基于夹层装药的水下EFP成型影响因素分析

冯 炜, 李 恒*, 刘海晓, 赵 江, 焦俊杰

基于夹层装药的水下EFP成型影响因素分析

冯 炜1, 李 恒1*, 刘海晓1, 赵 江1, 焦俊杰2

(1. 海军研究院, 北京, 100073; 2. 南京理工大学 机械工程学院, 江苏 南京, 210094)

为了研究夹层装药结构对水下爆炸成型弹丸(EFP)成型过程的影响规律, 运用AUTODYN软件对不同夹层装药结构的EFP水下成型过程进行了数值仿真与分析, 分析结果表明: 随着水介质中空气炸高的增大, 夹层装药的成型速度和长径比逐渐增大, 随着外层装药顶部宽度的增大, 药型罩设置处各高斯点的压垮速度差减小, 成型速度衰减较缓慢, 在水介质的影响下, 其长径比越来越小。在水介质中采用夹层聚能装药可以减少水介质对EFP成型过程的影响, 提高EFP的成型速度，改善成型姿态。文中工作可为提高EFP水中爆炸威力提供参考。

水下爆炸; 爆炸成型弹丸; 夹层装药; 数值仿真

0 引言

随着海军舰艇和潜艇的材料及结构设计技术的不断发展, 其防护能力不断增加, 普通鱼雷已难以对这些目标造成重大毁伤。聚能战斗部因其能量集中、装药利用率高的优点, 在水中兵器领域的应用研究越来越深入[1-3]。姜鑫圣[4]、步相东[5]、杨莉[6]和杨世昌[7]等分别从药型罩类型、结构、形状和成型方式等方面对爆炸成型弹丸(explosi- vely formed projectile, EFP)在水中运动和对靶板的侵彻性能进行了仿真。周方毅等[8]近一步研究了不同药型罩形成的射流在水中开辟的通道对后续弹丸阻力形成的影响。杨莉[9]和曹兵[10]等利用脉冲X光高速摄影技术获得了不同结构的EFP在水中的飞行特性。王海福等[11]通过数值仿真和实验研究了聚能装药水下作用行为, 得出聚能装药的成型过程及其结构是影响水下作用行为的决定性因素。张先锋[12]、潘建[13]和李玉品[14]等研究得出夹层装药形成的超压爆轰可大幅提高EFP的成型速度、长径比和密实度, 并进一步增强EFP装药的侵彻威力。曹鑫等[15]对不同结构夹层装药的EFP结构进行了设计及仿真分析, 研究结果表明, 夹层装药结构可增大EFP的成型速度, 改善成型姿态并提高其长径比, 但是对于水介质对该装药结构成型的影响缺乏研究。文中利用AUT- ODYN有限元软件对不同夹层装药结构的EFP成型过程进行分析, 获得不同夹层装药结构EFP水中成型影响规律, 为夹层装药EFP装药结构在水中兵器的应用设计提供理论和技术支持。

1 模型建立

1.1 装药结构设计

为对比不同夹层装药结构下水中EFP的成型过程, 使用与文献[15]相同的夹层装药结构, 采用球缺型药型罩, 药型罩厚度3 mm, 装药口径0=60 mm, 药型罩口径=50 mm, 并保持装药高度(50 mm)和外层装药的口部长度1=5 mm不变, 内层采用低爆速炸药, 外层采用高爆速炸药, 依据外层装药顶部宽度的不同来改变夹层装药的装药结构, 并设置不同的起爆方式研究装药结构对药型罩成型过程的影响, 其结构如图1所示。

图1 EFP夹层装药结构图

1.2 仿真计算模型

EFP成型过程是一种多物质相互作用的大变形运动过程, 文中采用非线性动力学仿真软件AUTODYN-2D中的Euler算法仿真计算药型罩的压垮和成型过程。

药型罩材料为高导无氧铜(CU-OHFC), 密度为8.96 g/cm3, 采用Shock状态方程以及Steinberg- Guinan强度模型; 选用材料库中HMX-TNT和HMX炸药作为高爆速炸药和低爆速炸药, 其密度为分别为1.776 g/cm3和1.891 g/cm3, 采用JWL状态方程。本构关系为High_explosive_burn; 水选用材料库中Shock状态方程, 空气采用Null本构方程和Gruneisen状态方程, 避免压力在边界面反射, 在整个空气计算域的外表面定义无反射边界。为了对比不同夹层装药结构水中成型过程, 具体的装药结构参数如表1所示, 仿真结构如图2所示。

