组合药型罩水介质中成型的数值仿真

傅　磊，王伟力，李永胜，姜颖资

（海军航空工程学院 兵器与科学技术系，山东 烟台，264001）

组合药型罩水介质中成型的数值仿真

傅磊，王伟力，李永胜，姜颖资

（海军航空工程学院 兵器与科学技术系，山东 烟台，264001）

为提高鱼雷战斗部对大型舰艇的毁伤能力，提出一种环型-球缺/大锥角组合药型罩作为鱼雷串联战斗部的前级装药结构，其结构由周向的环型药型罩与中心的球缺罩或大锥角罩组合而成。利用LS-DYNA有限元软件对组合药型罩水介质中的成型机理进行研究，对比分析2种起爆方式下锥角及曲率半径对中心聚能罩水中成型的影响。仿真结果显示，环型罩在水中可形成环形射流，用于目标外壳体切割； 中心罩结构变化对环型罩射流成型影响不大，中心截顶大锥角罩形成的杆式射流形态细长，头部速度较高； 球缺罩形成的杆式侵彻体较为粗短，速度梯度较小。

鱼雷战斗部； 药型罩； 数值仿真

0　引言

现代大型水面舰艇水面以下部位采用多层防雷隔舱组成的舷侧防护结构［1］，潜艇采用高强度钢及含水夹层的双层壳体设计［2］，使得现代舰艇的抗爆抗冲击能力大大提高。随着目标防护能力的不断升级，鱼雷战斗部的研究热点已由爆破型战斗部向聚能聚爆、随机定向及多模态多功效战斗部发展［3］。目前，国外已研制装备有采用定向聚能爆炸作用的鱼雷战斗部，如美国的“MK50”，英国的“旗鱼”及法/意的“MU90”等。对于聚能装药成型毁伤元的水下作用机理，国内学者也进行了大量研究工作。其中大多集中在爆炸成型弹丸［4-7］及杆式射流［8-9］等方面。

在此背景下，提出1种环型-球缺/大锥角组合药型罩，其结构由周向的环型药型罩与中心的球缺罩或大锥角罩组合而成。组合药型罩中的环型聚能罩用来实现对目标第1层壳体的大口径切割开口，中心的球缺或大锥角聚能罩用于对目标间隔结构特别是水间隔目标装甲进行后续侵彻毁伤，2种药型罩结合以实现对目标结构的多模毁伤效应。同时，将这种组合聚能装药结构用于鱼雷串联战斗部的前级装药，后级战斗部沿环型药型罩切开的孔洞进入目标内部爆炸，最终实现对大型舰艇的高效毁伤。

前级研究表明，中空的环型聚能装药产生的环形射流对靶板有较好的切割作用，可以实现串联战斗部前级的开口要求［10］。但其内壳体汇聚形成的聚能侵彻体对后级战斗部将造成侵彻毁伤，且切靶后环形射流在水介质中速度迅速衰减，受到侵蚀磨损，失去后续侵彻作用。采用组合药型罩作为鱼雷串联战斗部的前级装药，可以消除对后级的侵彻毁伤，在保证对目标外部壳体大口径开口作用的同时，增强对目标间隔防护结构的侵彻作用。文中重点对水介质中组合药型罩的成型机理进行研究，利用LS-DYNA有限元软件对不同起爆方式下组合药型罩水介质中的成型过程进行分析，对比不同曲率半径及锥角对中心球缺罩及截顶大锥角罩成型的影响，为新型鱼雷战斗部设计提供参考。

