壁厚对具有PELE效应的EFP成型影响分析*

2018-11-13王雪飞尹建平孙加肖

弹箭与制导学报 2018年1期

王雪飞,尹建平,孙加肖

(中北大学机电工程学院,太原 030051)

0 引言

PELE(横向效应增强型侵彻体)是近几年来出现的一种基于新型毁伤机理的新概念弹药,其发展受到国内外弹药界的普遍关注。该弹药由高密度的外层壳体和装在壳体内部的低密度惰性装填物组成,当其撞击目标时,弹丸内部装填物的压力急剧增大,壳体产生径向膨胀,并对靶板扩孔。弹丸穿透目标后应力释放,外壳碎裂形成大量碎片。作为一种新概念毁伤元,这种弹体能像穿甲弹一样穿透目标的防护装甲,其独特的材料和结构还能使其在贯穿目标后破碎,形成像榴弹一样的破片场,在目标内产生二次杀伤效应[1-2]。PELE撞击靶板能够产生明显的横向效应,横向效应的强弱受多种因素影响。尹建平等研究了内外径比与长径比对PELE横向效应的影响[3-4],李干等研究了不同轻金属填充材料对PELE的影响[5]。

近年来,许多学者就弧锥结合药型罩结构参数对EFP成型的影响进行了各种研究,如D.Cardoso和F.Teixeira-Dias研究了EFP形成的方式与影响其性能的因素[6],李伟兵等研究了弧锥结合罩的结构参数对EFP成型的影响[7]。但仅通过观察仿真结果总结了EFP成型的趋势,并未从微观角度阐述现象发生的原理。且对于具有PELE效应EFP的成型与侵彻,国内很少有人研究报道。本研究将PELE弹的作用原理应用在爆炸成型弹丸上,设计了一种内含低密度装填物的新型弧锥结合罩。采用LS-DYNA有限元软件,通过拟合EFP成型参数曲线,分析了药型罩的各层壁厚对EFP成型的影响规律。

1 药型罩的结构参数与模型

新型弧锥结合药型罩采用次口径变壁厚设计[8-9],其结构如图1所示。药型罩结构参数为曲率半径R1、R2、R3、R4,半锥角α1、α2、α3、α4及外层壁厚δ1、装填物壁厚δ2、内层壁厚δ3。装药高度为60 mm,装药直径60 mm。药型罩的初始数据如表1所示。

表1 新型弧锥结合药型罩初始结构参数

参数参数值参数参数值δ1/mm0.35α1/(°)83δ2/mm0.60α2/(°)83δ3/mm0.35α3/(°)70R1/mm50α4/(°)70R2/mm50药型罩直径/mm52R3/mm50装填物直径/mm51R4/mm50

装药和药型罩均采用Lagrange算法,能够精确描述结构边界的运动且计算速度较快。使用Truegrid软件进行建模和网格划分,建立如图2所示的三维有限元网格模型。采用过渡网格针对局部进行优化。炸药与药型罩界面上的节点完全对应,增强装药与药型罩之间的耦合作用[10]。

装药采用8701炸药,密度为1.82 g/cm3,爆速为8 480 m/s,采用高能炸药材料模型计算,用Jones-Wilkins-Lee状态方程描述其爆轰产物压力,起爆方式为中心点起爆。药型罩材料为钢,密度为7.83 g/cm3,内部装填物的材料为铝,密度为2.77 g/cm3,两者动力响应过程选取Johnson-Cook材料模型和Gruneisen状态方程联合描述。添加*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURF-ACE关键字定义装药与药型罩之间的接触算法[10]。

2 壁厚对药型罩形成EFP的影响

2.1 影响EFP成型的因素

药型罩成型结果主要与药型罩微元(环形)的压垮速度有关,影响罩微元压垮速度的主要因素包括装药的爆速、罩微元的质量、罩微元所对应的装药质量及装药爆轰波阵面对罩微元的入射角等[11]。本研究所设计方案采用相同的装药结构、起爆方式、药型罩材料与口径。故影响罩微元压垮速度的重要因素便只剩下罩微元的质量与爆轰波对罩微元的入射角。而罩微元的质量与罩的壁厚相关。

2.2 外层壁厚对EFP成型的影响

保持其他参数不变,调整外层壁厚δ1的大小,仿真结果如图3所示。作出EFP速度、中心厚度、长度与长径比随外壁厚变化的曲线,如图4所示。

结合图3和图4分析外层壁厚的增大对EFP成型的影响:

