数值模拟研究屏蔽板厚度对杆式射流冲击屏蔽炸药过程的影响

蒋文灿，傅 丹，梁 斌，卢永刚

(1 中国工程物理研究院总体工程研究所，四川 绵阳 621999；2 火箭军装备部装备项目管理中心，北京 100085)

0 引言

随着钻地弹、反舰导弹等厚壳体低易损弹药的大量装备,对深层地下指挥中心、航母等高价值平台形成了严重的威胁。这类目标通常具有坚固的外壳体,一般采用超高强度钢(如G50高强度合金钢),且壳体较厚。传统的反导弹药以小质量破片为主要毁伤元,但由于截面能量密度较小,较难对这类目标形成有效毁伤。金属射流具有高温、高压、高能量密度等特点,具有较强的破甲性能和冲击引爆性能,有望成为未来反厚壁低易损弹药的毁伤元。

聚能射流在屏蔽板遮挡下冲击屏蔽炸药过程已有大量研究[1-5]。早期Held[6]针对射流冲击裸装炸药进行了大量试验研究,并提出了著名的Held判据,即v2d为常数。对于屏蔽炸药的起爆,之后更多的报道集中在聚能射流、长杆、破片或者飞片对薄壁屏蔽炸药的冲击起爆过程研究[7-9]。目前,对屏蔽炸药的冲击起爆主要报道了两种机制,一种为前驱冲击波起爆[10],一种为射流穿透屏蔽板后直接冲击炸药起爆[11]。宋乙丹等[12]研究了PBX-1和PBX-2两种炸药在射流撞后的引爆结果,分析表明对于聚能射流引爆覆盖板的炸药,隔板厚度不同,射流起爆炸药的过程也不同,当隔板较薄时,产生的前驱波能量足够强,炸药在射流未到达时已被前驱波起爆,而随着隔板厚度增加,当隔板厚度大于临界板厚度时,前驱波将不能引爆炸药,炸药只会产生局部的慢反应或射流的侵彻使药柱发生破坏。康浩博等[13]研究了杆式弹对厚壁壳体装药冲击起爆机制,结果表明弹体以临界着速起爆装药时,存在两种装药起爆机制,即弹体贯穿壳体后的宏观剪切起爆和未贯穿壳体的低速冲击起爆,且机制随着弹体着速在临界着速以上继续提高会发生转变,最终均会转变为高速冲击起爆机制。

随着屏蔽板厚度的增加,射流的能量会受到屏蔽板作用而衰减,同时射流冲击屏蔽板也将在屏蔽板中产生冲击波,以及屏蔽板与屏蔽炸药的分界面会因为射流冲击,导致屏蔽板的分界面运动并压缩屏蔽炸药。在以上3个因素共同作用下,导致了屏蔽炸药受射流的冲击响应过程变得非常复杂。而目前针对不同屏蔽厚度下(特别是厚屏蔽装药)的射流冲击起爆过程以及在不同屏蔽板厚度下起爆方式的转变研究相对不足,因此基于数值模拟计算,开展了在不同屏蔽板厚度时射流冲击并起爆屏蔽炸药过程的研究。

1 研究方法

1.1 聚能装药结构

数值模拟计算采用ALE算法,参考文献[14]中采用的K型装药结构(对隔板直径和装药材料进行了调整),文中主要研究K型装药结构形成的杆式射流对不同屏蔽板厚度下屏蔽炸药的起爆过程,不考虑该K型装药结构能形成的杆式射流最大速度以及最佳能量利用率等性能参数。装药结构见图1,装药口径D为110 mm,其中药型罩采用偏心亚半球罩。装药采用JH-2炸药,隔板采用酚醛树脂材料,药型罩采用紫铜材料。

图1 K型装药结构Fig.1 Design of K-charge

1.2 数值模拟计算模型及方法

为了对比不同屏蔽板厚度时射流对屏蔽炸药的冲击起爆过程,按以下步骤进行数值模拟计算。

步骤一,对K型聚能装药结构形成的射流进行计算并与相关文献报道的试验数据进行对比。装药、药型罩以及隔板均采用ALE算法,采用顶部起爆方式起爆装药,网格尺寸为0.05 mm。