1　有限元模型

1.1组合药型罩模型

组合药型罩由环型聚能罩环绕中心聚能罩结合而成。装药高度120 mm，环型药型罩外径480 mm，内径320 mm，锥角60º。中心聚能罩采用球缺罩及截顶大锥角罩两种形式进行对比。组合药型罩模型见图1和图2。计算模型由装药、药型罩、壳体、空气域及水域组成，装药结构外部为水介质，药型罩与水之间设置空气介质以提供一定炸高。为保证环形射流的成型，起爆方式设置为环形起爆、环形与中心组合起爆2种模式。按装药结构尺寸建立1/4 3D模型，模型采用SOLID164实体单元，映射网格划分，计算采用ALE算法，壳体为拉格朗日网格建模，单点积分算法，其他各部分均为欧拉网格建模，多物质ALE（arbitrary lagrange-euler）算法。计算有限元模型见图3所示。

图1　环型-球缺罩模型Fig. 1　Model of annular liner-spherical segment liner

图2　环型-大锥角罩模型Fig. 2　Model of annular liner-large cone angle liner

图3　计算有限元模型Fig. 3　Computational finite element model

1.2参数选择

装药为B炸药，采用高能炸药材料模型，JWL状态方程［11］

空气利用NULL材料模型和线性多项式状态方程来描述，密度ρ0=0.001 29 g/cm3。

壳体钢材料采用JOHNSON-COOK材料模型和GRUNEISEN状态方程。应变率相关的JOHNSON-COOK模型将流动应力［11］表示为式中: εp为有效塑性应变； 应变率Tm为材料的熔化温度，T0为室温，且； A，B，n，c，m为与材料特性相关的参数。各项取值为A=792 MPa，B=510 MPa，n=0.26，

药型罩材料为紫铜。选取适用于高压区的STINGBERG材料模型与GRUNEISEN状态方程来描述药型罩在装药爆炸作用下的应变行为。GRUNEISEN方程中定义压缩材料的压力表达式［11］

式中: C表示νS－νP曲线的截距； S1，S2，S3分别为νS－νP曲线的斜率系数； γ0及a分别为GRUNEISEN系数及其修正系数。参数取值为C=3 940 m/s，S1=1.49，S2=0.6，S3=0，γ0=1.99，a=0.47，密度取8.93 g/cm3，剪切模量为47.7 GPa［9］。

水介质采用NULL材料模型，GRUNEISEN状态方程。参数取值为C=1 480 m/s，S1=2.56，S2=-1.986，S3=0.2268，γ0=0.5，a=0，密度取1.025 g/cm3［9］。

2　数值仿真与分析

2.1组合药型罩成型过程

为便于比较，以曲率半径为17.8 cm的球缺罩及锥角为109º的截顶大锥角罩的2种组合药型罩为例（两者顶端距离装药顶部距离相同），图4为两者在环形起爆方式下水介质中成型运动过程的数值仿真结果。环形起爆半径与环型药型罩自身对称圆环面半径相同，图中可看到，装药起爆后，爆轰波一方面向下传播，一方面向中心汇聚，由于装药的长径比较小，爆轰波首先到达环型药型罩顶端，环型罩在爆轰压力下汇聚压合形成环形射流。同时，爆轰波以类似平面波的形式作用到中心罩壁面上，并继续向中心汇聚。环形起爆方式下，装药结构中的环型罩起到了一定的波形调整作用，有利于中心聚能罩的成型。

对比组合药型罩中的2种中心罩的成型可以看到，爆轰波到达中心罩顶端时刻基本相同，但后续过程中球缺罩压合程度较小，存在一定翻转过程，头部微元速度低，入水时刻较晚； 截顶大锥角罩压合程度大，成型头部微元速度较高，入水时刻早。2种中心罩的成型对环形射流的成型影响不大，在50 μs左右环形射流入水，由于环型药型罩内外罩结构不对称，环形射流存在一定偏斜趋势，同时，成型的薄片状环形射流头尾速度梯度较大，随着进一步拉伸发生断裂，头部入水后速度衰减较快，受水介质影响磨损侵蚀，很快失去后续侵彻作用。中心球缺罩形成的杆式侵彻体较为粗短，整体速度较低，但速度梯度小； 中心截顶大锥角罩形成的杆式射流较为细长，速度梯度大。由于水的不可压缩性，两者头部均出现一定程度的敦粗变形。

According to CT,the aortic calcification index was also significantly higher in patients with diabetes on hemodialysis than without diabetes[62].