①由图4(a)可知,EFP速度逐渐减小。这是因为外层壁厚增大导致药型罩整体质量增加,从而使EFP速度减小。

②由图4(b)可知,EFP中心厚度逐渐减小。因为外层壁厚增大使其微元质量增加,导致其微元速度减小。而只改变外层罩的结构参数,内层罩和装填物所受到影响的变化相对较小。所以药型罩罩顶部分速度梯度减小,其拉伸的长度变短,即形成的EFP中心厚度减小。

③由图3可知,EFP形状逐渐由向前压拢型向向后翻转型转变。因为罩底厚度相对于整体较薄,故罩底部分的材料更容易发生形变[12]。又因为在成型过程中罩底微元本身的速度梯度很小,故研究罩底微元的变化时,主要考察其速度变化即可。综上所述,当外层罩微元速度减小时,罩底部分的微元速度随之减小,其在EFP成型过程中走的就靠后,即EFP尾翼位置向后移动,从而使EFP的形状由压拢型逐渐向翻转型转变。

④由图4(c)、图4(d)可知,EFP长度先急剧减小后稍微增大,径向尺寸先增大后减小,长径比先减小后增大。当δ1<0.25 mm时,EFP长度随着尾翼的后翻和中心厚度的减小而急剧减小。当0.25 mm<δ1<0.85 mm时,EFP长度因中心厚度的减小而逐渐减小。当δ1>0.85 mm,虽然中心厚度仍在减小,但尾翼的后翻,反而使EFP长度逐渐增大;EFP径向尺寸随着尾翼的后翻先变大后变小;EFP长径比在径向尺寸和长度的共同作用下先减小后增大。

拟合EFP速度随外层壁厚变化的曲线方程:

(1)

式中:v1为EFP速度;δ1为外层壁厚。

2.3 装填物壁厚对EFP成型的影响

保持其他参数不变,改变装填物壁厚δ2的大小,仿真结果如图5所示。图6为EFP速度、中心厚度、长度与长径比随装填物壁厚变化的曲线。

结合图5和图6分析装填物壁厚增大对于EFP成型的影响:

①由图6(a)可知,EFP速度减小。因为装填物壁厚增大使药型罩整体质量增加,故EFP速度减小。

②由图6(b)可知,EFP中心厚度先减小后增大。

当δ2<1.6 mm时,因为随着材料的增多药型罩抵抗变形的能力有所提升[12],所以EFP中心厚度逐渐减小。当δ2>1.6 mm时,由于EFP尾翼变形过大导致微元之间的牵扯作用增大[11],EFP中心厚度反而增大。这种牵扯作用能够影响速度梯度的大小,从而影响EFP成型。

③由图5可知,EFP的形状逐步由压拢型向翻转型转变。因为装填物壁厚增加使其微元速度减小,故罩底速度减小,从而使EFP尾翼逐渐后翻。

④由图6(c)、图6(d)可知,EFP长度先稍微减小后急剧增大,径向尺寸持续增大,长径比先减小后增大。当δ2<2.1 mm时,EFP长度等于罩顶厚度,两者变化规律一致,均逐渐减小。当δ2>2.1 mm时,随着EFP尾翼的后翻,其长度逐渐变大;EFP径向尺寸也随着尾翼的翻转持续增大;EFP长径比在径向尺寸和长度的共同作用下先减小后增大。

拟合EFP速度随装填物壁厚变化的直线方程:

v2=3 038.403 88-248.689 92δ2

(2)

式中:v2为EFP速度;δ2为装填物壁厚。

2.4 内层壁厚对EFP成型的影响

保持其他参数不变,改变内层壁厚δ3的大小,仿真结果如图7所示。图8为EFP速度、中心厚度、长度与长径比随内层壁厚变化的曲线。

结合图7和图8分析内层壁厚增大对于EFP成型的影响:

①由图8(a)可知,EFP速度减小。因为内层壁厚增大导致药型罩整体质量增加,故EFP速度减小。

②由图8(b)可知,EFP中心厚度先增大后减小。因为内层壁厚增大使其各个微元质量增加,导致内层罩微元速度减小。又因为只改变了内层罩的结构参数,外层罩和装填物所受到影响的变化相对较小。所以,当δ3<0.65 mm时,罩顶部分速度梯度变大,故拉伸变长,从而EFP中心厚度增大。当δ3>0.65 mm时,由于尾翼翻转变形过大引起微元之间的牵制作用变大,从而导致EFP中心厚度减小。

