钨合金破片对聚能装药破甲深度的影响机理_寇鹏飞.pdf
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1、第 44 卷第 4 期兵 器 装 备 工 程 学 报2023 年 4月收稿日期:2022 10 29;修回日期:2022 12 08作者简介:寇鹏飞(1998),男,硕士研究生,E-mail:2497709399 qq com。通信作者:梁争峰(1972),男,博士,研究员,E-mail:2042lzf sohu com。doi:1011809/bqzbgcxb202304004钨合金破片对聚能装药破甲深度的影响机理寇鹏飞,陈昕,雷婧宇,梁争峰,唐成,薛标(西安近代化学研究所,西安710065)摘要:为了研究钨合金破片对聚能装药破甲深度的影响机理,应用 AUTODYN 有限元分析软件对钨合金破
2、片对聚能射流形成及破甲深度的影响进行了模拟研究,并进行了试验验证。结果表明,在药型罩微元加速装药段布设破片会使得部分射流的速度增大,破坏了预先设计的射流速度梯度,导致射流在中段出现堆积甚至断裂,使得射流的破甲深度降低。当裸药柱的穿深能达到较高水平时,在药型罩微元加速装药段布设的破片越多,射流的破甲深度下降越多;当装药结构形状为圆柱和圆锥相结合时,在药柱的斜锥段布设破片对射流的破甲深度造成的影响较小;在药柱与破片之间加装声阻抗远低于炸药的内衬层可以有效降低破片对射流破甲深度的影响。关键词:数值模拟;破甲穿深;钨合金破片;速度梯度本文引用格式:寇鹏飞,陈昕,雷婧宇,等 钨合金破片对聚能装药破甲深度
3、的影响机理J 兵器装备工程学报,2023,44(4):22 27,32Citation format:KOU Pengfei,CHEN Xin,LEI Jingyu,et al Effect mechanism of tungsten alloy fragments on penetrationdepth of shaped charge J Journal of Ordnance Equipment Engineering,2023,44(4):22 27,32中图分类号:TJ410文献标识码:A文章编号:2096 2304(2023)04 0022 06Effect mechanism o
4、f tungsten alloy fragments on penetration depthof shaped chargeKOU Pengfei,CHEN Xin,LEI Jingyu,LIANG Zhengfeng,TANG Cheng,XUE Biao(Xi an Modern Chemistry esearch Institute,Xi an 710065,China)Abstract:In order to study the influence mechanism of tungsten alloy fragments on penetration depth ofshaped
5、charge,this paper uses the AUTODYN finite element analysis software to simulate the influence oftungsten alloy fragments on the formation of shaped charge jet and the penetration depth of shaped charge,and carries out the experimental verification The results indicate that the fragmentation placed i
6、n theaccelerating charging section of the micro-element of the charge cover will increase the velocity of a part ofthe jet,destroy the pre-designed jet velocity gradient,lead to the accumulation or even fracture of the jetin the middle section,and reduce the penetration depth of the jet When the pen
7、etration depth of the barecharge column reaches a high level,the more fragments lay in the accelerating charging section of themicro-element of the charge cover,the more the penetration depth of the jet decreases When the structureshape of the charge is a combination of cylinder and cone,the impact