步骤二,在射流头部快到达屏蔽板时结束计算,通过*INITIAL_ALE_MAPPING关键词,将上一步计算得到的射流映射到不同屏蔽板厚度的网格中(图2),这样可以细化网格尺寸,当前数值模拟计算的射流通路网格尺寸为0.05 mm,屏蔽炸药采用的网格尺寸为0.05 mm,屏蔽板与屏蔽炸药的交界面附近的网格尺寸为0.05 mm,其他尺寸为0.1 mm。屏蔽炸药为PBXN-109,屏蔽板采用G50钢,炸高为275 mm(2.5D),通过改变屏蔽板的厚度,研究在不同屏蔽板厚度时聚能射流对屏蔽炸药的起爆过程。屏蔽板采用Lagrange算法,其它结构均为ALE算法。

图2 经映射的杆式射流冲击屏蔽炸药Fig.2 Rod jet formed by grid mapping impacts the covered harge

步骤三,增加屏蔽板厚度并对射流冲击屏蔽炸药过程进行分析,屏蔽板厚度按照0.1D厚度递增(从裸装炸药开始数值模拟计算),直到射流不能起爆屏蔽炸药。屏蔽板的初始厚度选择0.1D(即11 mm)[15],即当δ1/d<3(其中δ1为靶板厚度,d为射流直径)时,对于5～8 km·s-1的铜或钢聚能射流作用下产生的前驱冲击波,足以在dkp≤5d的炸药中引发爆轰,数值模拟计算得到的射流直径为6 mm,因此能够通过前驱波引爆30 mm屏蔽板厚的炸药。

主装药采用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型和JWL状态方程描述。屏蔽炸药采用PBXN-109,采用三点式点火增长模型计算起爆过程,其CJ压力为22 GPa,即当压力达到22 GPa时,屏蔽炸药达到了稳定爆轰传播条件,表明屏蔽炸药已被起爆。药型罩采用紫铜材料,运用JOHNSON-COOK材料模型和GRUEISEN状态方程描述;屏蔽版采用G50材料,运用JOHNSON-COOK材料模型和GRUEISEN状态方程描述;空气采用MAT_NULL空材料模型描述,数值模拟计算材料参数参考文献[16-20]。

2 数值模拟计算模型参数检验

图3为60 μs时射流侵彻靶板前的形态和速度分布。分析发现射流头部最大速度为6 486 m·s-1,文中数值模拟计算结果与试验结果[14]对比见表1,分析发现,文中计算的40 μs时射流头部速度(6 556 m·s-1)与文献[14]中试验获得的射流头部速度(6 545 m·s-1)符合较好,偏差为0.2%。图4为40 μs时射流形态数值模拟计算结果与试验结果[14]对比,两者符合较好。

表1 40 μs时文中数值模拟计算结果与试验结果[14]对比Table 1 Numerical simulation results in this paper compared with experiment results[14] at 40 μs

图3 60 μs时射流形态与速度分布Fig.3 Jet shape and velocity distribution at 60 μs

图4 40 μs时射流形态Fig.4 Jet shape at 40 μs

3 屏蔽板厚度对杆式射流冲击起爆屏蔽炸药的影响

基于数值模拟计算结果,对不同屏蔽板厚度下的聚能射流起爆屏蔽炸药过程进行分析,研究发现随着屏蔽板厚度增加,射流冲击起爆屏蔽炸药过程出现了两种明显不同的机制。

3.1 前驱波和压缩波起爆

首先分析前驱波起爆屏蔽炸药的情形。根据数值模拟计算,射流在到达屏蔽板时头部直径d为6 mm,因此首先分析屏蔽板厚度H<18 mm时射流起爆屏蔽炸药过程。当屏蔽板厚度为11 mm(1.83d),69.9 μs时,冲击波已到达屏蔽板,但此时屏蔽炸药并没有被起爆。在71.9 μs时,射流虽然没有完成穿透屏蔽板,但压缩波已经到达屏蔽板与屏蔽炸药的交界面,导致交界面变形并压缩屏蔽炸药,之后在冲击波和压缩波的联合作用下,屏蔽炸药中产生了弯曲波,弯曲波波阵面压力最高达到19.8 GPa。在72.6 μs时,弯曲波发展为爆轰波,屏蔽炸药已被起爆,波阵面压力为22.1 GPa。在74.8 μs时爆轰波阵面压力达到26.4 GPa,表明屏蔽炸药已被完全起爆。分析发现,射流在并未完全穿透屏蔽板时,就在屏蔽炸药中产生了弯曲波并进一步起爆屏蔽炸药。图5为射流冲击起爆屏蔽炸药过程示意图。

图5 屏蔽板厚度为1.83d(0.1D)时射流冲击起爆屏蔽炸药过程Fig.5 Process of jet initiate the shield charge at the thickness of shield plate is 1.83d(0.1D)

