串联聚能装药隔爆结构设计数值模拟和实验研究

徐浩铭,顾文彬,刘建青,赵长啸,徐尉友,胡亚锋

(解放军理工大学野战工程学院,江苏南京 210007）

串联聚能装药隔爆结构设计数值模拟和实验研究

徐浩铭,顾文彬,刘建青,赵长啸,徐尉友,胡亚锋

(解放军理工大学野战工程学院,江苏南京 210007）

为了解决在大块度障碍物上快速开孔且孔深和孔径优化匹配的难题,提出一种前后两级均为爆炸成型弹丸(EFP)装药的新型串联聚能装药结构。利用有限元软件,分析隔爆结构对串联EFP装药侵彻能力的影响,进行相应的串联EFP装药侵彻45#钢靶实验。实验结果表明:隔爆体形状对串联EFP后级装药侵彻能力有重大影响,优化后的串联EFP后级装药整体侵彻深度和后级侵彻深度分别提高了23%和35%,大大改善了串联EFP后级装药的利用效率。

兵器科学与技术;串联爆炸成型弹丸;隔爆体;结构设计;实验研究;数值仿真

0 引言

随着武器技术的不断发展,各种重要目标的防护能力不断加强,串联装药逐渐成为战斗部设计者比较重视的研究项目[1-3]。王成等[4]对同口径前级为W型装药的破-破型串联装药战斗部进行了实验研究。涂侯杰等[5]、张先锋等[6-7]、王健等[8]分别对串联战斗部前级爆轰对后级的影响进行了数值模拟分析与实验。但是对于破-破型串联聚能装药,串联爆炸成型弹丸(EFP)装药量较大,两级距离较小,前级爆炸会对后级产生重大的影响,传统隔爆手段略显不足。在此背景下,隔爆技术的应用,已经成为串联破甲战斗部侵彻能力提高的重要途径。

由于串联EFP装药属于爆炸高压加载范畴,金属与炸药相互作用机理复杂,影响因素多,决定了在串联EFP装药之间隔爆体设计及理论研究的复杂性。其影响因素一般包括隔爆体自身的材料与形状、隔爆体与前后级装药之间的间隔、前后级装药起爆延时时间等。本文根据研制快速破障器材研究的需要,设计了一种新型串联聚能装药,用于在坚硬目标中产生直径和深度均较大的破孔。主要设计思想是:在满足破孔直径并兼顾破孔深度要求的EFP装药结构优化设计基础上,将2个EFP装药串联起来,通过控制起爆延时间隔、EFP装药之间的隔爆等参数设计,形成2个高速EFP连续侵彻穿孔。开展这种串联聚能装药相关关键技术的研究,可为今后设计破-破-爆型串联战斗部提供一定依据。

1 串联聚能装药结构设计

1.1 串联关键技术

串联聚能装药的关键技术分为两级起爆控制的精确性和装药之间的互不干扰性。本文目的是要设计出一种填隔在前后级战斗部的联接件中的隔爆结构及相关控制参数,实现两级装药的隔爆防护。

1.2 隔爆材料

聚氨酯泡沫(RPUF)是一种密度较轻、有一定吸能缓冲性能的较好隔爆材料[9-10],在国防、军事领域广泛用于抗冲击波防护领域,也是本文隔爆体设计采用的材料。

1.3 EFP装药选择

本文聚能装药选择前期设计得到的φ65 mm球缺型变壁厚EFP装药结构方案[11]。装药结构参数为:炸药采用JH-2,密度1.7 g/cm3,装药长径比1.0;药型罩采用紫铜材料,罩顶厚2.1 mm,罩内曲率半径Ri= 67 mm,外表面曲率半径Ro=62 mm,EFP速度2 500 m/s左右。

1.4 延时控制

起爆延时间隔时间T对后级EFP的成型和稳定飞行影响非常大,朗明君等[12]、梁秀清等[13]对串联聚能装药起爆延时进行了分析计算。在两级装药间距不变的情况下,延时间隔小则后级装药的成型受影响较小,但其与前级装药爆轰场相遇较早,前级爆轰场的压力峰值很大,后级EFP的长径比和速度将因此降低很多;延时间隔大会使得后级药型罩还未被完全压垮,就与前级装药爆轰场相遇,将严重影响后级EFP的成型。因此,两级装药起爆时间间隔的匹配,是降低前级爆轰场对后级影响的重要因素。本文选用专门设计的起爆系统,精度为±0.1 μs,如图1所示。

图1 微秒起爆控制系统Fig.1 Microsecond detonation control system

2 数值模拟分析

2.1 建立模型

为了比较该串联聚能装药各方案的可行性,利用LS-DYNA有限元计算程序对其成型过程进行了数值仿真计算,整体模型如图2所示,主要考察后级EFP的成型和侵彻性能。

图2 串联EFP整体模型图Fig.2 Model of tandem EFP charge

本文在定义数值模型材料时应用了“填充法”(INITIAL_VOLUME_FRACTION_GEOMETRY)[12],填充炸药、药型罩和隔爆材料。与传统建模不同的是,应用此方法建立模型时,不需要通过定义复杂不同的PART来定义不同的流体材料,而是只需要定义一种材料(本模型中定义的为空气材料),其余材料的建立与定义是通过K文件中的关键字实现的。此方法的使用,极大地减少了建模过程的工作量。

2.2 材料参数选取

模型中各部分所用材料的本构模型与状态方程如表1所示,材料参数见表2.

