高效聚能战斗部对圆柱壳靶板毁伤效应研究

詹发民，周方毅，王兴雁，姜 涛

(海军潜艇学院，山东 青岛266042)

高效聚能战斗部对圆柱壳靶板毁伤效应研究

詹发民，周方毅，王兴雁，姜 涛

(海军潜艇学院，山东 青岛266042)

对一种圆锥、球缺组合药型罩高效聚能战斗部展开研究。分析其作用机理，建立该战斗部侵彻圆柱壳靶板的力学物理模型，进行数值模拟计算。研究表明，该战斗部利用聚能射流能为后续EFP弹丸随进破坏提供运动空间，增强对目标的破坏效应。

聚能战斗部;圆柱壳;毁伤效应;爆炸成型弹丸

0 引言

现代舰艇大多采用高强度合金钢作为壳体，其抗爆炸冲击能力大幅提高。即使普通爆破型战斗部命中该目标后，也很难对其造成毁灭性的打击［1－2］。因此有必要研制新型战斗部，提高其破坏威力，而聚能战斗部是一个理想的选择。一般情况下，大部分聚能装药战斗部通过聚能射流或爆炸成型弹丸 (EFP)［3－4］对目标进行破坏，破孔尺寸较小，毁伤效果受到一定的影响。基于此，本文采用一种新型药型罩结构设想应用于鱼雷战斗部。战斗部采用圆锥与球缺组合药型罩结构［5］，利用前级聚能射流为后续EFP弹丸开辟通道，减小弹丸运动阻力，从而提高聚能战斗部的破坏威力。利用有限元软件ANSYS/LS－DYNA展开数值模拟计算，得到期望的效果。

1 结构原理

高效聚能战斗部主要由起爆装置 (雷管)、传爆药柱、主装药、组合药型罩、空腔等组成，其结构如图1所示。其中，组合药型罩由锥形罩与球缺罩复合而成。空腔主要用于为装药提供炸高，提高其破坏效能。该聚能战斗部将普通药型罩改变成组合药型罩，分别由后续主药型罩 (球缺罩)和前级副药型罩(锥形罩)组成。其中，前级副药型罩主要用于形成金属射流对目标进行开孔作业，后续主药型罩用于形成EFP弹丸破坏目标。其作用原理是：当引信动作后，首先引爆传爆药柱，然后使主装药爆轰。前级药型罩在炸药的爆炸作用下，产生压垮运动，其上部形成的高速射流首先完成对目标的穿孔破坏作业。随之，前级药型罩底部在压合作用下与后续主药型罩碰撞复合形成EFP弹丸。低速弹丸在射流拉动下快速成形并加速，完成对目标的二次侵彻作用［6］。由于前级副药型罩的作用能够为后续的EFP弹丸随进破坏提供运动空间，可减少穿孔能量的损耗，能提高装药的利用率，因此有利于对目标的破坏。

图1 高效聚能战斗部结构示意图Fig.1 Sketch map of shaped charge warhead model

2 数值模拟

2.1 物理模型

建立高效聚能战斗部水中接触爆炸圆柱壳靶板的力学物理模型，如图2所示。

图2 计算模型示意图Fig.2 Sketch map of simulation model

所建战斗部模型中，装药直径为30 cm，装药高度为40 cm;组合药型罩材料为紫铜;锥形罩厚度为0.2 cm，半锥角为30°，罩高10 cm;球缺罩厚度为0.8 cm，曲率半径为15.5 cm;炸高 (空气部分)取30 cm。由于模型是轴对称的，为减小计算量，建模时取 1/4模型，采用 cm-g-μs单位制［7］。利用大型有限元程序 (ANSYS/LS－DYNA)中的SOLID164六面体单元分别对炸药、药型罩、靶板、水、空气进行网格划分。其中，炸药、药型罩、水、空气均采用欧拉网格划分，单元使用多物质ALE算法，靶板采用拉格朗日网格划分。

2.2 材料参数

1)炸药选用B炸药，密度为1.724 g/cm3，爆速为8 080 m/s，装药量为36 kg。炸药爆轰产物的状态方程采用JWL方程，其公式如下：

式中：A，B，ω，R1，R2为JWL方程参数;E和V分别为爆轰产物的内能和体积。

2)水的密度取1.025 g/cm3。水冲击压缩时，采用GRUNEISEN状态方程，其公式如下：

水膨胀过程的状态方程为：

式中：C为μs－μp曲线的截距;E为单位体积内能;ρ为密度;ρ0为初始密度;S1，S2，S3为 μs－ μp曲线斜率的系数;γ0为GRUNEISEN状态方程参数;α为对一阶体积的修正。

3)空气采用LS－DYNA3D程序中的NULL材料模型，密度取0.001 25 g/cm3。状态方程采用气体状态方程模拟：

式中：P2为气体压力;γ为气体绝热指数;ρ为密度;ρ0为初始密度;E0为气体体积比内能。

4)药型罩材料为紫铜，密度为8.96 g/cm3，剪切模量为47.7 GPa，泊松比为0.34;靶板采用合金钢，密度为7.83 g/cm3，杨氏模量为210 GPa，泊松比为0.28。