图4　组合药型罩水介质中成型过程Fig. 4　Formation process of combined liner in water

数值仿真结果表明，为保证鱼雷串联战斗部前级装药对目标第1层壳体的开口作用，需要装药环形起爆以保证组合药型罩中环形射流的成型。而曲率半径及锥角的改变对环形射流影响不大，但将直接影响中心聚能罩的成型形态。下面重点研究环形起爆及环形+中心组合起爆2种方式下不同曲率半径及锥角的中心药型罩水介质中的成型。

2.22种起爆方式下锥角对中心大锥角罩水介质中成型的影响

根据装药尺寸，按截顶大锥角罩顶端与装药的距离不同分别取锥角α=164º，148º，134º，121º，109º，不同工况下的数值仿真结果如图5～图6所示。图5为以速度云图显示的t=130 μs时刻不同锥角的中心大锥角罩在2种起爆方式下水介质中的成型形态。

图5　2种起爆方式下中心锥角罩水介质中成型形态Fig. 5　Formation patterns of central large cone liner in two priming modes

图6显示了t=130 μs时刻中心截顶大锥角罩形成的杆式射流在长度方向上的速度分布曲线。

经过对比可以看出，图5左侧采用环形起爆方式的成型效果明显优于右侧组合起爆方式。同一锥角下，图6 （a）中的成型杆式射流在长度上比图6 （b）中的较长，速度上也较高。这是因为中心起爆的爆轰波向下传播时干扰了环形起爆的爆轰波对药型罩的压合作用，药型罩顶部微元向下运动速度过快，药型罩壁面向中心压合不完全，使得侵彻体的成型变得不规则。锥角越大，药型罩位置越低，这种影响作用越明显。

在环形起爆方式下，锥角较大的截顶大锥角罩形成的杆式射流中心不密实，整体速度较低，且下端出现破碎状，不利于其在水中的侵彻。随着锥角的减小，药型罩压合形成较为细长的杆式射流。

图6　t=130 μs时刻杆式射流的速度分布Fig. 6　Velocity distribution of rod-liked jet（t=130 μs）

由图6 （a）中可以看到，杆式射流的长度随锥角的减小而增大，头部速度也随之增高。当锥角α=164º时，t=130 μs时刻杆式射流长度为15.4 cm，头部最大速度为3 021 m/s； 而当锥角增大到α=109º时，t=130 μs时刻杆式射流长度为55.8 cm，头部最大速度达到7 286 m/s。在高度侵彻水介质的过程中，杆式射流头部产生变形，存在一定速度降，头部附近区域出现磨损脱落的细小碎片。t=130 μs时刻速度较低（α=164º）的杆式射流有300 m/s左右的速度降，而速度较高（α=164º）的杆式射流的速度降达到了2 000 m/s左右。

2.32种起爆方式下曲率半径对中心球缺罩水介质中成型的影响

受装药尺寸限制，根据球缺罩顶端与装药顶端的距离确定中心球缺罩的不同曲率半径，经计算得到曲率半径ρ分别取65 cm，34 cm，24.3 cm，20 cm和17.8 cm，不同工况下的数值仿真结果如图7～图8所示。图7所示为t=130 μs时刻不同曲率半径的中心球缺罩在2种起爆方式下水介质中成型状态。图8显示了t=130 μs时刻中心球缺罩形成的杆式侵彻体在长度方向上的速度分布曲线。

