带隔板装药的杆式射流成型试验及侵彻特性分析

杨丽，陈闯，张健，相升海（沈阳理工大学装备工程学院，辽宁沈阳110159）



带隔板装药的杆式射流成型试验及侵彻特性分析

杨丽，陈闯，张健，相升海
（沈阳理工大学装备工程学院，辽宁沈阳110159）

摘要：带隔板偏心的亚半球罩装药可形成杆式射流，为研究其成型及侵彻特性，以等质量原则设计了3种偏心的亚半球药型罩，开展杆式射流成型的X光试验及静破甲试验，对比不同变壁厚方式偏心亚半球罩杆式射流的成型形态及侵彻能力，找出了形成最佳杆式射流的药型罩变壁厚。研究结果表明，罩顶和罩口厚、中间薄形状形成杆式射流的杵体小，成型效果最佳，侵彻能力强，孔径均匀。通过理论研究杆式射流的成型参数，获得了杆式射流的速度和质量分布，罩顶和罩口部厚、中间薄形状药型罩形成杆式射流的质量较传统单锥罩提高22%，头部速度提高10%.

关键词：兵器科学与技术；杆流；偏心亚半球罩；隔板；侵彻

0 引言

近年来，新型成型装药结构及其应用研究是国内外弹药领域的热点问题之一。杆式射流［1 -2］（以下简称杆流）作为一种介于爆炸成型弹丸和聚能射流之间的聚能侵彻体，毁伤元具有射流质量大、杵体小、侵彻孔径均匀等特点，适用于多种战斗部，具有良好的发展趋势和应用前景。

Funston等［3］设计了一种由隔板和偏心亚半球药型罩组成的小长径比紧凑型成型装药，能够形成高速杆流。Mattson等［4］将杆流与普通射流的成型及侵彻性能进行了对比，发现杆流装药的炸药能量利用率与药型罩利用率均较高，侵彻孔径更加均匀。国内许多学者对杆流的实际应用进行了大量研究。李伟兵等［5］优化设计了实现杆流与射流转换的双模战斗部。张晓伟等［6］研究了钛合金药型罩装药杆流的成型及侵彻特性。带隔板成型装药改变了装药内爆轰波的传播方向，使得药型罩受到的爆轰载荷变得较为复杂。带隔板装药偏心亚半球罩的变壁厚方式对杆流成型和侵彻特性的影响还有待研究。

本文以等质量原则设计了3种偏心亚半球罩带隔板装药，分别开展了杆流成型的X光及静破甲试验，对比分析了3种结构形成杆流的特点。利用理论和数值模拟研究了杆流的成型特性，获得了杆流的成型效果及成型参数，找出了形成最佳杆流的药型罩变壁厚方式。

1 杆流成型及侵彻试验方法

1. 1 带隔板装药结构

相比于单锥罩，带隔板装药偏心亚半球罩形成的杆流能降低射流的质量堆积点，射流质量占药型罩质量的比例较单锥罩的大。如图1所示，带隔板偏心亚半球罩装药的结构由辅助装药、隔板、主装药和药型罩组成，装药直径Dk= 110 mm.偏心亚半球罩的结构参数包括外壁曲率半径RL、壁厚b、偏心距a；隔板结构参数由直径Dg、张角m、半锥角w控制。

基于正交优化设计方法得到的结果，表明药型罩对杆流成型指标影响较大［7］，因此本文主要比较等质量下等壁厚药型罩与变壁厚药型罩形成杆流的性能。选择隔板的结构参数分别为Dg= 100 mm，m =5°，w =55°.在等质量结构的基础上对药型罩内壁重新设计，遵循等质量原则，通过调整药型罩各部分的壁厚，找出能形成较佳速度分布及较高射流质量的药型罩结构。

图1 带隔板成型装药结构示意图Fig. 1 Schematic diagram of large-scale shaped charge with foam

图2 方案K2和方案K3药型罩结构Fig. 2 Liner structures of K2and K3schemes

等壁厚偏心亚半球罩结构参数为RL= 90 mm，a =39 mm，b =2. 2 mm，记作方案K1.方案K2和K3的药型罩结构如图2所示。K2药型罩为罩顶与罩口厚、中间薄壁形状，罩口部与顶部厚度为3. 8 mm，中间最薄处为1. 53 mm. K3结构药型罩的形状为从罩顶到罩口部逐渐变薄，顶部和口部厚度分别为4. 5 mm、1. 5 mm.

