爆炸成型PELE形成影响因素的数值模拟研究

2020-07-02孙圣杰王树有蒋建伟门建兵

火炸药学报 2020年3期

关键词：长径曲率装药

孙圣杰，王树有，谭杰，蒋建伟，门建兵

(1.北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081；2.山西江阳化工有限公司，山西太原 030041)

引言

横向效应增强型侵彻体(PELE)通过挤压目标产生的横向增强效应使弹丸在靶后产生大量的破片进行二次杀伤，具有较高的毁伤威力[1]。传统PELE依靠发射时获得的动能对目标实现毁伤作用，其对发射平台要求较高，限制了其应用。

爆炸成型弹丸利用炸药爆轰产生的巨大能量，将药型罩瞬间锻造成具有不同毁伤能力的弹丸[2]。不少学者已经针对单层[3]和双层[4-5]药型罩装药结构进行了研究，总结出了较为成熟的药型罩成型技术。

基于爆炸成型弹丸装药技术，结合PELE效应原理，门建兵等[6-7]基于双层药型罩组合模式，设计了一种包覆式爆炸成型复合侵彻体结构，产生具有PELE结构和作用效果的复合式侵彻体毁伤元。Xin Chun-liang等[8]基于双层和三层药型罩结构产生两种毁伤元均具有类似于PELE的结构特点。目前，基于包覆式结构对爆炸成型PELE形成影响因素的系统研究尚未见报道。本研究采用数值模拟方法分析了包覆式战斗部的药型罩结构参数、药型罩材料以及装药长径比对爆炸成型PELE形成的影响规律，以期为新型聚能装药设计提供参考。

1 数值模拟

1.1 结构及模型

图1为战斗部结构及数值模拟模型。采用AUTODYN数值模拟软件建立二维轴对称模型来研究爆炸成型PELE的形成规律[9]，模型网格总数为6300。所有参数均进行无量纲处理。H为装药长度，D为装药直径，R1、R2、R3分别为内罩曲率半径(等曲率半径)、外罩内曲率半径和外罩外曲率半径。θi和θo分别为内、外罩的罩顶厚度。

图1 战斗部结构和计算模型示意图Fig.1 Schematic diagram of warhead structure and numerical model

为验证模型的准确性，利用数值模拟方法针对文献[4]的试验结果进行重现。图2给出了50μs和70μs时刻爆炸成型PELE的计算结果与试验结果对比。在50μs时刻，脉冲X光捕捉到成型侵彻体的长径比约为2.07(图2(a)中左侧)，数值模拟得到成型侵彻体的长径比约为1.96(图2(a)中右侧)；70μs时刻，脉冲X光捕捉到成型侵彻体的长径比约为2.90(图2(b)中左侧)，数值模拟得到成型侵彻体的长径比约为3.03(图2(b)中右侧)。由此可见，本研究使用的数值模拟模型及材料模型能较为准确地描述包覆式药型罩的形成过程。基于此展开对爆炸成型PELE形成影响因素的数值模拟。

图2 数值模拟结果与试验结果对比Fig.2 Comparison between numerical simulation results and test results

1.2 密实度计算方法

研究表明[10]，PELE的侵彻原理为：外壳体对靶板进行侵彻，内部惰性装填物被挤压在外壳体与弹底之间，装填物中不断升高的压力使周围壳体膨胀产生横向效应，弹体穿透靶板后外壳体卸载，产生破片。据此，本研究认为若内部装填物的填充密实度较低，则在挤压过程中弹体内部压力提升缓慢，从而影响弹体的横向效应。因此，内部装填物的装填密实度将会对PELE的侵彻作用过程产生影响。由于爆炸成型PELE侵彻体具有不规则的形状，为了定量描述内部装填物的填充密实度，本研究提出采用内核与外壳内腔的体积比定量评价爆炸成型PELE密实度，用于衡量爆炸成型PELE形成优劣。

采用图像处理技术对侵彻体形成后的形貌进行灰度处理，并分别提取二维模型中内核和外壳的边界。随后对每一个旋转微元的体积进行计算，最后对旋转微元体积进行轴向积分，求出相应旋转体的体积。图3为侵彻体密实度示意图。

图3 侵彻体密实度示意图Fig.3 Compactness of explosively formed PELE

侵彻体密实度φ可通过式(1)计算求得：

(1)

式中：V1为外壳所围成的闭合空腔体积；V2为内核体积。

2 结果与讨论

2.1 药型罩材料对爆炸成型PELE形成的影响

PELE的外壳密度较高，内核密度较低。根据这一结构特点，选取铁、钨、钽3种密度较高材料作为外罩材料，选取铝、钛2种密度较低的材料作为内罩材料。数值模拟中使用的材料模型及材料参数均取自AUTODYN材料库[11]，使用的材料及模型如表1和表2所示。数值模拟时，将外罩内曲率半径取为1.35D，研究药型罩材料对侵彻体形成的影响。

表1 各部件Shock状态方程参数

表2 B炸药JWL状态方程参数

由于装药爆轰产物与药型罩的作用时间均小于20μs。为了使爆炸成型PELE内核与外壳的速度一致，截取30μs时刻侵彻体的成型状态，以保证侵彻体内核与外壳达到相同的速度。表3给出了30μs时不同材料组合爆炸成型PELE侵彻体的密实度及速度。

