反应装甲干扰射流过程数值模拟*

夏松林,刘宏伟,韩立军,黄仲昊

(1中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏徐州 221008)(2徐州空军学院,江苏徐州 221000)

0 引言

反应装甲是挂在坦克主装甲外面的一种半主动装甲,基本结构是在两块薄板之间夹有薄层炸药,炸药爆炸时,驱动金属平板沿法向飞散,强烈干扰聚能金属射流或穿甲杆体,使之失效或者降低侵彻能力。

文献[1]通过射流垂直侵彻炸药材料整个过程数值模拟,认为在爆轰压力作用下,射流回流与后续射流作用,干扰后续射流;文献[2]在考虑爆轰压力作用下建立了射流垂直侵彻炸药材料模型;文献[3]射流侵彻反应装甲进行了大量的实验研究,提出了著名的“卵石”干扰模型;文中采用三维有限元程序模拟射流的形成及对反应装甲的侵彻过程,旨在分析炸药爆炸后形成的产物飞散场及抛射加速的面板对射流侵彻能力的影响。

1 “卵石”模型干扰过程分析

M.Mayseless等人[3]在对射流与飞板相互作用的物理实验现象研究基础上,不考虑飞板的变形,根据飞板和射流的质量流mp和mj的比值,把飞板与射流相互作用分为间断和连续过程:认为射流撞击飞板时坑的扩展速度很高,射流会出现暂时脱离与板接触的情况,但随着坑的扩展速度下降,又会使射流与坑边重新接触,这一过程重复出现导致板周期性间断干扰射流。而射流受飞板切割后,不仅直径会有一个减小量,并同时获得一个横向速度从而使射流的后续运动过程中发生弯曲、断裂。应用动量守恒定理得到干扰后射流速度偏转角为[3]:

式中:ρp、ρj分别为板和射流密度;υj为射流微元速度;dj为局部射流直径;h为板厚;θ0为板与射流夹角。“卵石模型”物理过程明确,并得到了部分实验验证,逐渐被大家接受。但该模型未考虑飞板在运动过程中发生变形,这对计算射流横向速度造成误差。

2 数值计算模型及材料参数

聚能装药射流是金属药型罩在爆炸产物作用下向中心轴线闭合产生的塑性金属流,它具有较高的头部速度,并存在一定的速度梯度,射流边运动边拉伸。另外,射流与靶板的相互作用过程是一个高速碰撞过程,侵彻中会出现大应变、大变形及高应变率现象,采用LS-DYNA程序中纯Lagrangian算法很难实现射流形成、拉伸及侵彻过程的数值模拟。基于以上考虑,建模时所有涉及的材料模型均采用Eulerian算法,即采用LS-DYNA程序的多物质ALE算法。

计算模型装药直径56mm,罩后药柱高度31mm,药型罩为紫铜,口部直径54mm,罩厚 1mm,炸高80mm。计算时药型罩和平板均采用Johnson-Cook模型和GRUNEISEN状态方程共同描述,该模型能描述与材料应变、应变率和温度相关的强度变化[1],药型罩和靶板的主要参数如表1所示。主装药采用JWL状态方程,材料特性参数见表2。

表2 炸药材料基本参数

表1 材料基本参数

夹层装药为军用B炸药,采用弹塑性模型(ELAS TIC_PLASTIC_HYDRO)和点火与增长状态方程(IGNITION_GROWT H_OF_REACTION_IN_HE)来共同描述,所涉及的材料参数如表3所示。表中参数的物理意义为:I为控制点火热点数量参数;G1和G2分别为控制点火后热点早期的反应增长和高压下的反应速度,与炸药颗粒接触状态有关;a为临界压缩度,用来限度点火界限,当压缩度小于a时炸药不点火;b、c为反应速度最大位置的相关参数;d、g为热点成长形状有关参数;y和z为燃烧反应的非层流特性有关的参数,其取值范围一般0.8～2.0之间,λig,max、λG1,max分别为点火与燃烧反应度极大值;λG2,min反应度的极小值,ρ0为炸药密度,PCJ为C-J爆轰压力;D为爆轰速度。由于采用了ALE算法,必须保证各物质模型边界面共节点。整个模型包括主装药、药型罩、主靶板、夹层炸药(面板、炸药和背板)组成,聚能装药与反应装甲成45°。由于结构对称,采用二分之一结构模拟,射流斜侵彻反应装甲基本模型如图1所示。

表3 B炸药点火增长模型材料参数

图1 数值计算模型

3 数值模拟结果与分析

3.1 垂直侵彻试验结果比较

试验采用56mm标准聚能侵彻体,本试验采用450kV两台脉冲X光机组合进行拍摄,两台脉冲X光射线管布设成45°汇交,实验主要是测试反应装甲飞板的变形过程和飞散速度,所以聚能侵彻体与反应装甲以垂直方式布设,并保证成形后聚能侵彻体通过两台X射线管汇交轴。由于试验条件限制,只进行射流垂直侵彻反应装甲试验。

通过设置两个脉冲X光机不同的出光时间,这样一次试验就可以得到两张不同时刻的X光照片,从而得到飞板的速度。平板运动与变形的X光照片如图2所示,与图中垂直侵彻数值模拟得到的飞板变形基本一致。实验得到平板的极限速度为933 m/s。数值模拟得到的平板极限速度为1010 m/s,比实验略大,误差在10%以内,说明采用上述模型和材料参数模拟射流侵彻反应装甲过程基本正确。

图2 反应装甲平板变形(60μ s)

3.2 斜侵彻数值模拟与结果分析

图3为射流与倾角为45°的反应装甲飞板作用过程数值模拟物理图像和X光照片[4]。射流通过反应装甲后,射流直径发生了明显减小,与实验结果一致;射流在飞板作用过程中,受反应装甲干扰后的射流将获得一定的横向速度,从而使射流在运动过程中发生弯曲,干扰后射流形态数值模拟与X光照片基本一致。反应装甲干扰后射流横向速度数值模拟和按式(1)分别得到的数值如表4所示。由表4可知,飞板的横向速度理论计算与数值模拟基本一致。

图3 射流反应装甲作用过程图(倾角45°)

表4 射流微元与飞板作用后的横向速度

图4是射流经过反应装甲时在飞板上形成的钥匙形孔,由图上可以看出,射流初次侵彻飞板,扩孔直径较大,后逐渐减小。图4上可明显看出射流多次侵彻飞板痕迹。

图4 飞板上形成的钥匙形孔(倾角45°)

4 结论

通过对射流形成、侵彻反应装甲等过程的数值模拟研究,可以初步得出以下结论:

1)反应装甲爆炸后对射流的干扰除了受到爆轰产物的影响外,射流最主要是受到面板的“切割”作用;

2)射流与飞板作用后,射流出现锯齿形和发生弯曲并获得横向速度,这导致射流在进一步的拉伸过程中更容易断裂,反应装甲干扰后射流横向速度数值模拟与卵石模型基本吻合。

[1]Philip Pincosy,Peter Poulsen.Jet propagation through energetic materials[C]//20th International Symposium on Ballistic,Australia,2004.

[2]曾凡君,李健,梁秀清,等.反应装甲爆轰阶段对射流干扰机理的研究[J].北京理工大学学报,1994,14(3):286-291.

[3]M Mayseless,Y Erlich,Y Falcovitz,et al.Interaction of shaped-charge jet with reactive armour[C]//8th International Symposium on Ballistic,Orlando Florida USA,1984.

[4]M Mayseless,E M armor,N Gov,et al.Interaction of a shaped charge jet with reactive or passive cassettes[C]//14 th International Symposium on Ballistic,Quebec Canada.