成型装药水下大炸高对多层间隔靶的侵彻威力
时间：2022-12-02 22:25:02 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
杨 珊，王树山，王韫泽，桂秋阳，曾 晶，郑灿杰，贾曦雨
(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.航天科工智能运筹与信息安全研究院(武汉)有限公司，湖北 武汉 430040；
3.山东特种工业集团有限公司，山东 淄博 255201)
现代舰船为了对抗水下武器攻击，一般都增设了抵抗水下爆炸的防护结构。典型防护方案是船底外板和第二层底之间装压载水的双层底方案和三层底方案，使舰船的生存力得到了很大的提高，同时也为如何高效毁伤船舶结构提出了新的课题[1,2]。为有效提高对现代舰艇的毁伤能力，在提高水中兵器制导精度和命中概率的基础上，采用成型装药战斗部成为水中兵器发展的一个重要方向[3]。成型装药产生的具有极强局部侵蚀与破坏威力的聚能射流或爆炸成型弹丸等，能够对装甲等坚固目标造成穿孔式破坏并形成后效毁伤，可以破坏舰艇装甲和内部纵深方向的设备和结构[4-5]。实际战场情况复杂，水中兵器与舰船弹目交汇时常为大炸高条件[6]。由此可见，成型装药水下大炸高条件下侵彻多层间隔靶研究具有重要的工程实用价值。
国内外对成型装药的侵彻行为进行了大量的研究，目前空气中成型装药的特性研究较为完备，而有关水中成型装药侵彻的研究较少，且多偏重于小炸高条件下的机理研究。在空气中Jet绝对穿深大、孔径较小；
EFP绝对穿深不如射流，但孔径大，且对炸高不敏感；
JPC的侵彻深度和孔径等均介于二者之间[1,7]。梁争峰[8]、陈少辉[9]等建立了成型装药射流侵彻间隔靶数值模型，研究了间隔靶对射流的影响并给出了射流侵彻间隔靶的公式。HU Feng 等[10]基于LS-Dyna进行了聚能装药射流侵彻混凝土类靶的相关研究；
李明星[11]、Zaki S等[12]研究了药型罩材料结构和炸药类型对聚能装药侵彻效能的影响；
ZHOU Fang-yi等[13]基于LS-Dyna进行了锥形和球形聚能装药水下爆炸仿真研究；
郭雁潮[14]进行了聚能装药对舰船典型靶板的毁伤特性研究；
Ladov S V等[15]研究了变厚度锥形和半球形药柱形成聚能装药射流的数值分析；
Zhang Z等[16]研究了不同成型装药水下近场对平板爆炸损伤响应的影响；
Pai V V等[17]研究了聚能装药射流形成过程中锥形药型罩的不稳定性; JIA Xin等[18]、GUO H等[19]则研究了聚能射流对运动目标和钢靶的侵彻。尽管如此，已有研究尚不能有效解决成型装药水下大炸高条件下侵彻多层间隔靶的问题。
本实验针对成型装药水下大炸高条件下对间隔靶的侵彻能力进行研究，通过改变药型罩形状，分别建立了典型射流、杆式射流和爆炸成型弹丸水下大炸高条件下侵彻多层间隔靶的数值仿真模型，得到其基本规律和威力性能，在此基础上，针对半球罩杆式射流进行深化研究，分别建立顶厚边薄和顶薄边厚的渐变壁厚药型罩杆式射流模型进行计算，并针对顶厚边薄的渐变壁厚药型罩算例进行试验验证，以期支撑和推动水下高效毁伤技术创新发展。
1.1 成型装药与靶标设计
根据一定的工程背景，设计的成型装药以B炸药为主装药，装药直径72mm，装药高度130mm，钢质壳体壁厚2mm，紫铜药型罩等壁厚2mm。为有效检测侵彻能力并考虑工程背景，设计的多层间隔靶共6层，其中第一层主靶板为6mm厚Q235钢板，其余5层辅靶板均为3mm厚2A12铝板，依次编号为靶板1～6，靶板间距均为100mm。炸高由130mm空气间距和500mm水中作用距离组成(合计接近9倍装药直径)，其中空气间距可保证侵彻体的形成或成型，并符合战斗部的实际状态。
