环形切割器药型罩方案优化设计＊

李永胜，王伟力，田传勇

（1海军航空工程学院，山东烟台 264001；2重庆红宇精密工业有限责任公司，重庆 402760）

0 引言

反舰导弹在作战过程中侵彻多层靶，尤其是首层板壁较厚时，其半穿甲战斗部侵彻时能量消耗大，过靶姿态差，严重影响后续的侵爆作用。因此，可以考虑在导弹前端加装一段产生环形射流的切割器，作者之前已对这种反舰导弹串联战斗部进行了初步分析[1]。对其装药形态、药型罩开口角度等进行了初步探讨，胡忠武、王凤英等人对药型罩材料进行了研究[2－3]，探讨了纯金属药型罩（W、Cu等）及合金药型罩（W Cu、Ta-Cu、W Cu Ni等）的发展动向与应用前景。何洋扬等人对拐角型线性聚能装药侵彻钢板进行数值模拟与实验[4]，得出切割器拐角处出现病态射流影响切割器的侵彻效果。对于大口径的环形聚能装药不能完全套用锥形罩和线性装药的相关理论，在这方面李鹏飞等人对环形EFP的形成和侵彻效应进行了模拟与实验[5]，证明了环形装药对钢靶作用的有效性。王成等人通过对装药进行设计并加入波形调整器产生了质量较好的环形射流[6－7]，为环形切割器的研制提供了理论支撑。

文中运用ANSYS／LS DYNA软件，针对满足设计要求特定尺寸的环形切割器，采用装药顶部中心线起爆方式，探讨能够形成高质量射流，且切割效果更为明显的药型罩材料。

1 环形切割器初步设计

反舰导弹串联战斗部整体设计如图1所示，其前端的环形切割器设计满足：1）切割器开口直径≥360mm；2）药型罩开口直径≥60mm；3）切割器高度≤200mm；4）切割效果尽可能理想。

2 数值模拟

假设：1）炸药、药型罩、防护板、空气和钢靶为均匀连续介质；2）整个射流的形成和切割侵彻过程为绝热过程；3）忽略重力的作用；4）钢靶的初始应力设为0，不考虑钢靶的侧边效应，忽略靶板整体运动和外界的干扰。

2.1 计算模型

采用 ANSYS／LS-DYNA软件对环形切割器及其侵彻过程进行数值模拟与分析，根据对称原则，为简化计算采用1／4模型，如图2所示，模型由炸药、药型罩、防护板、空气和钢板5部分组成。其中，炸药、药型罩、防护板和空气4种材料采用Euler网格建模，钢板采用Lagrange网格建模，采用流固耦合算法，环形射流形成及侵彻过程用单点高斯积分和沙漏控制，起爆方式统一采用装药顶部中心线起爆。

图2 环形切割器仿真模型

2.2 材料模型及主要参数

炸药材料模型为 HIGH－EXPLOSIVE－BURN，状态方程为JWL方程。金属药型罩采用STEINBERG模 型[8－9]，状 态 方 程 为 GRUNEISEN 方 程。防护板采用STEINBERG模型，状态方程为GRUNEISEN方程。空气采用无偏应力流体动力模型（NULL），对应的状态方程为 GRUNEISEN方程。靶板采用随动塑性模型（PLASTIC－KINEMATIC）。

为充分选择最优的药型罩材料，选用线性装药常用的3种材料进行检验，药型罩相关参数如表1所示。

表1 药型罩材料的计算参数

3 计算结果

以均质装甲钢为靶板材料，厚度取为10cm，通过设置适当的边界条件消除模型中的端部效应。

3.1 单质药型罩仿真与分析

表2选取3种药型罩材料形成的环形射流对靶板作用的典型时刻与实际作用效果。可以看出，铁药型罩形成射流速度相对较高，铜药型罩次之，钨药型罩最慢。3种药型罩均能贯穿10cm的靶板，但贯穿后铜药型罩残留杵体的剩余速度约为900m／s，钨药型罩残留杵体的剩余速度约为530m／s，而铁药型罩由于切割动能相对较小，在侵彻过程中能量消耗较大，没有相对完整的剩余杵体。

