活性药型罩毁伤性能仿真及实验研究

刘艳君，肖贵林，陈 军，单志诚，陈 昀



活性药型罩毁伤性能仿真及实验研究

刘艳君，肖贵林，陈 军，单志诚，陈 昀

（国营第八六一厂，湖南长沙，410100）

利用ANSYS/LS-DYNA软件对活性药型罩形成的射流特征进行了数值模拟，分析了药型罩不同形状、锥角及厚度对射流特征的影响；同时，通过实验对活性药型罩的毁伤性能进行了研究。实验结果表明：炸高条件为1.0D~1.5D时，破甲性能最佳，最大破甲深度可达65mm；活性药型罩形成的射流在击穿50mm厚度靶板后，可有效引燃靶后柴油箱。

药型罩；活性材料；数值模拟；射流

活性材料是一种活性复合结构材料，其毁伤元以较高速度碰撞和侵彻目标时，从穿孔内随进燃烧元或杀伤元素，从而毁伤目标。例如，利用活性材料制成的药型罩在炸药爆炸驱动作用下能够生成与常规战斗部相似的射流，射流能够穿透装甲目标的壳体，进入目标内部急剧反应，形成爆炸冲击、超压、引燃（爆）、侵彻等综合杀伤因素，将获得比常规战斗部更显著的毁伤效果。活性材料是未来战斗部十分重要的毁伤元，它可以有效地提高战斗部的毁伤效能[1]。

2002年，美国海军研究评估办公室空中和地面武器计划项目中首先提出了活性破片的基本概念。2004年，美国海军对活性破片战斗部进行了实验研究，结果表明活性破片同普通破片相比毁伤效果有了显著提高[2-3]。同时，据资料报道，美国已经将活性材料破片技术应用于某型号的“战斧”巡航导弹上[4]。目前，国内研究多以金属粉末和高分子氟化物混合制成的活性材料为主，例如蔡振华[5]、李旭峰[6]等对活性破片进行了系统的研究。

本研究利用ANSYS/LS-DYNA软件对活性材料药型罩的射流成型过程进行了数值仿真；同时，采用聚能装药驱动活性药型罩，对其破甲性能及毁伤后效进行了实验研究。

1 活性药型罩数值仿真

数值模拟选用非线性有限元软件LS-DYNA进行计算，模型结构采用Lagrange算法；战斗部装填B炸药，材料模型和状态方程为弹塑性模型(Elasitic- Plastic-Hydro)、点火与增长方程(Ignition-Growth- of-Reaction-in-HE)。分别计算了药型罩形状、锥角及厚度对射流破甲性能的影响。

1.1 药型罩形状对射流破甲性能影响

为研究药型罩形状对破甲性能影响，分别对锥形（60°）、半球形、喇叭形，厚度均为6mm的药型罩进行了计算，计算结果如图1~3所示。

图1 不同药型罩形状对射流破甲性能影响

图2 不同形状药型罩射流速度梯度变化

由图1~3可以看出，在同一时间，喇叭形药型罩形成的射流相对比较细长，射流头部速度也最大，但喇叭形药型罩形成的射流速度梯度变化较大，在侵彻过程中容易发生断裂；半球形药型罩形成的射流相对比较粗，金属射流的速度梯度也比较均匀，有利于破甲孔径的增大，但射流头部速度偏低，破甲深度大大减弱；锥形药型罩形成的金属射流比较细长，速度梯度也较均匀，射流头部速度虽然低于喇叭形药型罩，但相对而言也比较适中，因此，选用锥形药型罩作为战斗部的药型罩，其破甲性能要优于半球形和喇叭形药型罩。

图3 射流头部速度随时间变化关系

1.2 药型罩锥角对射流破甲性能影响

为研究药型罩锥角对射流破甲性能的影响，文中分别对锥角为15°、30°、45°、60°、75°、90°的药型罩进行了计算，计算结果如图4~5所示。

图4 药型罩锥角对射流破甲性能影响

图5 不同锥角药型罩射流速度梯度变化

由图4~5分析可知，随着药型罩锥角的增大，所形成射流的头部速度逐渐减少，杵体逐渐变小，这是由于锥角的改变引起爆轰波波阵面作用于药型罩位置的改变，导致药型罩材流动方向改变。射流头部速度减小将降低其侵彻能力，杵体减少有利于药型罩材料的充分利用。药型罩锥角较小时，其所形成的射流头部速度较大，但是射流的速度梯度变化不均匀，侵彻过程中易发生断裂，同时形成的杵体也较大，罩材利用率低；药型罩锥角过大时，所形成的射流头部速度偏小，同样也不利于破甲性能的提升。因此，在设计药型罩时，应综合考虑锥角对射流头部速度、射流速度梯度变化和杵体大小的影响。综上所述，药型罩锥角应选择在45~75°较合适。

