环形多点起爆精度对聚能杆式侵彻体成型的影响*

李伟兵,王晓鸣,李文彬,郑 宇

（南京理工大学机械工程学院,江苏南京 210094）

1 引 言

影响聚能侵彻体成型的关键因素主要是起爆方式、装药性质、装药结构、药型罩材料性能和结构参数等。就起爆方式而言,主要包括单点起爆、多点起爆、环形起爆等形式,其中多点起爆的各点装药是否同时起爆是影响聚能侵彻体成型的重要因素之一。对多点起爆网络及起爆精度有大量的研究,如温玉全等[1]对设计的刚性面同步起爆网络进行同步时间分析、胡双启等[2]研究了环形传爆药多点同步起爆网络、许碧英等[3]设计了平面多点同时起爆网络,等等,罗健等[4]在研究多点起爆起爆点数对EFP尾翼的影响时,提出多点起爆的同步性对EFP的飞行稳定性有较大的影响,必须严格加以控制,但未对多点起爆的同步性对EFP成型参数的影响规律进行研究。要使EFP在大炸高情况下仍能发挥很好的侵彻威力,弹丸需有较好的飞行稳定性,通常要求起爆的同步性偏差小于100 ns[5-6]。如果在相对较小炸高情况下研究侵彻体的侵彻威力,则主要考虑起爆同步性对侵彻体的成型形态和参数的影响。

本文中,采用6点环形起爆网络,应用LS-DYNA软件研究多点起爆网络起爆精度对聚能杆式侵彻体成型的影响,并进行实验验证,找出起爆偏差对形成的聚能杆式侵彻体速度和长径比的影响规律。

2 数值模拟方案及有限元模型

2.1 多点起爆网络的布置

为了方便数值模拟,将6点环形起爆网络在成型装药结构的圆周面上布置成如图1所示的2种形式,均为轴对称分布,装药直径为60 mm,起爆半径为21 mm。

在实际中多点起爆网络的起爆偏差是参差不齐的,有一定的随机性,但是为了找出起爆偏差的影响规律,主要研究各点起爆偏差相同的情况下对聚能杆式侵彻体成型的影响,根据图1起爆点的布置情况确定4种延迟起爆方案:方案1、2、3均采用单侧起爆偏差方式,方案1延迟起爆位置为图1（a）中点1,方案2为图1（b）中点1、2,方案3为图1（a）点中1、2、6,方案4采用对称起爆偏差方式,延迟起爆位置为图1（b）中点3、6。

2.2 有限元模型

采用LS-DYNA程序,用ALE算法来计算涉及网格大变形、材料流动问题的聚能侵彻体形成过程,炸药、药型罩、空气选用多物质流欧拉算法,炸药、药型罩、空气与壳体的相互作用采用流固耦合算法[7]。为了减少计算量,建立如图2所示的1/2模型图。

装药JH-2炸药采用JWL状态方程;药型罩材料为紫铜,壳体材料为45钢,本构方程采用Johnson-Cook模型,状态方程为Gruneisen方程。对于多介质ALE方法,还需建立覆盖整个弹丸飞行范围的空气网格,并在边界节点上施加压力流出边界条件,避免压力在边界上的反射。空气采用流体模型,状态方程为线性多项式。计算中所使用的材料参数见文献[8]。

图1 起爆点的布置Fig.1 Layout of initiation points

图2 三维有限元1/2模型图Fig.2 Half of the three-dimensional finite element model

3 数值模拟结果及分析

3.1 起爆偏差的影响

为了研究不同起爆偏差对形成的侵彻体速度v和长径比L/D的影响规律,将4种研究方案的延迟起爆时间τ分别设定为50、100、150、200、300和500 ns。图 3为起爆偏差为0即同步起爆时聚能杆式侵彻体成型过程的计算结果。

图3 同步起爆时聚能杆式侵彻体成型过程Fig.3 The formation process of a jetting projectile charge when initiation windage is 0 ns

由于多点起爆对聚能侵彻体的影响主要体现在对主装药爆轰波形的控制上,图4为起爆偏差引起主装药爆轰波形的变化,随着延迟时间的增加,主装药传递的爆轰波对称性越来越差,造成爆轰波对药型罩的压垮时间和空间不对称,从而影响聚能侵彻体的形态和成型性能。

计算的聚能侵彻体形态结果见图5,成型参数（速度、长径比）随延迟时间的变化曲线如图6所示。如果延迟时间在200 ns以内,对形成的侵彻体尾翼有影响,大于200 ns以后侵彻体开始发生弯曲,特别是到了500 ns,侵彻体发生严重的弯曲变形,飞行稳定性和侵彻能力都将大大降低。比较图5中单侧起爆偏差各方案侵彻体形态,随着延迟点数的增加,聚能侵彻体的尾翼破坏越来越严重,弯曲变形越来越明显。而对称起爆偏差所形成的侵彻体无弯曲变形,起爆偏差到300 ns后才对侵彻体尾翼有所影响。