进一步分析屏蔽板厚度为66 mm(11d)时射流对屏蔽炸药的冲击起爆过程,如图6所示。分析发现,在90.5 μs时,此时射流并没有完全穿透靶板,但同样在屏蔽炸药中产生了弯曲波。在91.4 μs时,射流穿透屏蔽板并冲击屏蔽炸药,可以看到射流冲击炸药时,在头部也产生了较高的压力(压力峰值为24.2 GPa),但此时弯曲波已进一步发展成为爆轰波,弯曲波波阵面最高压力达到24.6 GPa。另外,分析对称轴线处射流冲击屏蔽炸药时与屏蔽炸药爆轰波阵面的距离发现,在屏蔽板厚度为11d时的距离(12.0 mm)相比1.83d(9.5 mm)时更大。炸药的冲击起爆距离L随着冲击波压力P增加而减小[21],且满足：

图6 屏蔽板厚度为11d(0.6D)时射流冲击起爆屏蔽炸药过程Fig.6 Process of jet initiate the shield charge at the thickness of shield plate is 11d(0.6D)

lgL=A+BlgP

(1)

因此屏蔽炸药的冲击起爆距离随屏蔽板厚度增加而增大,表明屏蔽板厚度增加会进一步衰减射流冲击屏蔽板时作用在屏蔽炸药上的冲击波压力并导致冲击起爆距离增大。随着屏蔽板厚度增加,射流对屏蔽炸药的冲击起爆距离也随之增加,表明对于射流冲击起爆厚壁炸药过程,屏蔽板的厚度将对冲击起爆距离产生较大影响,因此需要合理匹配设计的装药尺寸,以使射流能够起爆屏蔽炸药。

另外,随着屏蔽板厚度逐渐增大,在屏蔽炸药过程中存在两种起爆过程,分别为前驱波起爆或压缩波起爆和射流冲击起爆。但对于PBXN-109炸药,较难分辨出是否由前驱波起爆或者压缩波起爆。因为尽管在射流冲击屏蔽板时,屏蔽炸药中产生了压力较高的冲击波和压缩波,但由于两种作用时间相差较小,而冲击波作用在屏蔽炸药时,并没有立即使炸药起爆,而是相隔很短时间后压缩波作用在交界面并压缩交界面附近的屏蔽炸药,屏蔽炸药中的压力进一步增加,并在屏蔽炸药中传播一定距离后达到PBXN-109的CJ压力。

3.2 射流冲击起爆

进一步分析射流对厚屏蔽板下屏蔽炸药的起爆过程,图7为屏蔽靶板厚度为34.8d(1.9D)时射流冲击起爆屏蔽炸药过程。分析发现,射流在159.0 μs时接近屏蔽板端面,但并没有在屏蔽炸药中产生较高的压力。而在162.5 μs时射流穿透屏蔽板,并直接冲击屏蔽炸药,在炸药中产生了9.2 GPa的压力。在163.5 μs时,在屏蔽炸药中产生了弓形波,此时射流头部与弓形波分离,随着时间增加两者距离逐渐增大。在165.2 μs时,弓形波已发展为稳定爆轰波在屏蔽炸药中传播。

图7 屏蔽板厚度为34.8d(1.9D)时射流冲击起爆屏蔽炸药过程Fig.7 Process of jet initiate the shield charge at the thickness of shield plate is 34.8d(1.9D)

通过以上分析发现,在屏蔽板厚度分别为0.1D和1.9D时,射流对屏蔽炸药的冲击起爆存在两种不同的过程,一种为屏蔽板厚度较小时(0.1D)前驱波和压缩波起爆机制,一种为屏蔽板厚度较大时(1.9D)射流穿透屏蔽板后直接冲击炸药起爆机制。表明在屏蔽板由薄变厚的转变过程中,可能存在着两种起爆机制发生转变的转折点。因此为了进一步得到两种起爆机制转变时屏蔽板厚度,对不同屏蔽板厚度下的射流冲击屏蔽炸药过程进行进一步数值模拟计算和分析。

3.3 不同屏蔽板厚射流冲击起爆屏蔽炸药过程分析

对不同屏蔽板厚度下的射流冲击起爆屏蔽炸药过程进行研究。H为屏蔽板厚度,采用x=H/D来表征屏蔽板厚度的变化,屏蔽板厚度变化为0.1D。对不同x值下的炸药冲击起爆距离L以及不同x值下的射流剩余速度v和冲击起爆参数K进行分析：

(2)