表1 仿真计算中采用的材料模型Tab.1 Material model used in simulation

表2 各种材料计算参数Tab.2 Calculating parameters of materials

2.3 隔爆体形状的选取

前级装药爆轰产物和空气冲击波直接作用在后级装药药型罩上,会产生较大的冲量,降低后级EFP的速度,改变后级EFP形状和性能。基于这方面的影响,本文设计出3种简单形状的隔爆结构(见图3),通过比较串联装药后级EFP在200 μs时刻的形态,来选择合理的隔爆体形状,模拟结果如图4所示。

图4(a)中前级装药起爆后,爆炸冲击波直接作用圆柱形隔爆体,隔爆体残留部分向后飞散,一定程度影响了后级装药的成型。图4(b)中隔爆体在爆轰波作用下,主体向后飞散到药形罩上,造成能量损失并导致EFP未能成型。图4(c)中隔爆材料在爆轰作用下沿其法线方向迅速将推开,在吸收前级爆轰能量的前提下,尽可能地减少了对后级EFP成型的干扰。通过对比可以看出,图4(c)形状更适合作为串联聚能装药的隔爆结构。

图3 不同形状的隔爆体Fig.3 Explosion-proof bodies with different shapes

图4 3种隔爆条件200 μs后级EFP装药的形态Fig.4 Shapes of postpositive EFP charge under three different explosion-proof bodies at 200 μs

2.4 前后级延时间隔的确定

根据设计需要,两级装药最大间距150 mm.表3为此间距下,模拟不同延时间隔T得到的后级EFP性能参数。通过分析不同延时间隔后级EFP成型参数,可以发现后级装药延时20 μs起爆时,后级EFP速度v和长径比L/D最好,为后续串联EFP装药侵彻实验起爆延时的确定提供参考依据。

表3 不同延时条件下后级EFP参数Tab.3 Parameters of postpositive EFP charge at different delay time

2.5 隔爆体与后级装药距离分析

隔爆体与后级装药的距离也是影响隔爆效果的重要因素。图5为前后级起爆延时均为20 μs,隔爆体距后级装药间隔H分别为60 mm、40 mm,后级EFP与隔爆体接触时刻对比图。可以看出H= 60 mm,隔爆体与后级EFP相遇时,聚氨酯泡沫的残留较少,充分发挥了隔爆作用,后级EFP头部速度将因前级爆轰场下降较少;H=40 mm,隔爆体距后级过近,后级EFP与其相遇时,聚氨酯泡沫有过多的残留未飞散,这将干扰后级EFP的形成,头部和尾部的速度都因此下降较多。

图5 隔爆体与后级装药不同间隔接触时刻对比Fig.5 Comparison of contact times under different gaps betweenexplosion-proof body and postpositive charge

根据以上分析结果,根据两级EFP成型的计算结果,本文模拟了在前后级装药间距为150 mm、前后级装药起爆延时20 μs条件下,串联EFP在5种不同位置隔爆体作用下侵彻钢靶的情况,模拟结果见表4.其中:H为隔爆体与后级装药间隔,dmin为最小孔径,Pmax为最大侵彻深度。

表4 不同隔爆间隔串联EFP装药侵彻钢靶仿真结果Tab.4 Simulation results of tandem EFP penetrating intosteel target under different explosion-proof gaps

3 串联EFP侵彻钢靶实验研究

3.1 串联侵彻实验设置

实验采用钝化黑索今作为传爆药柱,进行串联EFP侵彻钢靶实验,起爆方式为8号军用雷管中心起爆。图6为实验的设置图。

3.2 不同隔爆条件下串联EFP侵彻钢靶实验

图6 实验设置Fig.6 Experimental set-up

为了验证隔爆体形状对串联EFP装药侵彻性能的影响规律,同时为数值模拟结果提供事实依据,进行了6发串联EFP侵彻验证性实验。实验分成3组,每组2发,分别对图3(a)～图3(c)中3种条件下不同形状隔爆体进行了串联EFP侵彻钢靶实验,结果如图7所示。

图7 3种不同隔爆体串联EFP侵彻钢靶实验结果Fig.7 Experiment results of tandem EFP penetrating into steeltarget under three different explosion-proof bodies

3.3 不同隔爆间隔串联EFP侵彻钢靶实验

如图8所示,实验主要用于分析隔爆体与后级装药间隔H对串联EFP战斗部侵彻威力的影响规律,选用图3(c)中隔爆体作实验分析。根据前期研究结果,确定两级装药间距为150 mm、前后级起爆延时为20 μs.分别对隔爆体距后级装药20 mm、40 mm、60 mm、80 mm、100 mm 5种情况进行侵彻靶板实验,每组2发取平均值,结果依次记录为T1～T5,实验数据见表5.