从图6可以看出,随着延迟时间的增加,聚能侵彻体的头部速度和长径比都先稍微有所增加,然后又逐渐减小。当延迟时间在200 ns以内时,侵彻体的头部速度和长径比基本不变。综合分析起爆偏差对侵彻体的形态和成型参数的影响,除了爆轰波不对称对尾翼的影响外,主要还是引起了侵彻体的弯曲变形,这势必影响侵彻体最后的侵彻威力。

因此,侵彻体存在横向速度梯度是引起侵彻体最终弯曲变形的主要原因。图7给出了单侧起爆偏差情况下侵彻体头尾横向速度和由横向速度引起的横向位移,此横向位移值指尾部中心相对于头部中心的横向偏移量,可以得出随着延迟时间和延迟点数的增加,侵彻体横向速度梯度逐渐增大,在100 ns时相对横向位移在1 mm以内,200 ns时相对横向位移增加到2 mm左右,到300 ns时相对横向位移最大达到4.4 mm,将使侵彻体发生明显弯曲变形。

图4 t=3 μs时的爆轰波形状Fig.4 The detonation wave figure at 3μs

图5 t=102 μs时的聚能侵彻体成型形态Fig.5 The penetrator shape at 102 μs

图6 t=102 μs时的聚能侵彻体成型参数Fig.6 The formation parameters of penetrator at 102 μs

图7 t=102 μs时单侧起爆偏差的聚能侵彻体横向速度和位移Fig.7 The across velocities and displacements of penetrator of side initiation windage at 102 μs

由于侵彻体横向速度和位移随着飞行时间不同是变化的,以方案2为例分析各延迟时间下侵彻体横向速度和位移随飞行时间的变化规律,如图8所示。发现横向速度随着时间的增大逐渐变小,而头尾相对横向位移随着时间的增大逐渐增大,到了某一时间点基本上趋向平缓变化。

图8 方案2聚能侵彻体横向速度和位移Fig.8 The across velocities and displacements of penetrator of project 2

3.2 实验验证

采用与数值模拟同样的成型装药结构,图1（a）中起爆点1～6延迟起爆时间分别为500、300、200、0、200和300 ns。采用HP公司产的2台450 kV脉冲X光机组合进行拍摄,以获得侵彻体的长度、直径、头部速度和尾部速度等参数。

6点环形起爆网络如图 9所示,通过控制输入端到扩爆头之间的导爆索距离设定延迟时间。测定导爆索爆速为6 896.5 m/s,导爆索基准长度为10 mm,则起爆点1～6导爆索长度分别为13.45、12.07、11.38、10.00、11.38 和 12.07 mm 。每一根导爆索的长度由精度为0.01 mm的游标卡尺保证。6点环形起爆网络在成型装药结构上的布置如图10所示。

图9 6点起爆网络Fig.9 Six points initiation circuit

图10 实验装置Fig.10 Experiment setup

从所形成的侵彻体的外部形状及侵彻体弯曲变形和侵彻体参数的比较[9]（见图11）来看,数值模拟结果与实验结果较吻合。由于底片问题,X光照片在90 μs时未能得到侵彻体尾翼部分,但是长径比是取未断裂部分侵彻体长度与最大直径之比,所以不受影响。其中,为90～120 μs之间的平均速度。

图11 模拟和实验结果的比较Fig.11 Comparison between experimental and numerical results

4 结 论

（1）6点环形起爆网络起爆同步性偏差使得侵彻体横向速度梯度递增,而横向速度梯度的存在引起了侵彻体的横向位移,在60 mm口径装药情况下,100 ns时尾部相对于头部的横向偏移量在1 mm以内,200 ns时相对横向位移增加到2 mm左右,到300 ns时相对横向位移最大达到4.4 mm,将使侵彻体发生明显弯曲变形。从侵彻体形态来分析,在200 ns以内对侵彻体尾翼有影响,从200 ns到300 ns侵彻体开始发生弯曲变形,到500 ns时侵彻体已经发生严重的弯曲,将严重影响侵彻体的飞行稳定性和侵彻能力。

（2）针对60 mm口径的成型装药结构,最好能保证6点环形起爆网络的起爆偏差,即各起爆点的延迟时间在200 ns内,此时所形成的侵彻体不发生弯曲变形,侵彻体速度、长径比等参数基本保持不变。

（3）对于单侧起爆偏差,随着延迟点数的增加,聚能侵彻体的尾翼破坏越来越严重,弯曲变形越来越明显;侵彻体的头部速度和长径比都随着延迟时间的增加先稍微增大,后又逐渐减小。而对称起爆偏差对形成的侵彻体形态和侵彻体参数影响比单侧起爆偏差小。因此,在实验中如果有些误差避免不了,则尽量使这些误差分布在2个对称位置上。

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