表1 不同EFP夹层装药结构及参数

图2 EFP夹层装药成型仿真模型

2 仿真结果及分析

为对比不同炸高、装药结构及起爆方式对EFP成型的影响, 对不同结构进行了仿真, 70 μs的仿真结果见表2所示。

由表2可知, 当EFP在水中成型时, 由于水介质的影响, EFP的速度、长径比和成型过程有很大的改变。当采用不同的起爆方式(结构1和结构2)时, 点起爆的聚能装药成型速度小于面起爆的成型速度, 并且在水中不同空气炸高下面起爆聚能装药的成型姿态优于点起爆的成型姿态。而对于不同夹层装药的外层装药顶部宽度不同时(结构2、结构3和结构4)在空气中的成型速度大于水中1倍空气炸高的速度, 小于水中2倍空气炸高的速度, 同时EFP在水中的长径比明显小于空气中的长径比, 并随水中空气炸高的增大而增大。在所有结构中, 结构2在水中的飞行速度、长径比和成型姿态优于其他结构, 这与空气中EFP的成型过程有很大的不同, 在水介质的影响下, 改变了EFP的成型过程，为了进一步说明水介质对EFP成型过程的影响, 对结构2药型罩中不同药型罩的部位设置高斯点观测其成型速度, 如图3所示。

表2 不同夹层装药结构EFP成型仿真结果

从图3可知, 在空气中, EFP成型过程中受到的阻力较小, 药型罩设置的高斯点4、5和6速度衰减比较慢, 导致长径比相对于水中较大。而对于在水中1倍空气炸高EFP成型时, 由于炸高相对较小, 药型罩设置的高斯点4、5和6在成型过程中受水的阻力影响较大, 速度衰减较快, 影响了EFP的拉伸过程, 使其长径比相对较小。随着炸高的增大, EFP的成型时间变长, 水介质对其成型过程的影响会减小, 使得水中2倍空气炸高EFP的长径比介于EFP在空气中成型和水中1倍空气炸高之间。结构3和结构4由于头部成型的速度和尾部成型的速度差相对较小(见图4), 在水介质的影响下不能完全成型, 导致其成型姿态和长径比与空气中有很大差别。因此, 在设计水中EFP 战斗部结构时, 需要考虑水介质对其成型过程的影响, 尤其是头尾部的成型速度是重点考虑因素。

图3 夹层装药结构2 EFP成型过程高斯点的速度曲线

图4 夹层装药结构3和结构4的EFP在空气中成型过程中高斯点的速度曲线

3 结束语

文中针对不同夹层装药结构在空气和水中不同炸高下的EFP成型过程进行了仿真, 结果表明: 随着水介质中空气炸高的增大, 夹层装药的成型速度和长径比增大; 对于不同的夹层装药结构, 在水介质的影响下, EFP设置的高斯点速度差减小, 改变其EFP的压垮和拉伸过程; 在水介质中, 采用夹层聚能装药结构可以减少水介质对EFP成型过程的影响, 提高EFP成型速度, 改善EFP成型姿态, 可为提高EFP在水中的毁伤威力提供参考。

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Analysis of Influencing Factors of Underwater EFP Forming Based on Sandwich Charge

FENG Wei1, LI Heng1*, LIU Hai-xiao1, ZHAO Jiang1, JIAO Jun-jie2

(1. Naval Equipment Research Institute, Beijing 100073, China; 2. School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

To study the influence of a sandwich charge structure on the underwater explosively formed projectile(EFP) forming process, a numerical simulation and analysis of an underwater EFP forming process of different sandwich charge structures were conducted using AUTODYN. With an increase in the air blast height in water, the forming speed and aspect ratio of the composite charge increased, and with an increase in the top width of the outer charge, the crushing speed difference at each Gaussian point of the charge hood decreased and the forming speed dropped gradually. Under the influence of water, the aspect ratio became increasingly smaller. A sandwich charge in water can reduce the influence of water on the EFP forming process and improve the EFP forming speed and posture. This study provides guidance for improving the power of EFPs in water.

underwater explosion; explosively formed projectile; sandwich charge; numerical simulation

冯炜, 李恒, 刘海晓, 等. 基于夹层装药的水下EFP成型影响因素分析[J]. 水下无人系统学报, 2022, 30(3): 338-341.

TJ630; TJ410.3; O385

A

2096-3920(2022)03-0338-04

10.11993/j.issn.2096-3920.2022.03.009

2022-02-28;

2022-05-05.

冯 炜(1988-), 男, 博士, 助理研究员, 主要研究方向为武器系统与运用工程.

通信作者简介:李 恒(1982-), 男, 博士, 副研究员, 主要研究方向为武器系统与运用工程.

(责任编辑: 杨力军)