酚醛樹脂，各材料模型及參數(shù)見文獻(xiàn)［9］。

圖9 仿真模型及爆轟波形的傳播Fig. 9 The simulation model and detonation wave

數(shù)值模擬得到的3種方案桿流成型形態(tài)如圖10所示。圖10（a）～圖10（c）分別代表方案K1、K2和K3.從圖10中可以明顯看出，方案K1和K3的杵體較大，射流質(zhì)量占總藥型罩質(zhì)量較少，而方案K2的射流質(zhì)量最大，方案K2對藥型罩材料的利用率最高，這與理論計算得到的量化結(jié)果相一致，驗(yàn)證了理論計算的正確性。對比圖10中各方案毀傷元成型的仿真結(jié)果與圖5中的試驗(yàn)結(jié)果，成型形態(tài)吻合較好。

圖10 桿流成型形態(tài)的數(shù)值模擬結(jié)果Fig. 10 The simulated results of rod-like jet formation

利用Autodyn后處理功能提取桿流的成型參數(shù)，并將X光底片數(shù)字化后根據(jù)放大系數(shù)獲取試驗(yàn)得到的桿流成型參數(shù)，最終與理論計算獲得的桿流成型速度、長度進(jìn)行對比。表3列出了桿流成型參數(shù)的理論、仿真與試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)果表明方案K2成型效果最佳，理論計算與仿真、試驗(yàn)的結(jié)果相吻合，誤差在10%以內(nèi)，基本滿足工程計算需求。

表3 桿流成型參數(shù)理論計算、仿真與試驗(yàn)結(jié)果的對比Tab. 3 Comparison of theoretical，simulation and experimental results of rod-like jet formation parameters

3 結(jié)論

1）利用X光試驗(yàn)研究了帶隔板裝藥桿流的成型過程，對比了等壁厚（方案K1）、罩頂和罩口厚及中間薄（方案K2）、罩頂?shù)秸挚谥饾u變薄（方案K3）3種結(jié)構(gòu)藥型罩形成桿流的形態(tài)和成型參數(shù)。結(jié)果表明，方案K2結(jié)構(gòu)桿流的杵體較小，頭部速度最高，成型效果最佳。通過靜破甲試驗(yàn)獲得了方案K2結(jié)構(gòu)形成桿流的侵徹能力最強(qiáng)，侵徹孔徑大且均勻。

2）基于改進(jìn)的PER理論計算了桿流的質(zhì)量和速度分布，并與等壁厚等高度傳統(tǒng)單錐罩進(jìn)行比較。對比可得罩頂和罩口厚、中間薄形狀藥型罩形成射流的質(zhì)量較傳統(tǒng)單錐罩提高了22%，頭部速度提高了10%.數(shù)值模擬研究了3種方案形成桿流的形態(tài)及成型參數(shù)，方案K2的射流質(zhì)量最大、頭部速度最高，其對藥型罩材料的利用率最高。理論計算、數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

參考文獻(xiàn)（References）

［1］ 譚多望，孫承緯.成型裝藥研究新進(jìn)展［J］.爆炸與沖擊，2008，28（1）：50 -86. TAN Duo-wang，SUN Cheng-wei. Progress in studies on shaped charge［J］. Explosion and Shock Waves，2008，28（1）：50 -56. （in Chinese）

［2］ 吳晗玲，段卓平，汪永慶.桿式射流形成的數(shù)值模擬［J］.爆炸與沖擊，2006，26（4）：328 -332. WU Han-ling，DUAN Zhuo-ping，WANG Yong-qing. Simulation ofinvestigation of rod-like jets［J］. Explosion and Shock Waves，2006，26（4）：328 -332.（in Chinese）

［3］ Funston R J，Mattsson K V，Ouye N N. K-charge a multipurpose shaped charge warhead：US，US6393991［P］. 2002 -05 -28.

［4］ Mattsson K，Sorensen J，Ouye N，et al. A short L/ D shaped charge［C］∥18th International Symposium on Ballistics. San Antonio，Texas：IBC，1999：528 -534.

［5］ 李偉兵，樊菲，王曉鳴，等.桿式射流與射流轉(zhuǎn)換的雙模戰(zhàn)斗部優(yōu)化設(shè)計［J］.兵工學(xué)報，2013，34（12）：1500 -1505. LI Wei-bing，F(xiàn)AN Fei，WANG Xiao-ming，et al. Optimization of dual-mode warhead for the conversion of jetting projectile charge and jet ［J］. Acta Armamentarii，2013，34（12）：1500 -1505.（in Chinese）

［6］ 張曉偉，段卓平，張慶明.鈦合金藥型罩聚能裝藥射流成型與侵徹實(shí)驗(yàn)研究［J］.北京理工大學(xué)學(xué)報，2014，34（12）：1229 -1233. ZHANG Xiao-wei，DUAN Zhuo-ping，ZHANG Qing-ming. Experimental study on the jet formation and penetration of conical shaped charges with titanium alloy liner［J］. Transactions of Beijing Institute of Technology，2014，34（12）：1229 -1233.（in Chinese）

［7］ 陳闖，李偉兵，王曉鳴，等.串聯(lián)戰(zhàn)斗部前級K裝藥結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計［J］.高壓物理學(xué)報，2014，28（1）：73 -78. CHEN Chuang，LI Wei-bing，WANG Xiao-ming，et al. Optimization design of precursor K-charge structure of tandem warhead［J］. Chinese Journal of High Pressure Physics，2014，28（1）：73 -78. （in Chinese）

［8］ Chou P C，Carleone J，F(xiàn)lis W J，et al. Improved formulas for velocity，acceleration and projectile angle of explosively driven liners［J］. Propellants，Explosives，Pyrotechnics，1983，8（6）：175 -183.

［9］ Century Dynamics Inc. Interactive non-linear dynamic analysis software AUTODYNTM users manual［M］. Concord，CA，US：Century Dynamics Inc，2001.

Analysis of Formation Experiment and Penetration Property of Rod-like Jet of Shaped Charge with Foam

YANG Li，CHEN Chuang，ZHANG Jian，XIANG Sheng-hai
（School of Equipment Engineering，Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，Liaoning，China）

Abstract：In order to study the formation and penetration property of rod-like jet of eccentric sub-hemisphere liner shaped charge with foam，three eccentric sub-hemisphere liners are designed according to the equal mass principle，and X-ray imaging and penetration experiments are carried out. The formation effects and penetration capabilities of rod-like jets of different tapered eccentric sub-hemisphere liners are compared，and the optimal tapered liner mode for forming rod-like jet is acquired. The results show that the rod-like jet of the liner which is thick in top and bottom areas and thin in middle area has small slug，optimal formation effect，powerful penetration capability，and relatively homogenous penetration hole. The formation parameters of rod-like jet are studied by theoretical analysis，and the velocity and mass distribution of rod-like jet are obtained. Compared with traditional simple cone liner，the jet mass of the liner which is thick in top and bottom areas and thin in middle area is increased by 22%，and the tip velocity is increased by 10%.

Key words：ordnance science and technology；rod-like jet；eccentric sub-hemisphere liner；foam；penetration

中圖分類號：O383

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1000-1093（2016）04-0621-06

DOI：10. 3969/ j. issn. 1000-1093. 2016. 04. 007

收稿日期：2015-05-22

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（51205052）；遼寧省教育廳科學(xué)研究項目（L2015469）；沈陽理工大學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項目（4771004kfs26）

作者簡介：楊麗（1980—），女，副教授，博士。E-mail：yangli. 024@163. com