从表3可知，密度较大的钽和钨作为外罩材料时，爆炸成型PELE的密实度较低。采用钛作为内罩材料时，内罩在成型过程中易发生断裂，使得侵彻体密实度降低。同等战斗部结构条件下，内罩材料为铝、外罩材料为铁时，爆炸成型PELE的密实度和速度较高。因此，本研究选用铁作为外罩材料，铝作为内罩材料，研究战斗部其他结构参数对爆炸成型PELE形成的影响。

表3 药型罩材料组合对爆炸成型PELE形成的影响

2.2 药型罩结构对爆炸成型PELE形成的影响

2.2.1 外罩内曲率半径对爆炸成型PELE形成的影响

外罩顶厚度取为0.05D，外罩内曲率半径取1.05D、1.15D、1.25D、1.35D四种工况，研究其对侵彻体形成的影响。表4给出了30μs时侵彻体的形貌及形成参数。

表4 外罩内曲率半径对爆炸成型PELE形成的影响

从表4可知，随着外罩内曲率半径的增大，侵彻体的密实度呈先增大后减小的趋势，当外罩内曲率半径为1.15D时，密实度达到最大值0.56。分析其原因在于，当外罩内曲率半径过小时，外罩整体厚度较大，导致外罩在成型过程中难以弯折，从而无法紧密包覆内核，使得侵彻体密实度较低；外罩内曲率半径过高时，外罩整体厚度较小，导致外罩在成型过程中易出现畸变，从而影响侵彻体的密实度。

从表4还可看出，随着外罩内曲率半径增大，侵彻体平均速度不断增大。这是由于随着外罩内曲率半径的增大，外罩整体厚度减小，从而使得其质量减少，侵彻体获得的整体速度也就越高。

2.2.2 外罩顶厚度对爆炸成型PELE形成的影响

外罩内曲率半径取为1.15D，外罩顶厚度取0.05D、0.06D和0.07D三种工况，研究外罩顶厚度对侵彻体的形成影响。表5给出了30μs时侵彻体的形貌及形成参数。

表5 外罩顶厚度对爆炸成型PELE形成的影响

从表5可知，随着外罩顶厚度的增加，侵彻体密实度呈先增大后减小趋势，当外罩顶厚度为0.06D时，侵彻体密实度达到最大值0.58。这是由于，当外罩顶厚度过小时，外罩在成型过程中易出现断裂情况，导致侵彻体内部出现空隙，从而使得侵彻体密实度降低；当外罩顶厚度过大时，外罩在成型过程中无法对内核进行密实包覆，从而使得侵彻体整体密实度降低。从表5还可看出，侵彻体平均速度随着外罩顶厚度增大而减小。这是由于外罩顶厚度增加将导致侵彻体质量增加，侵彻体速度将会随着外罩顶厚度的增加而降低。

2.2.3 内罩顶厚度对爆炸成型PELE形成的影响

外罩内曲率半径取1.15D，外罩顶厚度取0.06D，内罩顶厚度分别取0.03D、0.035D、0.04D和0.045D四种工况，研究内罩顶厚度对侵彻体形成的影响。表6给出了30μs时侵彻体的形貌及形成参数。

从表6可知，随着内罩顶厚度的增加，侵彻体密实度出现跳跃式变化。分析其原因在于，内罩顶厚度过小时，内罩易于挤压变形，形成长径比较小的包覆体。随着内罩顶厚度的增大，侵彻体形成后的长径比开始增加。当内罩顶厚度为0.035D时，内罩成型后呈狭长形，且成型后的内核内部存在大量空隙，从而导致侵彻体密实度较低。随着内罩顶厚度继续增大，成型后的内核内部空隙减小，在内罩顶厚度为0.04D时，侵彻体密实度达到最大。当内罩顶厚度继续增大，内罩可塑性开始降低，成型后的内核长径比开始下降，导致侵彻体密实度减小。

表6 内罩顶厚度对爆炸成型PELE形成的影响

从表6还可看出，侵彻体整体速度随内罩顶厚度增大而减小。这是由于内罩顶厚度增加将导致侵彻体质量增加，侵彻体速度将会随着内罩顶厚度的增加而降低。

2.3 装药长径比对爆炸成型PELE形成的影响

外罩内曲率半径取1.15D，外罩顶厚度取0.06D，内罩顶厚度取0.04D，装药长径比取0.3、0.4、0.5、0.6、0.7五种工况，研究装药长径比对侵彻体形成的影响。表7给出了30μs时侵彻体的形貌及形成参数。

从表7可知，侵彻体密实度随装药长径比的增加呈先增大后减小趋势，当装药长径比为0.5时，侵彻体密实度达到最大值0.86。其原因在于，当装药长径比过小时，装药输出能量较低，使得成型后的外罩与内罩之间存在大量空隙，致使密实度较低；装药长径比过大时，外罩受到的加速作用过于强烈，导致外罩在成型过程中的轴向拉伸现象加剧，使得外罩与内罩之间的空隙进一步增多，从而导致侵彻体密实度下降。

从表7还可看出，侵彻体平均速度随装药长径比增加而增加。这是由于随着装药长径比增大，装药释放的总能量增大，传递给侵彻体的动能也就越多，因而侵彻体的平均速度也就越大。