罩间隙对3层串联EFP成型影响数值模拟研究

2023-07-03尹建平张雪朋伊建亚

兵器装备工程学报 2023年6期

徐粲,尹建平,张雪朋,伊建亚

(中北大学机电工程学院, 太原 030051)

0 引言

随着科学技术的发展,装甲目标的防护能力逐渐增强,间隔装甲、复合装甲、贫铀装甲、屏蔽装甲、反应装甲等技术被广泛采用,现在的装甲目标已经成为运动速度快、火力猛、威力大、防护能力强的移动堡垒。多层串联EFP战斗部是近几年提出的新概念战斗部之一[1],这种战斗部起爆后可以在同一轴线上形成多个串联EFP,能够有效应对新型装甲目标。

为了进一步提高多层串联EFP战斗部的威力,众多学者[2-6]对其展开研究。Weiman等[7]对双层串联EFP进行了实验研究,实验中使用的药型罩由钽和铁组成,形成了钽头铁尾串联毁伤元。窦成彪等[8]研究了药型罩层数对EFP战斗部的威力的影响,结果得出3层和5层的药型罩结构侵彻效果最好。任芮池等[9]分别研究了等罩间隙、罩顶间隙和罩底间隙存在时对双层串联EFP成型的影响,研究结果表明:等罩间隙方案随着间隙增大,前级EFP有断裂趋势;罩底间隙方案则有利于形成速度差更大且外形良好的串联EFP;罩顶间隙方案有利于形成外形良好的串联EFP,但串联EFP的速度差基本保持不变。但他们并没有研究罩间隙的存在对串联EFP的侵彻能力的影响。何佳全等[10]研究了药型罩的曲率半径、壁厚和材料对串联 EFP成型的影响。龙源等[11]研究了起爆点数目对双层串联EFP的成型及毁伤效果的影响。可以看出,前人对多层串联EFP成型的影响因素进行了诸多的探索并取得了一定的成果。

本文中以任芮池等人的研究为基础,以3层串联EFP战斗部为研究对象,采用LS-DYNA软件,对不同药型罩间隙的3层串联EFP的成型与侵彻靶板的过程进行数值模拟,进一步研究不同罩间隙对3层串联EFP侵彻效果的影响。为多层串联EFP战斗部的进一步研究提供参考。

1 有限元模型的建立

本文中所设计的战斗部主要由装药和药型罩组成。装药直径D=60 mm,内层药型罩外轮廓的曲率半径R=33 mm,装药高度H=60 mm,3层药型罩厚度由外到内分别为1.3、1.2、1.0 mm(靠近装药的药型罩为内罩、远离装药的药型罩为外罩),药型罩为次口径球缺药型罩。为了研究不同药型罩间隙对3层串联EFP成型与侵彻效果的影响,本文共设计了6种不同的方案,分别是无罩间隙时3层串联EFP战斗部和罩间隙为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mm时3层串联EFP战斗部,且3层药型罩的厚度保持不变,6种方案中内层药型罩外轮廓的曲率半径均为33 mm,变化间隙的过程中内罩始终与装药贴合。罩间隙存在时的3层串联EFP战斗部结构如图1所示,图1中δ代表罩间隙。

图1 罩间隙存在时的战斗部结构Fig.1 Warhead structure with liner gap

为了得到更好的仿真效果,建立了完整的3层串联EFP战斗部3D模型,模型采用HyperMesh软件进行网格划分,划分的网格为六面体网格,如图2所示。数值模拟计算采用ANSYS/LS-DYNA软件,模型采用Lagrange算法。装药为奥克托今炸药(HMX),采用 HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型和JWL状态方程,表1为奥克托今炸药的基本参数[12]。药型罩材料均为铜,采用JOHNSON_COOK材料模型和GRUNEISEN状态方程,表2为药型罩材料的基本参数[13]。

表1 HMX的基本参数Table 1 Material parameters of HMX

表2 铜的基本参数Table 2 Material parameters of copper

图2 罩间隙为0.3 mm时的战斗部网格模型Fig.2 Finite element model of warhead with liner gap of 0.3 mm

为了比较3层串联EFP战斗部有罩间隙、无罩间隙及存在不同罩间隙时的毁伤效果,在炸高为72.3 mm处设立了尺寸为120 mm×120 mm×200 mm的半无限靶,靶板材料为45钢,采用JOHNSON_COOK材料模型和GRUNEISEN状态方程。靶板同样建立了完整的3D模型,采用HyperMesh软件进行网格划分。

2 3层串联EFP成型数值模拟研究

EFP的成型是在药型罩与炸药的爆轰产物相互作用下实现的,炸药爆炸后,爆轰波作用于3层药型罩各微元的力的大小和方向均不同,因此,药型罩各微元所获得的速度也各不相同,这种速度的差别,是导致EFP成型与分离的主要原因。由数值模拟得到的无罩间隙时3层串联EFP的成型过程如图3所示,由图3可见,炸药起爆后,爆轰波到达药型罩,使药型罩彼此之间相互碰撞并向后翻转,18 μs时药型罩的尾部开始分离;24 μs时3层药型罩均向后翻转完成,34 μs时3层罩彼此之间产生间隙;70 μs时3层药型罩之间的间隙变得更大;86 μs时形成稳定的3层串联EFP弹丸。