1. 2 杆流的X光成型及静破甲试验布局

采用脉冲X光机拍摄3种带隔板装药结构形成杆流的形态。试验布局如图3所示，包括2个呈45°交汇的X光射线管、成型装药、炸高筒、靶块、2个底片架和2张底片。通过设置两台X光机的出光时间，一次试验获得两张不同时刻的X光照片。试验中利用雷管起爆后产生的电离场触发X光以控制同步起爆，在底片架上设置参考标记以便计算成型参数。

图3 X光试验布局图Fig. 3 X-ray experimental layout

为了验证3种结构带隔板装药的侵彻能力，试验研究了小炸高下杆流对钢靶的侵彻。静破甲试验布置如图4所示。利用8号雷管起爆扩爆药，由扩爆药起爆主装药，试验中靶块采用45号钢。靶板尺寸分别为φ150 mm×150 mm，φ150 mm×500 mm，选择炸高为2. 0Dk和2. 5Dk.

图4 静破甲试验布置图Fig. 4 The layout of penetration experiment

2 结果与分析

2. 1 试验结果

通过试验获得的K1、K2、K33种方案的杆流成型形态如图5所示。X光机的出光时间分别设置为40 μs和50 μs.由于第2个时刻杆流较长，底片长度有限，因此仅用1张底片拍摄杆流的头部和中部位置，以便于测量杆流头部速度。

图5 杆流成型形态的试验结果Fig. 5 Experimental results of rod-like jet formation

从各方案形成的毁伤元形态来看，方案K2形成的杆流杵体较其他两种方案的小得多。将X光底片数字化后，根据放大系数可以计算出杆流的成型参数。

各方案侵深试验结果如表1所示。由于破甲存在不稳定性，每种工况至少进行3发试验，最终取试验样本有效结果的平均值。

比较表1中结果可看出，方案K2的侵彻深度最大，方案K3的侵彻深度最小，罩顶与罩口厚、中间薄壁形状的药型罩形成杆流侵彻性能得到显著提升。表2为侵彻孔径的试验结果，方案K2孔径最均匀，方案K3的入口孔径最大，射流的能量用于扩孔较多。图6为方案K2在2. 0Dk下靶块的开孔孔径，孔径均匀，侵彻结果表明，带隔板变壁厚偏心的亚半球罩装药具有比传统射流侵彻孔径大且更加均匀的优点。

表1 侵彻深度试验结果Tab. 1 The experimental results of penetration depth

表2 侵彻孔径试验结果Tab. 2 The experimental results of penetration hole diameter

图6 靶板入孔与出孔效果Fig. 6 The penetration hole on target

2. 2 杆流成型特性的理论分析

为进一步分析带隔板装药杆流成型特性，利用改进的PER理论，并结合文献［5］中超压爆轰波压垮区的药型罩压垮速度计算方法，得到3种装药结构形成杆流的过程，对比杆流的速度分布与质量分布。

根据坐标变换可得到射流的速度υ［8］为j

式中：υ为药型罩的绝对压垮速度；β0为药型罩的绝对压垮角；α1为药型罩微元切线与轴线的夹角；δ为药型罩微元压垮过程中绝对偏转角。

药型罩微元压垮过程中极限偏转角通过泰勒公式的非定常形式确定：

式中：u为爆轰波扫过药型罩的速度；υ0为药型罩的极限压垮速度；τ0为药型罩加速度的时间常数。

式中：ε为爆轰波法线与药型罩切线的夹角，可以根据几何关系获得；Dcj为炸药的爆速。

药型罩微元的绝对偏转角可以表示为

式中：T为爆轰波到达药型罩微元x处的时间。药型罩的压垮角可以表示为

式中：R为药型罩的初始半径；l为药型罩在t时间内运动的距离；tc为药型罩碰撞到轴线处的时刻。

考虑到药型罩环形单元的质量为mi，当微元被压垮到轴线，被分裂成了质量为mj的射流单元和质量为ms的杵体单元。根据碰撞点处的质量守恒方程和动量守恒方程，可以得到射流质量为

mi可以表示为

式中：ρL为药型罩的密度；b为药型罩的厚度。

图7为3种方案形成射流质量随药型罩位置的变化曲线，x表示药型罩微元从罩口部到罩顶部的变化。当x在0～40 mm范围内时，方案K3形成射流的质量最高，而方案K2最低，但各方案差距较小；当x在40～67 mm范围内变化时，方案K2形成射流质量显著高于其他两种方案。3种方案药型罩的原始质量均为320 g，对图7中各曲线进行积分处理，得到3种方案射流质量分别为162. 7 g、188. 1 g、145. 2 g.图7中还与等高度、等壁厚的传统单锥罩形成射流的质量进行了对比，方案K2的射流质量较传统单锥罩提高了22%.

