尾翼型EFP形成的數值模擬研究

張孝中, 趙太勇, 陳智剛, 郭光全, 李建飛

(1 中北大學地下目標毀傷技術國防重點學科實驗室, 太原 030051; 2 晉西工業集團有限責任公司, 太原 030051)

0 引言

隨著現代科學技術的發展,尤其是軍事科技的發展,使得軍事目標的抗打擊能力日益加強。應用在末敏彈上的爆炸成型彈丸(EFP),可以用來攻擊坦克頂裝甲及艦船甲板。為了提高EFP遠距離攻擊目標的能力,可使用一種尾翼型EFP,使其具有良好的穩定飛行能力。劉建青等[1]對三點起爆形成尾翼EFP進行了實驗研究及相關的數值模擬,路鳴等[2]對四點起爆形成帶尾翼EFP進行了試驗研究,于川等[3]采用了多點起爆方式,對帶尾翼翻轉爆炸成型彈丸進行了實驗研究,Bouet T H等[4]研究了多點起爆方式對尾翼EFP的影響,并得到具有良好尾翼結構和穩定飛行能力的尾翼型EFP。林加劍等人[5-6]使用在藥型罩上貼附惰性隔板的方法,對帶尾翼EFP形成進行了相關實驗研究。Weimann K等[7]就爆炸成型彈丸飛行穩定性進行了實驗研究。唐平江等[8]主要研究了殼體對帶尾翼EFP成型過程的影響。門建兵等[9]進行了帶尾翼EFP形成的三維數值模擬研究。而目前采用在藥型罩表面刻槽的方法形成尾翼型EFP的數值模擬研究較少。

文中提出一種在藥型罩表面周向對稱刻槽,并以45鋼填充槽體的結構,用該結構來影響藥型罩的塑性變形過程,從而形成一種尾翼型的EFP。對比分析了3種藥型罩結構方案,分別對3種方案進行數值模擬,得到了最優方案,繼而以該結構方案對尾翼型EFP成型過程的影響進行研究,得到刻槽參數及填充材料對尾翼型EFP侵徹性能和成型效果的影響規律,對今后尾翼型EFP研究工作具有指導意義。

1 計算模型與材料參數

1.1 計算模型

用LS-DYNA軟件[10]對刻槽藥型罩形成尾翼型EFP過程進行數值模擬,采用Lagrange算法,單位制:cm-g-μs。因聚能裝藥為軸對稱結構,同時在藥型罩表面周向對稱刻4個槽,故建立1/4模型,以此為例進行數值模擬。整個模型由炸藥、填充物和藥型罩三部分組成,模型如圖1所示,所有單元均為8節點實體單元solid164。計算中采用裝藥頂端中心點起爆方式。

模型中藥型罩的形狀為球缺罩,其主要結構參數裝藥直徑為Dk=50 mm,藥型罩外曲率半徑為R=1.64Dk,壁厚為δ=0.06Dk,裝藥高度為L=1.2Dk。

圖1 計算模型

1.2 材料參數選擇

在數值模擬中,藥型罩材料為紫銅,本構模型為Johnson-Cook,狀態方程為Gruneisen,屈服應力σy表示為:

-(T*)m]

(1)

式中:T*=(T-Tr)/(Tm-Tr),Tm為常態下材料熔化溫度,Tr為參考溫度(一般為室溫)。式中參數值為A=0.09 GPa,B=0.29 GPa,n=0.31,C=0.025,m=1.08,Tm=1 356 K,Tr=293 K。

選擇8701炸藥,本構模型為HIGH_EXHIGH_EXPL OSIVE_BURN,狀態方程為JWL,表達式為:

(2)

式中:P為壓力;E為內能。所用參數值為E=10 GPa,A=564 GPa,B=6.801 GPa,R1=4.1,R2=1.3,ω=0.36。填充物材料為45鋼。

藥型罩和填充物材料參數如表1所示,其中ρ為密度(g/cm3),G為剪切模量(GPa)。炸藥材料參數如表2所示,其中D為爆速(m/s),Pcj為爆轟波波陣面壓力(GPa)。

表1 藥型罩和填充物材料參數[11]

表2 炸藥材料參數[12]

2 數值模擬結果及分析

2.1 尾翼型EFP成型原理

由爆轟理論知,炸藥爆炸時將產生高溫、高壓的爆轟產物,爆轟時這些產物將沿炸藥表面的法線方向向外飛散。端面具有球缺型凹坑的圓柱狀藥柱爆炸后,爆轟產物一方面以一定速度沿凹坑表面的法線方向向中心軸線匯聚,形成一股高速度、高密度的氣流,即聚能效應;另一方面由于稀疏波的作用,匯聚到中心軸線處的爆轟產物又迅速向周圍低壓區膨脹,使能量分散開。在成型裝藥的球缺型凹坑表面放置一個與之相切的金屬罩,則爆炸后的爆轟產物將推動罩壁向中心軸線運動,將能量傳遞給金屬罩形成EFP。為了形成一種飛行穩定性較好的尾翼型EFP,需在罩表面周向對稱刻槽,并填充材料達到閉氣作用。當經過衰減后的沖擊波作用于罩刻槽處時,在未刻槽處的罩微元壓力比其他位置處大,產生的塑性變形也大,將形成尾翼型EFP。