图3 无罩间隙时3层串联EFP成型过程Fig.3 Forming process of three layer tandem EFP without liner gap

3 不同罩间隙对3层串联EFP的影响

3.1 不同罩间隙对3层串联EFP成型形态的影响

为了了解不同罩间隙对3层串联EFP成型的影响,对前面设计的5种不同罩间隙方案进行了数值模拟。86μs时不同罩间隙形成的3层串联EFP图像如图4所示,由图4可见,此时形成的3层串联EFP弹丸趋于稳定,但3层串联EFP均未发生分离。分析原因可能为外层药型罩形成的EFP尾部速度与中层药型罩形成的EFP头部速度相差不大,中层药型罩形成的EFP与内层药型罩形成的EFP未分离的原因也是如此。

图4 不同罩间隙形成的3层串联EFP(t=86 μs)Fig.4 Three layer tandem EFP formed by different liner gaps(t=86 μs)

此外,由图4可见,罩间隙的存在会对3层串联EFP成型产生影响,与无间隙时相比,存在罩间隙的3层串联EFP战斗部,外层药型罩形成的EFP头部实心部分的长度略有拉长,且随着罩间隙的增大变得越发尖锐,使其具有更好的侵彻能力;随着罩间隙的增加,中层药型罩形成的EFP头部实心部分变短,影响其侵彻能力,但对内层药型罩形成的EFP的成型影响不大。

分析原因可能为当爆轰波与周围介质相互作用时,会在介质中产生激波或应力波,推动物体运动。罩间隙的存在会使炸药爆炸产生的爆轰波与罩间隙的空气介质相互作用,产生额外的应力波作用于药型罩,因此,会对存在罩间隙的3层串联EFP的成型产生影响。

86 μs时不同罩间隙形成的3层串联EFP的长径比见表3,其中L1/D1是外层药型罩形成的EFP的长径比,L2/D2是中层EFP的长径比,L3/D3内层EFP的长径比。

表3 不同罩间隙形成的3层串联EFP的长径比(t=86 μs)Table 3 Aspect ratio of three-layer tandem EFP formed by different liner gaps(t=86 μs)

由表3可见,外层EFP和内层EFP的长径比均随罩间隙的增加而增加,罩间隙在0～0.1 mm时,中层EFP的长径比随罩间隙增加而减少,在0.1～0.5 mm时,中层EFP的长径比随罩间隙增加而增加,长径比总体呈上升趋势,罩间隙为0.5 mm时3层串联EFP的长径比最大。因此,罩间隙的存在会使3层串联EFP的长径比增加。

3.2 不同罩间隙对3层串联EFP速度的影响

3层串联EFP的良好外形对其毁伤效果具有重要影响,此外,形成稳定的3层串联EFP时所具有的速度,也是影响其毁伤效果的重要因素之一。不同罩间隙情况下3层药型罩速度的具体数值如表4所示,3层EFP速度的折线图如图5所示,通过图5可以直观地观察到不同的罩间隙对3层串联EFP稳定飞行时速度的影响。

表4 不同罩间隙情况下3层药型罩的速度Table 4 Velocity of three-layer liner under different liner gaps

图5 不同罩间隙情况下3层EFP的速度Fig.5 Velocity of EFP in three layers under different liner gaps

由表4和图5可见,与无罩间隙时的3层串联EFP战斗部相比,罩间隙的存在会增大中层罩和内层罩形成的EFP的速度,且罩间隙为0.5 mm时,对中层罩和内层罩的速度增加量最大,分别增加了12.58%和16.76%,但对外层罩形成的EFP的速度影响不大。

分析原因可能为炸药爆炸时的爆轰产物作用于内层药型罩,并向其传递能量,内层药型罩又通过药型罩彼此之间的相互作用将能量向前传递,使各层药型罩获得不同的动能,形成具有不同速度的3层串联EFP。因为外层EFP的速度变化不大,所以罩间隙的存在并不影响能量向外层药型罩的传递;但由于罩间隙的存在使3层药型罩彼此之间的相互作用减少,从而使中层罩和内层罩自身保有更多的动能,增大了中层罩和内层罩形成EFP的速度。

3.3 不同罩间隙对3层串联EFP侵彻能力的影响

3层串联EFP战斗部主要依靠其形成的3个串联EFP对目标进行接力侵彻来实现穿甲。6种方案的3层串联EFP侵彻靶板结果如图6所示,6种方案的3层串联EFP对靶板的侵彻深度如图7所示,由图7可见,罩间隙为0.1～0.5 mm时,3层串联EFP战斗部对靶板的侵彻深度均高于无罩间隙存在时的3层串联EFP战斗部,且罩间隙为0.4 mm时侵彻效果最好。6种方案的靶板开孔直径如图8所示,由图8可见,罩间隙为0.1 mm和0.5 mm时,3层串联EFP对靶板的开孔直径大于无罩间隙时的3层串联EFP战斗部,罩间隙为0.2～0.4 mm时,3层串联EFP对靶板的开孔直径小于无罩间隙时的3层串联EFP战斗部。综合考虑,罩间隙为0.4 mm时,3层串联EFP战斗部对靶板的侵彻能力最强。由此可得,设置合适的药型罩间隙,可以增强3层串联EFP的侵彻能力。