③由图7可知,EFP的形状逐渐由向前压拢型向向后翻转型转变。因为内层罩微元的速度减小,导致罩底微元的速度也随之减小,从而使EFP尾翼位置逐渐向后移动,即EFP的形状由压拢型逐渐向翻转型转变;

④由图8(c)、图8(d)可知,EFP长度上下波动,径向尺寸先变大后变小,长径比先急剧减小后迅速增大。当δ3<0.25 mm时,EFP长度因尾翼的后翻而减小。当0.25 mm<δ3<1.15 mm时,EFP长度等于EFP中心厚度。在此区间,当0.25 mm<δ3<0.65 mm时,EFP的长度随着中心厚度的增大而增大,当0.65 mm<δ3<1.15 mm时,随着中心厚度的减小而减小。当δ3>1.15 mm时,EFP长度因为尾翼的逐渐后翻而稍微增大;EFP径向尺寸随着尾翼的翻转先变大后变小;EFP长径比在径向尺寸和长度的共同作用下先减小后增大。

拟合EFP速度随下壁厚变化的曲线方程:

(3)

式中:v3为EFP速度;δ3为内层壁厚。

2.5 对比分析

将EFP成型参数随外层罩、内层罩和装填物壁厚变化的曲线进行对比,如图9所示。

由图9(a)可知,内、外层壁厚的曲线几乎重合,且变化速度很快,而装填物壁厚的曲线变化较慢。这是因为内、外层罩材料的密度相对于装填物材料较高,增加相同的厚度,质量增加相对较多,故其曲线变化较快。内、外层壁厚的曲线重合,说明EFP速度与EFP整体质量直接相关,而与某一层的质量无直接关系。

由图9(b)可知,外层壁厚的改变对EFP的中心厚度影响很大,内壁厚次之,装填物壁厚最小。根据上文的分析可知,这是因为三者对EFP成型影响的原理不同,这里不再赘述。

结合图9(c)、图9(d)可知,当外层壁厚过大时,EFP长径比过小,导致侵彻效应降低;当装填物壁厚过大时,形成的EFP其长度和径向尺寸均很大,其尾翼部分在成型过程中容易被拉断而影响EFP的飞行稳定性。通过观察EFP仿真成型过程得知,装填物壁厚过大导致药型罩外围的装药高度上升,从而使装药对药型罩的作用时间变长,最终形成了这种不良的尾部形态;当内层壁厚过小时,虽然形成的EFP长径比较大,但是过于压拢的尾翼将影响其整体性能。

结合图3和图7可知,与外层壁厚相比,改变相同的数值,内层壁厚对于EFP尾翼形状的影响更大。这是因为内罩微元从罩口到罩顶其外切锥半顶角从70°连续变化到90°,相比外罩从83°到90°,变化范围更大,造成相邻微元的轴向速度差相对较大,所以对EFP尾翼形状的影响更大[11]。

3 药型罩结构优化与EFP侵彻效应

结合各层壁厚对EFP成型的影响,对弧锥结合药型罩的结构进行优化,优化后的结构参数如表2所示。图10为药型罩形成EFP的过程,从图中可以看出,优化后的药型罩能够形成内含低密度材料的包覆式EFP,且包覆效果较好。

表2 优化的弧锥结合罩结构参数

图11为EFP头尾速度和中心厚度随时间变化的曲线。结合图10和图11可知,EFP头尾速度在100 μs时基本趋于一致,其头部速度为2 308 m/s,长径比为1.75。

EFP对靶板的侵彻结果如图12所示。选取装甲钢为靶板材料,密度为7.83 g/cm3,尺寸为60 mm×60 mm×10 mm,其四周施加非反射边界。图12(a)为EFP侵彻靶板后的仿真结果,图12(b)为其左视图(隐藏了靶板),可以看出EFP在穿透靶板后碎裂成大量破片。图12(c)和图12(d)显示了靶板被穿透的细节,其中开孔入口直径为φ23 mm,出口直径为φ34 mm。图12(e)为EFP穿透靶板后的速度云图,可以看出此时EFP产生的破片仍具有较高的速度。整体来看,EFP凭借内、外两层药型罩形成的壳体获得了良好的穿甲性能,能够穿透靶板并产生横向效应对靶板扩孔,之后应力释放,碎裂形成具有较高轴向、径向速度的破片,对靶后目标进行有效毁伤。