图7左侧环形起爆方式下中心球缺罩的成型优于同条件下的组合起爆方式（右侧），其机理同2.2节类似。由于在组合起爆模式下曲率半径为ρ=65 cm及ρ=34 cm的中心球缺罩成型不规则，图8（b）仅列出了3种曲率半径的速度分布曲线。环形起爆下的中心球缺罩形成长度较短、直径较粗的杆式侵彻体，对比图7和图8可知，杆式侵彻体的长度随着中心球缺罩的曲率半径减小而增加，头部速度也随球缺罩曲率半径减小而增大。曲率半径较大时，侵彻体成型形态类似于带有扩展尾裙的爆炸成型弹丸（explosively formed projectile，EFP），速度梯度较小，整体速度低，头部与水接触的最前端呈球面状； 曲率半径进一步减小，药型罩形成杆式侵彻体，有利于水中的侵彻。由图8（a）中可以看到，当ρ=65 cm时，t=130 μs时刻侵彻体长度为14.1 cm，头部最高速度2 661 m/s。当ρ=17.8 cm时，t=130 μs时刻杆式侵彻体长度为35.5 cm，头部最高速度5 119 m/s。

图7　2种起爆方式下中心球缺罩水介质中成型形态Fig. 7　Formation patterns of central spherical segment liner in two priming modes

对比图5～图8中心侵彻体成型状态，截顶大锥角形成的杆式射流头部速度较高，但直径较细长，适用于大间距水间隔装甲结构侵彻； 球缺罩形成的杆式侵彻体较为粗短，速度梯度较小，适用于短中间距水介质的目标间隔结构侵彻。

3　结束语

图8　t=130 μs时刻杆式侵彻体的速度分布Fig. 8　Velocity distribution of rod-liked penetrator（t=130 μs）

文中提出一种环型-球缺/大锥角组合药型罩。其结构由周向的环型药型罩与中心的球缺罩或大锥角罩组合而成。组合药型罩中的环型聚能罩用来实现对目标第1层壳体的大口径切割开口，中心的球缺或大锥角聚能罩用于对目标间隔结构特别是水间隔目标装甲进行后续侵彻毁伤，2种药型罩结合以实现对目标结构的多模毁伤效应。通过研究可知，环形起爆方式下，中心罩结构变化对环型罩射流成型影响不大。中心截顶大锥角形成的杆式射流头部速度较高，但直径较细长； 球缺罩形成的杆式侵彻体较为粗短，速度梯度较小。

［1］ 吴国民，周心桃，段宏，等. 美国航空母舰防护结构设计探析［J］. 中国舰船研究，2011，6（5）: 1-6.

Wu Guo-min，Zhou Xin-tao，Duan Hong，et al. Analysis on Design of U.S. Aircraft Carrier Protection Structures［J］. Chinese Journal of Ship Research，2011，6（5）: 1-6.

［2］ 谢祚水，王自力，吴剑国. 潜艇结构分析［M］. 武汉: 华中科技大学出版社，2004.

［3］ 郭涛，吴亚军. 鱼雷战斗部技术研究现状及发展趋势［J］. 鱼雷技术，2012，20（1）: 74-77.

Guo Tao，Wu Ya-jun. Perspective of the Technologies about Torpedo Warhead［J］. Torpedo Technology，2012，20（1）: 74-77.

［4］ 凌荣辉，钱立新，唐平，等. 聚能型鱼雷战斗部对潜艇目标毁伤研究［J］. 弹道学报，2001，13（2）: 23-27.

Ling Rong-hui，Qian Li-xin，Tang Ping，et al. Target Damage Study of Shaped-Charge Warhead of Antisubmarine Torpedo［J］. Journal of Ballistics，2001，13（2）: 23-27.

［5］ 胡功笠，刘荣忠，李斌，等. 复合式鱼雷战斗部威力试验研究［J］. 南京理工大学学报，2005，29（1）: 6-8.

Hu Gong-li，Liu Rong-zhong，Li Bin，et al. Power Experiments on Compound Torpedo Warhead Assembly［J］. Journal of Nanjing University of Science and Technology，2005，29（1）: 6-8.

［6］ 步相东，王团盟. 鱼雷聚能战斗部自锻弹丸水中运动特性仿真研究［J］. 鱼雷技术，2006，14（3）: 44-46.