药型罩和靶板均采用Johnson－Cook本构方程，其公式如下：

式中：σy为材料应力;A，B，C，N，l，m为材料常数;为有效弹性应变。

2.3 计算结果

1)工况1

首先，目标选取为厚度为4 cm、直径为3 m的圆柱壳靶板 (含30 cm厚，8 cm宽的内肋骨)。当高效聚能战斗部恰好命中肋骨所在位置时，其模拟结果分别如图3～图5所示。

图3 对厚度为4cm的圆柱壳靶板外部毁伤模拟结果Fig.3 Simulation result of damage effect to outside of columniform hull which thickness is 4cm

图4 对厚度为4cm的圆柱壳靶板内部毁伤模拟结果Fig.4 Simulation result of damage effect to inside of columniform hull which thickness is 4cm

图5 对厚度为4cm的圆柱壳靶板外部毁伤局部放大图Fig.5 Simulation result of damage effect to outside of columniform hull which thickness is 4cm(partial enlarge diagram)

由结果可知，该战斗部对4 cm厚圆柱壳靶板的入口毁伤直径仍为60 cm，出口毁伤直径为57.4 cm，相当于2倍的战斗部直径;并且，8 cm宽、30 cm厚的内肋骨被切断，切口长度为57.4 cm。可见，该战斗部能轻而易举地毁伤厚度为4 cm的圆柱壳靶板。

图6 穿透靶板后的剩余速度曲线图 (单位：cm/μs)Fig.6 Graph of residual velocity of shaped charge jet after performing target(unit：cm/μs)

图7 破片飞散速度曲线图 (单位：cm/μs)Fig.7 Graph of flying velocity of fragment

分析该聚能战斗部对厚度为4 cm的圆柱壳靶板的毁伤模拟的时间历程曲线可知：战斗部所形成的聚能射流在穿透4 cm厚壳体与30 cm厚的肋骨后的剩余速度仍能超过500 m/s，所形成的破片飞散速度约90 m/s，分别如图6～图7所示。剩余速度仍然较大，说明该战斗部仍存在继续破坏的能力。靶板破片飞散速度后期出现突然跃升，速度增至110 m/s，分析可能与EFP弹丸的高速碰撞有关。无论是弹丸还是破片，由于其具有较大的剩余速度，将对目标内部设备和人员造成进一步的致命毁伤。

2)工况2

目标选取为厚度为8 cm、直径为3 m的圆柱壳靶板 (含30 cm厚、8 cm宽的内肋骨)。当高效聚能战斗部恰好命中肋骨所在位置时，其模拟结果分别如图8～图10所示。由结果可知，该战斗部对8 cm厚圆柱壳靶板的入口毁伤直径仍为56 cm，出口毁伤直径为51.5 cm，相当于1.7倍的战斗部直径;并且，8 cm宽、30 cm厚的内肋骨被切断，切口长度为51.5 cm。总体来看，毁伤效果略小于4 cm厚的靶板，但相差不大。数值模拟结果符合随着厚度增加，抗爆炸冲击性能增加的基本认知。可见，该战斗部也能有效毁伤厚度为8 cm的圆柱壳靶板。

图8 对厚度为8 cm的圆柱壳靶板外部毁伤模拟结果Fig.8 Simulation result of damage effect to outside of columniform hull which thickness is 8 cm

图9 对厚度为8 cm的圆柱壳靶板内部毁伤模拟结果Fig.9 Simulation result of damage effect to inside of columniform hull which thickness is 8 cm

图10 对厚度为8 cm的圆柱壳靶板内部毁伤局部放大图Fig.10 Simulation result of damage effect to inside of columniform hull which thickness is 8 cm(partial enlarge diagram)

3 结语

本文通过建立圆锥、球缺组合式变锥角聚能战斗部水中接触爆炸圆柱壳靶板的力学物理模型，并利用大型有限元软件LS－DYNA进行数值模拟计算，得出其应力分布和速度曲线图。运用理论分析和数值模拟等方法展开研究，结果表明该结构产生的聚能射流能为后续EFP弹丸随进破坏提供运动空间，增强对目标的破坏效应，能有效破坏厚度为8 cm的圆柱壳靶板。下一步应通过大量的数值模拟和试验研究，对组合药型罩聚能鱼雷战斗部展开结构优化设计，并展开该战斗部对带含水夹层圆柱壳靶板的数值模拟与试验研究，为高效聚能鱼雷战斗部结构的合理设计提供理论和试验支持。

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Research on damage effect of high-powered shaped charge warhead to columniform hull target

ZHAN Fa-min，ZHOU Fang-yi，WANG Xing-yan，JIANG Tao
(Navy Submarine Academy，Qingdao 266042，China)

A kind of tapered and spherical combined liner shaped charge warhead is researched，and the damge mechanism is analyzed．The physics modle of warhead to columniform hull target is build，numerical simulation is done．The result shows that the shaped charge jet formed by this structure can provide movement space，which improving the damage effect to target．

shaped charge warhead;columniform hull;damage effect;explosively formed;projectile(EFP)

TJ630;TJ760．31

A

1672－7649(2014)06－0073－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.06.014

2012－12－24;

2013－05－28

詹发民(1970－)，男，副教授，研究方向为水下爆破与水下特种作战。