表5 串联EFP装药侵彻钢靶实验数据Tab.5 Experimental data of tandem EFP penetrating into steel target

图8 5种不同隔爆间隔串联EFP侵彻钢靶实验结果Fig.8 Experimental results of tandem EFP penetrating into steel target under five different explosion-proof gaps

3.4 实验与数值模拟结果对比分析

通过分析数值模拟和实验结果数据可以看出:

1)图9为隔爆间隔60 mm时,串联EFP侵彻数实验与数值模拟结果对比,对比靶板剖面图可以发现侵彻出的孔洞形状大体上是一致的,可以大致分辨出前后两级EFP的侵彻区域。总体比较来说,后级EFP的侵彻孔型较为细长,这是由于后级装药在小间距条件下,不可避免地受到前级装药爆轰场的影响,速度和长径比都有所变化造成的结果。

图9 H=60 mm时串联EFP侵彻实验与数值模拟结果对比Fig.9 Comparison of experimental and numerical simulation results at explosion-proof gap of 60 mm

2)实验结果表5与数值模拟结果表4进行比较,如图10所示。发现差值中最大为8.5%,平均为3.7%,数值模拟与实验结果吻合性较好。对比发现,随着隔爆体与后级装药间隔的增加,后级装药开孔深度先增加后加少,开孔直径先增加后趋于平稳,说明隔爆结构对串联装药后级侵彻能力影响很大,结构参数的优化十分必要。

图10 数值模拟与实验结果对比Fig.10 Comparison of numerical simulation and experimental results

图11 优化前后串联EFP装药侵彻钢靶结果对比Fig.11 Comparison of the penetrating results of tandem EFP charge against steel target before and after optimization

3)如图11所示,起爆延时20 μs隔爆间隔60 mm时,优化后的串联EFP装药侵彻深度为114.5 mm,而优化前相同装药间距无隔爆体的串联EFP装药侵彻深度仅为95 mm,装药整体侵彻深度提高了20.6%.从图中靶板剖面图可知,两级EFP侵彻各自开孔区域形状十分明显,串联装药前级侵彻深度为40 mm,优化前串联EFP后级装药侵彻深度仅为55 mm,优化后串联EFP后级装药侵彻深度达到74.5 mm,后级装药侵彻能力提高了35%,优化效果明显。

4)通过对比数值模拟与实验结果,得出二者在穿深及孔径分布规律上基本相似。观察对比结果发现,实验中后级装药的开孔直径略小于数值模拟结果值,原因可能是隔爆体残留物会导致后级EFP成型过程中会出现飞散。实验中也发现了在靶板弹孔的入口周围出现了飞散EFP侵彻留下的小坑。这种现象降低了后级EFP装药的利用效率,也是后续研究需要解决的问题。

4 结论

1)通过数值模拟和实验验证相结合的方法,对比分析了不同形状隔爆体对串联EFP后级装药成型性能的影响,得到了此种串联装药隔爆体较好的形状及位置方案,为后续多级战斗部隔爆设计提供了参考依据。

2)开展了两级装药间距150 mm,不同隔爆间隔条件下串联EFP侵彻45#钢靶板实验,发现在隔爆体与后级装药间隔60 mm、延时起爆时间20 μs时,既提高了侵彻深度,又尽可能保证了串联装药开孔直径,后级装药侵彻深度较优化前提高了35%,充分说明了隔爆体参数设置对串联EFP侵彻能力提高的重要性。

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Numerical Simulation and Experimental Study
on Explosion-proof Structure Design of Tandem Shaped Charge

XU Hao-ming,GU Wen-bin,LIU Jian-qing,ZHAO Chang-xiao,XU Wei-you,HU Ya-feng
(College of Field Engineering,PLA University of Science and Technology,Nanjing 210007,Jiangsu,China)

In order to solve the optimal matching issue of penetrating hole depth and aperture on fast perforating into a hunk obstacle,a new tandem shaped charge structure is proposed,which uses two same structures of explosively formed projectile(EFP)shaped charge.The effect of explosion-proof structure on the penetration ability of tandem EFP charge is analyzed by using finite element software,and the associated experiment of tandem EFP penetrating into a steel target is conducted.The results show that the shape of explosion-proof body has an important effect on the penetration ability of postpositive charge of tandem EFP,and the whole penetration depth of optimized tandem EFP and the penetration depth of postpositive charge are increased by 23%and 35%,respectively,greatly improving the efficiency of postpositive EFP charge.

ordnance science and technology;tandem explosively formed projectile;explosion-proof body;structure design;experimental study;numerical simulation

O385

:A

1000-1093(2014)02-0170-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.02.005

2013-05-07

国家科技支撑计划项目(2012BAK05B01)

徐浩铭(1985—),男,博士研究生。E-mail:xuhaoming2012@sina.com;

顾文彬(1962—),男,教授,博士生导师。E-mail:guwenbin1@aliyun.com