Bu Xiang-dong，Wang Tuan-meng. Simulation Study on Kinematic Characteristic of Explosively Formed Projectile（EFP）in the water for Torpedo Shaped Charge Warhead［J］. Torpedo Technology，2006，14（3）: 44-46.

［7］ 杨莉，张庆明，巨圆圆. 爆炸成型弹丸对含水复合装甲侵彻的实验研究［J］. 北京理工大学学报，2009，29（3）: 197-200.

Yang Li，Zhang Qing-ming，Ju Yuan-yuan. Experimental Study on the Penetration of Explosively Formed Projectile Against Water-Partitioned Armor［J］. Transactions of Beijing Institute of Technology，2009，29（3）: 197-200.

［8］ 王海福，江增荣，俞为民，等. 杆式射流装药水下作用行为研究［J］. 北京理工大学学报，2006，26（3）: 189-192.

Wang Hai-fu，Jiang Zeng-rong，Yu Wei-min，et al. Behavior of Jetting Penetrator Charge Operating Underwater［J］. Transactions of Beijing Institute of Technology，2006，26（3）: 189-192.

［9］ 何洋洋，龙源，张朋军，等. 水介质中组合式战斗部成型技术研究［J］. 火工品，2009，31（2）: 52-56.

He Yang-yang，Long Yuan，Zhang Peng-jun，et al. Study on Combined Shaped Charge Warhead Shaping in the Water［J］. Initiators & Pyrotechnics，2009，31（2）: 52-56.

［10］ 王伟力，李永胜，田传勇. 串联战斗部前级环形切割器的设计与试验［J］. 火炸药学报，2011，34（2）: 39-43.

Wang Wei-li，Li Yong-sheng，Tian Chuan-yong. Optimization and Test on Front Annular Cutter of Tandem Warhead［J］. Chinese Journal of Explosives & Propellants，2011，34（2）: 39-43.

［11］ LS-DYNA Keywords User's Manual［M］. 971 th ed. Livermore Software Technology Corporation，2007.

［12］ 曾必强，姜春兰，严翰新，等. 串联攻坚战斗部前级爆轰场对随进弹随进影响分析［J］. 兵工学报，2010，31（增刊1）: 162-166.

Zeng Bi-qiang，Jiang Chun-lan，Yan Han-xin，et al. Analysis for Effects of Precursory Detonation Field on Projectile Following Course in Tandem Warhead［J］. Acta Armamenterii，2010，31（z1）: 162-166.

［13］ 时党勇，李裕春，张胜民. 基于ANSYS/LS-DNYA 8.1进行显式动力分析［M］. 北京: 清华大学出版社，2005.

（责任编辑: 杨力军）

Numerical Simulation of Combined Liner Formation in Water

FU Lei，WANG Wei-li，LI Yong-sheng，JIANG Ying-zi

（Armament Science and Technology Department，Navy Aeronautical and Astronautical University，Yantai 264001，China）

To enhance damage effect of torpedo warhead on large warship，a combined liner with annular-spherical segment/large cone angle structure is taken as the front charging chamber of the torpedo tandem warhead. The combined liner is composed of an annular liner around and a spherical segment liner or a large cone angle liner in the center. The formation mechanism of the combined liner in water is analyzed by the software LS-DYNA. The influences of the cone and curvature radius on the formation of the central liner in water are investigated in two priming modes. Simulation results show that: the annular liner forms annular jet in water to cut first layer of target shell； the change of central liner structure has little influence on jet formation of the annular liner； the long and the thin rod-liked jet formed by the central large cone liner has a high head velocity，while the rod-liked penetrator formed by the central spherical segment liner has a short and thick shape and relatively small velocity gradient.

torpedo warhead； liner； numerical simulation

TJ630.2； TJ410.4

A

1673-1948（2015）05-0367-07

10.11993/j.issn.1673-1948.2015.05.009

2015-07-08；

2015-08-20.

傅磊（1987-），男，在读博士，主要研究方向为目标毁伤与终点效应.