由于45鋼的壓縮性比銅小,因此在受到相等爆轟載荷作用時,沖擊波壓力在鋼中衰減比銅快,所以選用45鋼填充槽體。

文中提出3種藥型罩結構方案:1)無刻槽;2)有刻槽,無填充物;3)有刻槽,有填充物。下文將對EFP成型過程進行數值模擬,將得到較好方案。

2.2 3種方案對EFP形成尾翼的影響

對以上3種方案分別進行數值模擬,取140 μs時結果進行分析。EFP形態見表3,計算結果見表4。

表3 3種方案EFP形態

表4 3種方案EFP速度和長徑比

從表3和表4中可知,第一種方案形成的EFP速度及長徑比最小,且無尾翼;第二種方案形成的EFP速度及長徑比次之,且尾翼形態較差;第三種方案形成的EFP速度及長徑比最大,且尾翼張的很開,形態良好,成形效果較好。因此有刻槽、有填充物是較好方案,繼續對該方案分析。

當刻槽數目、長度及填充物材料一定時,尾翼型EFP主要受槽寬和槽深等參數影響。下文將對尾翼型EFP成型過程進行數值模擬,并得到兩種參數的最優結構設計。

2.3 刻槽深度和寬度對EFP形成尾翼的影響

當刻槽長度L=1.0 cm、寬度W=0.21 cm時,僅改變槽深H,依次取值為0.1 cm、0.13 cm、0.16 cm、0.19 cm、0.22 cm、0.25 cm進行模擬計算。取140 μs時結果進行分析,其計算結果見表5。不同槽深的EFP形態見表6,EFP速度及長徑比隨槽深的變化曲線如圖2所示。

表5 不同槽深和槽寬的EFP速度及其長徑比

表6 不同槽深的EFP形態

由計算結果可知,槽深由0.1 cm增加到0.25 cm,EFP的速度及長徑比都呈先增大后減小的趨勢。但槽深過大時,尾翼成形效果較差。當槽深為0.19 cm時,EFP速度及長徑比都達到最大值,尾翼形態較好。

當槽長L=1.0 cm、槽深H=0.19 cm時,槽寬W依次取值為0.15 cm、0.18 cm、0.21 cm、0.24 cm、0.27 cm、0.3 cm進行計算,其結果見表5。不同槽寬的EFP形態見表7,EFP速度及長徑比隨槽寬的變化曲線如圖3所示。

圖2 EFP速度及長徑比隨槽深的變化曲線

表7 不同槽寬的EFP形態

圖3 EFP速度及長徑比隨槽寬的變化曲線

由模擬結果可知,槽寬由0.15 cm增加到0.30 cm,EFP的速度及長徑比都呈現先增大后減小的趨勢。當槽寬為0.24 cm時,EFP長徑比達到最大值,雖其速度有所下降,但下降不明顯,且其尾翼形態良好。

2.4 填充物材料對EFP形成尾翼的影響

當刻槽參數不變時,分析不同填充物材料對尾翼EFP的影響。當槽深為0.19 cm、寬為0.24 cm時,填充材料為鋁合金、陶瓷、45鋼,分別進行數值模擬。填充材料參數見表8,不同填充材料的EFP形態見表9,不同填充材料的EFP速度、長徑比和尾翼厚度見表10。

表8 填充材料參數

表9 不同填充材料的EFP形態

表10 不同填充物材料的EFP速度和長徑比

模擬結果表明,隨著填充材料密度的增大,EFP速度及長徑比都增大。尾翼厚度是影響彈丸飛行穩定性重要的因素[13],填充材料為45鋼時,形成EFP尾翼厚度較大,尾翼成型效果較好。

3 總結

1)藥型罩結構對形成尾翼型EFP影響明顯,藥型罩有刻槽且槽內有填充物時,EFP尾翼張的很開,形態較好。

2)槽寬W和槽深H對尾翼型EFP影響顯著。當槽寬為0.048倍、槽深為0.038倍裝藥直徑Dk時,形成的尾翼型EFP速度及長徑比最大,尾翼形態較好。此結論只適用于中小口徑聚能裝藥。

3)填充材料對尾翼型EFP也有影響,填充材料為45鋼時,尾翼型EFP速度及長徑比較大,尾翼成型效果較好。這對尾翼型EFP研究工作有一定的指導意義,數值模擬的結果還有待進行試驗驗證。

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