式中：u为高能炸药开坑速度;ρh为被起爆药密度;ρρ为射流密度;当K>K0(K0为试验标定的常数)时,表征射流能够起爆炸药,不同的炸药其K0值不同。对不同屏蔽板厚度下的冲击起爆距离L进行统计,见图8,其中P点为弓形冲击波波阵面上转变为爆轰波的点(即弓形冲击波波阵面上达到PBXN-109的CJ压力点);O点为对称轴线上屏蔽板与屏蔽炸药接触面初始点。

图8 不同屏蔽板厚度下射流对屏蔽炸药的冲击起爆距离测量方法Fig.8 Measurement of the impact initiation distance of the jet to covered charge under different covered plate thickness

经数值模拟计算,得到不同x值下的射流剩余速度和冲击起爆距离(图9)和不同x值下的K值和冲击起爆距离(图10)。

图9 剩余射流速度和冲击起爆距离随H/D变化Fig.9 Residual jet velocity and impact initiation distance vary with the covered thickness variation

图10 射流剩余K值和射流冲击起爆距离随H/D变化Fig.10 Residual K value of the jet and jet impact initiation distance vary with covered plate thickness variation

分析发现,在不同的屏蔽板厚度下射流冲击起爆屏蔽炸药的过程分为以下4个区域：

区域Ⅰ：当屏蔽板厚度为0.2D～1.0D时,此区域可能由前驱冲击波和压缩波起爆(图10的A1B1段和图11的A2B2段),此时剩余射流速度不低于5 000 m·s-1,剩余射流的K值超过90 mm3·μs-2。射流冲击屏蔽板后,在屏蔽板中产生了较强的冲击波,同时在射流快穿透靶板时,压缩靶板产生变形,起爆屏蔽炸药可能为两种方式共同作用结果。

区域Ⅱ：当屏蔽板厚度为1.0D～1.4D时,此区域为转折段(图10的B1C2段和图11的B2C2段),在射流快穿透屏蔽板时可能并没有在屏蔽炸药中产生足够的能量起爆屏蔽炸药,但由于屏蔽炸药受到了两者的作用,导致冲击起爆距离随靶板厚度增大不断增加。此阶段射流剩余速度4 500～5 000 m·s-1,剩余射流的K值为60～90 mm3·μs-2。

区域Ⅲ：当屏蔽板厚度为1.4D～3.1D时,此区域的起爆方式为射流冲击起爆区(图10的C1E1段和图11的C2E2段),在此屏蔽板厚度范围,射流穿透屏蔽板后直接冲击屏蔽炸药,导致屏蔽炸药起爆。此阶段射流剩余速度2 200～4 500 m·s-1,剩余射流的K值为30～60 mm3·μs-2。另外,分析发现对于C2D2段,剩余射流速度为3 200～4 500 m·s-1,剩余射流的K值为40～60 mm3·μs-2,随着屏蔽板厚度增加,冲击起爆距离并没有明显变化,而对于D2E2段,剩余射流速度为 2200～3 200 m·s-1,剩余射流的K值为30～40 mm3·μs-2,随着射流屏蔽板厚度增加,冲击起爆距离逐渐增大。

区域Ⅳ：当屏蔽板厚度超过3.1D时,此区域为未起爆区(图10的F1J1段和图11的F2J2段),射流受到屏蔽板作用能量被严重衰减,剩余射流能量不足以起爆屏蔽炸药,此阶段射流剩余速度2 200～4 500 m·s-1,剩余射流冲击起爆能量低于30 m·s-1。

4 结论

基于数值模拟计算开展了杆式射流冲击不同屏蔽板厚度的屏蔽炸药响应过程研究,通过研究获得以下3点结论：

1)屏蔽板厚度增加将导致射流冲击屏蔽炸药过程出现4种可能的响应：前驱冲击波起爆、压缩波起爆、射流冲击起爆和未起爆(燃烧或者熄灭)。

2)前驱波和压缩波起爆虽不能明显区分,但与射流穿透屏蔽板后直接起爆屏蔽炸药这种起爆方式存在比较明显的区别,即起爆点与屏蔽板之间的起爆距离后移。

3)前驱波和压缩波起爆屏蔽炸药主要发生在屏蔽板厚度为1.4D时,射流穿透屏蔽板后直接起爆屏蔽炸药出现在屏蔽板厚度为3.1D时。因此对于目前的来袭弹药,设计不同的破片或者射流速度将对其引爆能力和过程具有重要影响。该结果可为相关研究提供参考。