8、of the fragmentation on thepenetration depth of the jet is small when the fragmentation is arranged in the inclined cone section of thecharge column The influence of the fragments on the depth of jet penetration can be effectively reduced byadding an inner layer with acoustic impedance much lower th
9、an that of the explosive between the chargecolumn and the fragmentsKey words:numerical simulation;penetration depth;tungsten alloy fragment;velocity gradient0引言聚能装药通过炸药爆轰形成射流完成毁伤,是目前重要的反装甲战斗部形式,主要用于打击点目标(坦克)或硬目标(防护工事)1 2。随着弹药技术的不断发展,设计用于对付多种目标的复合战斗部具有重要的科学意义和应用价值。复合战斗部是在不影响原战斗部毁伤元成型的基础上,通过在其周向填充预制破片
10、的方式,增加装药能量的利用率同时扩展其毁伤效能。通过在常规破甲战斗部周向填充钨合金破片形成复合战斗部,从而使战斗部既能打击地面重装甲目标,也能对空中低速的直升机类目标造成有效杀伤3 4。徐文旭等5 设计了一种破甲/杀伤多用途战斗部,该战斗部通过在聚能装药周向填充预制钨球,战斗部爆炸在轴向形成金属射流击毁坦克,在周向驱动预制钨球摧毁武装直升机。但该战斗部以打击武装直升机为主,忽略了钨球对射流破甲性能的影响。王利侠等6 设计了一种破甲/杀伤多用途战斗部,该战斗部使用了新型薄型波形控制器、半预制壳体和精密破甲战斗部技术,实现了多用途战斗部多目标打击需求,但该战斗部的破甲穿深约为 8 倍装药直径,无法
11、达到 10倍装药直径的理想状态。文献 7将爆破、杀伤和破甲 3 种不同功能的战斗部相结合形成综合效应战斗部,虽然满足了一种武器攻击多种目标的需求,但在技术上较复杂,而且3 种功能互相影响,使得每种功能都不能完美发挥。聚能装药在周向填充破片可以实现对目标周围人员的杀伤,但也会使聚能装药的破甲穿深出现降低。本研究采用数值仿真与试验验证相结合的方法对钨合金破片对聚能装药破甲深度的影响机理进行了研究。1理论分析1 1射流形成原理聚能装药一般由药柱和药型罩组成,装药引爆后,爆轰波以球面波的形式从起爆点开始在装药中传播,高能炸药的爆轰波速度可达 8 km/s 以上。药型罩在爆轰波和高压爆轰产物的共同作用下
12、被压垮,以极高的速度向药型罩对称轴闭合。药型罩的压垮速度从顶部到口部不断降低,形成的射流微元速度也不断降低,最终使得药型罩在塑性拉伸下形成一个细长的高速侵彻体,称为射流。1 2钨破片对药型罩压垮速度的影响隔板可以改变药柱中传播的爆轰波形状,将作用于药型罩的球形爆轰波变成锥形爆轰波。这种装药结构带来的爆轰波形改变可以显著地提高战斗部的破甲穿深,但增设隔板后,工艺较为复杂,破甲穿深的跳动量增大。爆轰波在传播到药型罩顶部时的同时也传播到了装药外表面,当药柱与破片直接接触时,由于钨合金破片的声阻抗高于炸药的声阻抗,爆轰波在此处发生反射,形成反射冲击波向药柱轴线处汇聚,此冲击波会作用于部分药型罩的压垮和
13、闭合阶段,提高受影响区域药型罩的压垮速度,使得射流速度得以提高。同时钨合金破片会增强聚能装药的边界约束,局部炸药与药型罩的装填比有所提高,使得局部射流的速度得以提高。在这 2 种原因的共同作用下,部分射流的速度提高,使得已经匹配良好的射流速度梯度发生变化,造成部分射流的堆积和断裂,从而降低了射流的破甲穿深,并且跳动性变大。1 3冲击波在边界上的相互作用冲击波在从一种介质向另一种介质传播时,会在两介质的接触面上会发生波的反射与透射。当冲击波从声阻抗低的介质向声阻抗高的介质传播时,会在声阻抗低的介质中反射一个冲击波,并在声阻抗高的介质中透射一个冲击波;当冲击波从声阻抗高的介质向声阻抗低的介质传播时
14、,会在声阻抗高的介质中反射一个稀疏波,并在声阻抗低的介质中透射一个冲击波;当冲击波在两声阻抗相同的介质中传播时,不会形成反射冲击波。2数值仿真2 1计算模型使用有限元仿真软件 AUTODYN 进行数值仿真。由于聚能射流形成过程为高应变、高应变率过程,因此炸药、隔板、药型罩和空气域采用 Euler 网格划分;破片以及靶板采用Lagrange 网格划分,网格大小均为 0 5 mm 0 5 mm;射流对靶板的侵彻采用 Euler/Lagrange 耦合算法进行求解1。同时在空气域边界施加非反射边界条件防止压力在边界上的反射。聚能装药仿真模型的药型罩锥角为 55,直径为 145mm,壁厚为 2 5 m