图7 射流质量分布图Fig. 7 The curves of jet mass distribution

图8为3种方案在炸高为2. 0Dk处杆流速度分布曲线，还给出了等高度、等壁厚的传统单锥罩形成射流的速度分布。方案K2形成射流的头部速度最高，动能最大。综合分析射流质量及速度两方面性能，K2方案成型效果最好。

图8 射流速度分布图Fig. 8 The curves of jet velocity distribution

2. 3 杆流成型参数理论、数值模拟与试验结果的对比

为了验证理论计算和试验获得的杆流速度和长度等成型参数的准确性，利用Autodyn软件数值模拟了3种方案杆流的成型过程，并提取数值模拟结果。仿真模型如图9所示，图中还给出了绕爆后爆轰波形的传播。

数值模拟采用Euler算法解决药型罩在爆轰产物作用下的大变形问题。由于本文采用的隔板装药，起爆方式设置为间接路径起爆，使得爆轰波经过隔板后自动绕开。计算中采用8701炸药，药型罩材料选择紫铜，隔板材料选择酚醛树脂，各材料模型及参数见文献［9］。

图9 仿真模型及爆轰波形的传播Fig. 9 The simulation model and detonation wave

数值模拟得到的3种方案杆流成型形态如图10所示。图10（a）～图10（c）分别代表方案K1、K2和K3.从图10中可以明显看出，方案K1和K3的杵体较大，射流质量占总药型罩质量较少，而方案K2的射流质量最大，方案K2对药型罩材料的利用率最高，这与理论计算得到的量化结果相一致，验证了理论计算的正确性。对比图10中各方案毁伤元成型的仿真结果与图5中的试验结果，成型形态吻合较好。

图10 杆流成型形态的数值模拟结果Fig. 10 The simulated results of rod-like jet formation

利用Autodyn后处理功能提取杆流的成型参数，并将X光底片数字化后根据放大系数获取试验得到的杆流成型参数，最终与理论计算获得的杆流成型速度、长度进行对比。表3列出了杆流成型参数的理论、仿真与试验结果，结果表明方案K2成型效果最佳，理论计算与仿真、试验的结果相吻合，误差在10%以内，基本满足工程计算需求。

表3 杆流成型参数理论计算、仿真与试验结果的对比Tab. 3 Comparison of theoretical，simulation and experimental results of rod-like jet formation parameters

3 结论

1）利用X光试验研究了带隔板装药杆流的成型过程，对比了等壁厚（方案K1）、罩顶和罩口厚及中间薄（方案K2）、罩顶到罩口逐渐变薄（方案K3）3种结构药型罩形成杆流的形态和成型参数。结果表明，方案K2结构杆流的杵体较小，头部速度最高，成型效果最佳。通过静破甲试验获得了方案K2结构形成杆流的侵彻能力最强，侵彻孔径大且均匀。

2）基于改进的PER理论计算了杆流的质量和速度分布，并与等壁厚等高度传统单锥罩进行比较。对比可得罩顶和罩口厚、中间薄形状药型罩形成射流的质量较传统单锥罩提高了22%，头部速度提高了10%.数值模拟研究了3种方案形成杆流的形态及成型参数，方案K2的射流质量最大、头部速度最高，其对药型罩材料的利用率最高。理论计算、数值模拟与试验结果吻合较好。

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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

中图分类号：O383

文献标志码：A

文章编号：1000-1093（2016）04-0621-06

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

收稿日期：2015-05-22

基金项目：国家自然科学基金项目（51205052）；辽宁省教育厅科学研究项目（L2015469）；沈阳理工大学重点实验室开放基金项目（4771004kfs26）

作者简介：杨丽（1980—），女，副教授，博士。E-mail：yangli. 024@163. com