表2 环形射流对靶板的作用效果（单质药型罩）

通过图3可以看出，铜、钨药型罩形成射流动能较大，能够轻松的穿透靶板，表现为贯穿时间较短，平均切割口径较小，切割开口上下差别不大；而铁药型罩虽然能够贯穿靶板，但切割口径较大，贯穿时间较长，射流在切割过程中边侵彻边堆积，在靶板的底部有明显的射流堆积区。

图3 靶板切割后效

通过对单质药型罩形成射流作用效果的仿真可知，铜、钨药型罩侵彻效果较好，铜的延展性好，且形成的射流平均速度相对较高，钨的延展性虽然不如铜，但射流的整体动能相对较大，因此可以考虑依靠铜延展性强的特点和钨的高动能构成铜钨复合药型罩。

3.2 复合药型罩仿真与分析

在上述计算模型的基础上，将单质药型罩换为2种铜钨复合罩，分别为铜钨80／20、铜钨60／40，即铜和钨分为上下两层，铜在内侧下方，钨在外侧上方，厚度比例为80／20和60／40，验证其对靶板的切割效果。

铜钨复合药型罩射流的成形情况如图4所示，其对靶板的切割效果如图5所示。

图4 铜钨复合药型罩射流成形情况

图5 靶板切割后效

表3 环形射流对靶板的作用效果（复合药型罩）

可以看出，虽然铜钨复合药型罩形成的环形射流能够穿透100mm的靶板，但切割效果并不理想，表现为：1）射流成形效果不好，钨质射流断裂较早，速度较慢，影响整体射流的速度；2）切割时间过长，大于单质药型罩的切割时间，不利于引战系统的设计；3）剩余速度过低，尤其是铜钨60／40，由于切割动能不足，没有相对完整的剩余体；4）平均切割口径也大于单质铜、钨药型罩的切割口径，能量利用率偏低。

4 结论

1）利用ANSYS／LS-DYNA软件对环形切割器侵彻过程进行仿真分析，其所得结果可用于定性优选药型罩方案；

2）仿真结果表明：在环形切割器的设计中，铜、钨、铁三种材料药型罩均能贯穿100mm的靶板。铁药型罩形成的射流虽然速度相对较高，但整体动能不足，切割过程中在靶板底部形成射流堆积巢，且没有相对完整的剩余体；钨药型罩形成的射流速度较低，切割口径虽然较小，但剩余体速度不高，且切割时间较长；铜药型罩射流成形效果好，速度快，剩余体速度较高，贯穿靶板时间短，有利于引战系统的设计。

因此，在大口径环形切割器的设计中，铜材料的药型罩切割效果最好。

[1]李永胜，王伟力，姜涛.一种用于反舰导弹串联战斗部的环形切割器优化设计[J].海军航空工程学院学报，2009，24（5）：481－484.

[2]胡忠武，李中奎，张廷杰，等.药型罩材料的发展[J].稀有金属材料与工程，2004，33（10）：1009－1012.

[3]王凤英，刘天生，苟瑞君，等.钨铜镍合金药型罩研究[J].兵工学报，2001，22（1）：112－114.

[4]何洋扬，龙源.拐角型线性聚能装药爆炸成形及侵彻钢靶的实验与数值模拟研究[J].爆破器材，2008，37（2）：10－13.

[5]李鹏飞，肖川，王利侠.环形EFP的形成和侵彻效应[J].火炸药学报，2008，31（3）：6－9.

[6]Wang Cheng，Yun Shourong，Huang Fenglei，et al.Investigating jet appearance in different background lights with high－speed frame photography[J].Journal of Beijing Institute of Technology，2002，11（2）：113－116.

[7]王成，恽寿榕，黄风雷.W型聚能装药射流形成及侵彻的实验和数值仿真研究[J].兵工学报，2003，24（4）：451－454.

[8]兰彬，文鹤鸣.钨合金长杆弹侵彻半无限钢靶的数值模拟及分析[J].高压物理学报，2008，22（3）：245－252.

[9]曹德青，恽寿榕，丁刚毅，等.用ALE方法实现射流侵彻靶板的三维数值模拟[J].北京理工大学学报，2000，20（2）：171－173.