15、m,无破片聚能装药的计算模型如图 1 所示。破片尺寸为 8 mm 8 mm 2 5 mm,材料为钨合金。图 1无破片聚能装药计算模型Fig 1 Calculation model without fragmentation charge由理论分析可知,当爆轰波传播到药柱的斜锥段时,由于空气介质的存在,不会产生反射冲击波,因此认为在药柱的斜锥段布设破片对射流形成影响较小;而在药柱的直柱段破片与药柱直接接触,破片会产生反射冲击波对射流形成影响较大。因此设计了 5 种破片状态如图 2 所示,其中 0#是不32寇鹏飞,等:钨合金破片对聚能装药破甲深度的影响机理布设破片;1#是从药柱顶部开始到药柱斜锥段
16、终点布设破片;2#是在第一种状态的基础上再在药柱上 1/3 直柱段布设破片;3#是在第一种状态的基础上再在药柱上 2/3 直柱段布设破片;4#是将破片与药柱等高布设。图 2不同破片状态装药纵截面示意图Fig 2 Schematic diagrams of longitudinal sectionsof all types of state charge2 2材料模型及参数数值仿真选用的炸药为 8701 炸药,采用 JWL 状态方程描述,其表达式为式(1)所示,炸药的主要参数见表 18。p=A(1 1)e1+B(1 2)e2+e(1)式中:p 为压力(Pa);e 为内能(J);=/0,其中 和
17、0分别为爆轰产物密度和初始炸药密度;A、B、1、2、为炸药相关参数。表 18701 炸药计算参数Table 1 Calculating parameters for 8701Mat0/(gcm3)A/GPaB/GPa87011 7225 86 80112D/(ms1)4 150 950 358 425药型罩材料选用紫铜,破片材料选用钨合金,二者均使用 Shock 状态方程和 Steinberg-Guinan 本构模型,其本构参数如表 2 所示9。表 2紫铜和钨合金的本构方程计算参数Table 2 Constitutive equation calculation parameters ofco
18、pper and tungsten alloyMat0/(g cm3)G0/GPaY0/GPanTm0/Ka紫铜8 9347 7 0 12360 45 1 7901 5钨合金18 01602 27 70 13 2 2631 4靶板材料为 45#钢,采用 Shock 状态方程和 Johnson-Cook本构模型来描述其力学行为,材料本构参数如表 3 所示10。=(A+Bnp)(1+Cln?*p)(1 T*m)(2)式中:A、B、C、n 和 m 为材料常数;p为等效塑性应变;T*m=(T Tr)/(Tm Tr)为熔化温度,Tr为室温,Tm为常态下材料的熔化温度。表 345#钢的本构方程计算参数Ta
19、ble 3 Calculation parameters of 45#steelMat0/(g cm3)A/MPaB/GPaCnmTm/K45#钢7 85355362 0 087 0 568 1 13 1 811隔板使用 AUTODYN 软件中自带的 POLYSTYENE 材料(聚苯乙烯)。聚苯乙烯的部分参数如表 4 所示。表 4聚苯乙烯的材料参数Table 4 Calculation parameters of polystyrene材料密度/(gcm3)声速/(ms1)聚苯乙烯1 042 337仿真过程中将空气视为理想气体,使用 NULL 材料模型和 GUNEISEN 状态方程描述。对于空
20、气:密度为 0 001 25g/cm3,声速为 344 m/s。2 3数值计算结果及分析2 3 1破片对射流形成的影响破片对射流形态的影响主要是通过破片对爆轰波的反射产生的。装药爆炸产生的爆轰波在装药内部传播,当爆轰波传播到破片上时,会在破片上形成反射冲击波作用于药型罩的压垮和汇聚过程,从而使得药型罩受到的压力发生变化,使得射流形态发生改变。图 3 所示为在数值仿真模型中设置的节点,通过在药柱的直柱段设置 4 个不随网格流动的高斯点,探究破片对装药爆轰时药柱表面压力的影响。其中 1#破片仅能覆盖点 1;2#破片能够覆盖点 1、2;3#破片能够覆盖点 1、2、3;4#破片可以覆盖所有点。图 3药
21、柱节点示意图Fig 3 Node diagram of charge图 4 所示分别为 5 种不同破片状态下 4 个节点的峰值超压曲线图,图中黑色曲线为 0#破片装药、红色为 1#破片装药、蓝色为 2#破片装药、紫色为 3#破片装药、绿色为 4#破片装药。从图中可以看出在节点 1 处,4 种带破片装药的峰值42兵 器 装 备 工 程 学 报http:/bzxb cqut edu cn/超压均高于无破片装药;在节点 2 处,1#与无破片装药峰值超压基本相同,而 2#、3#、4#均高于无破片装药;在节点 3 处1#、2#与无破片装药峰值超压基本相同,而 3#、4#均高于无破片装药;在节点 4 处
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