1.3 药型罩壁厚对射流破甲性能影响

为了研究药型罩壁厚对射流破甲性能影响，分别对壁厚为2mm、4mm、6mm、8mm、10mm的药型罩进行了计算，其结果如图6~7所示。

图6 药型罩壁厚对射流破甲性能影响

图7 不同壁厚药型罩射流速度梯度变化

由图6~7分析可知，药型罩壁厚越大，所形成的射流头部速度越小，杵体越大。由射流的形貌可以看出，药型罩厚度为2mm时，药型罩壁厚过小，药型罩材料在受到爆轰波冲击变形后，形成的射流速度梯度过大，射流容易发生断裂；药型罩厚度为10mm时，药型罩壁厚过厚，形成的射流头部速度较小，破甲性能较弱，形成的杵体过大，罩材的利用率低。综上所述，药型罩壁厚选择在6~8mm较合适。

2 验证试验及结果

2.1 试验

药型罩采用PTFE/Al体系活性材料，密度为2.32g/cm3；药型罩设计为圆锥形结构，如图8所示；药型罩锥角60°，壁厚6 mm，口径70 mm，重量85g。采用B炸药对活性药型罩进行驱动。分别对活性药型罩的破甲性能以及破甲后引燃柴油箱进行了试验，试验布置如图9所示。

图8 活性药型罩实验件

图9 试验布置图

2.2 试验结果与分析

2.2.1 破甲性能试验

不同炸高条件下，活性药型罩的破甲试验结果如表1所示。1.0D炸高下活性药型罩破甲情况如图10所示，不同炸高条件下的破甲孔径曲线如图11所示。

表1 破甲性能试验数据

Tab.1 Test result of penetrating performance

（a）

(b)

图10 活性药型罩破甲情况（1.0D炸高）

Fig.10 Photo of penetration of reactive liner(1.0D)

图11 不同炸高条件下的破甲孔径曲线

由表1和图11可知，活性药型罩的破甲孔径与炸高基本上呈线性关系，随着炸高的增大活性药型罩的破甲口径逐渐减少；活性药型罩的破甲深度随炸高的增加呈先增大后减小的趋势，主要是由于炸高过低时射流未完全形成，药型罩的利用率低，而炸高过高时，射流易发生断裂而影响破甲深度。活性药型罩选择合适的炸高（1.0~1.5D）时，其破甲深度可达65mm。

根据试验测量的破甲孔径及破甲深度等相关尺寸，计算出不同炸高条件下靶孔洞容积，图12给出了活性药型罩破甲孔洞容积与炸高的关系。由图12可知，活性药型罩破甲的孔洞容积随炸高的增加呈先增大后减少的趋势，因此，当炸高条件选择为1.0~1.5D时，活性药型罩的破甲性能最佳。

图12 炸高与破甲孔洞容积关系曲线

2.2.2 引燃柴油箱试验

根据破甲性能试验结果，引燃柴油箱实验时，选择1.0D炸高条件，靶板厚度50mm，共进行了5次试验，试验结果如表2所示。表2试验结果表明，活性药型罩破甲后，靶板后的柴油箱均被引燃，发生剧烈燃烧，如图13所示，引燃率达100%。

图13 活性药型罩破甲后引燃柴油箱实验效果

表2 引燃柴油箱试验数据

Tab.2 Test result of igniting diesel tank

3 结论

数值仿真及验证试验结果，活性药型罩选用锥形药型罩，锥角45~75°，壁厚6~8mm，炸高条件1.0~1.5D时，破甲性能最佳；活性药型罩选择合适的炸高时，最大破甲深度可达65mm；活性药型罩形成的射流在击穿一定厚度靶板后，可有效引燃靶后柴油箱。

[1] 余庆波.活性破片战斗部威力评价方法[J].北京理工大学学报,2012,7(32):661-665.

[2] N Council.National research council washington Dc naval studies board 2002 assessment of the office of naval research’s air and surface weapons technology program[R].ADA 413237, 2002.

[3] Jerry LaCamera.Navy presentation to the NDIA munitions executive summit[Z].2004.

[4] De Technologies Inc. Reactive fragment warhead for enhanced neutralization of mortar, Rocket, & Missile Threats [Z].2006.

[5] 蔡振华.含能破片对巡航导弹燃料舱毁伤研究[D].南京:南京理工大学,2010.

[6] 李旭锋.含能破片对模拟战斗部的引爆机理研究[D].南京:南京理工大学,2006.

Simulation and Experimental Study on the Damage Performance of Reactive Liner

LIU Yan-jun, XIAO Gui-lin, CHEN Jun, SHAN Zhi-cheng , CHEN Yun

(The State-run No.861 Factory, Changsha, 410100)

The jet performance formed by reactive liner was simulated by ANSYS/LS-DYNA software, the influence of shape, cone angle and thickness of liner on the jet character was studied, meanwhile, the damage effect of the reactive liner was tested. The test results show that as the blasting height of 1.0D~1.5D, the penetration effect is the best, the maximum penetration depth reaches to 65mm, and the jet formed by reactive liner can penetrate the target plate with 50mm thickness, then ignite the diesel oil tank effectively.

Liner；Reactive materials；Numerical simulation；Jet

1003-1480（2017）03-0018-04

TJ410.3+33

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2017.03.005

2017-04-20

刘艳君（1988 -），男，工程师，主要从事战斗部毁伤技术研究。