1.2 模型建立和边界条件
计算模型由壳体、装药、药型罩、空气、水、多层间隔靶组成，考虑成型装药的回转体特性，出于平衡计算精度与计算网格数量矛盾的角度，将模型优化为2D模型，即模型关于轴线对称，模型示意图见图1。
图1 计算模型示意图
仿真过程中，采用AUTODYN2D流固耦合计算方法，将战斗部壳体、靶标作为固体部分，空气、水域作为流体部分，考虑装药起爆后以及药型罩受压后的流体特性，将此两部分也做流体处理。射流在水中向前飞行，对靶板进行侵彻，观察对其作用情况。
网格尺寸为1mm×1mm；
整个流体域关于X轴对称，尺寸为1400mm×100mm(1/2 2D模型)；
起爆点设立于装药模型的顶部中心位置。在流体域除对称边界外其他边界处添加无反射边界。
1.3 材料模型
计算过程中选用的材料在AUTODYN软件材料库中均有成熟模型，选用情况如表1所示。
表1 材料模型
1.4 算例
为对比Jet、JPC和EFP3种类型侵彻体的侵彻能力，通过调节药型罩来建立同一装药条件下的3种算例，如表2所示，药型罩及装药结构如图2所示。
表2 算例方案
图2 药型罩及装药结构示意图
1.5 结果与分析
由仿真结果可知，杆式射流侵彻能力最强，射流次之，EFP侵彻能力最低。如图3所示，A1(Jet)算例射流穿透了靶板1～3，到达靶板4时形态已经耗散，不再具备侵彻能力，对靶板4造成塑性变形；
A2(JPC)算例杆式射流穿透靶板1～4后，零星射流连同靶板4的飞散物对靶板5造成塑性变形；
A3(EFP)算例EFP穿透了靶板1和2，未对靶板3造成形变。
图3 3种算例对靶板的侵彻结果
100μs时3种算例的侵彻体形态如图4所示，侵彻过程中侵彻体穿靶速度如图5所示。从侵彻过程来看，Jet成形过程中拉伸均匀，形成的射流较为细长，成形初期速度较高，但在水层运动中速度降低快，在复杂流体域以及较高的速度差作用下断层明显，这一情况也造成了侵彻过程中射流的质量耗散明显，降低了其侵彻能力，其到达靶板4时虽然仍有侵彻体微元速度较高，但形态已经耗散，不再具备侵彻能力；
JPC初始速度较射流较低，在运动过程中断层情况相较射流质量均匀，每段断层的射流都具备侵彻能力，存在二次甚至多次侵彻的可能，质量耗散相对较少，具有更稳定的侵彻能力，其到达靶板4时速度虽然略低于射流，但仍能穿透靶板4并对靶板5造成塑性变形；
EFP相对其他侵彻体成形初期速度较低，且在运动过程中受水介质阻力影响大、成型性差、速度下降快，抵达靶板1时速度已经较低，仅穿透2层靶板，侵彻能力较低。
图4 3种算例侵彻体形态
图5 3种算例侵彻速度
2.1 算例设计
在同等装药条件下，通过改变药型罩结构形式可以有效提高射流的侵彻能力和开孔能力[20]，为了提高杆式射流的侵彻威力，保证相同药型罩质量和装药半径，在A2基础上增加两个算例如表3所示，药型罩如图6所示，其余条件不变。
表3 算例设计
图6 半球药型罩示意图
2.2 仿真结果与分析
由仿真结果可知，顶厚底薄半球罩杆式射流对于靶板有更强的侵彻能力；
3种算例的靶板侵彻结果如图7所示。由图7可知，JPC-1射流穿透主靶板后又穿透了3层辅靶板，零星射流连同靶板4的飞散物对靶板5造成塑性变形；
JPC-2射流穿透主靶板后又穿透了4层辅靶板，并低速对靶板6造成塑性变形;JPC-3穿透了主靶板后又穿透了2层辅靶板，对靶板4造成塑性变形。由此可见，JPC-2穿透主靶板后的后续侵彻能力比JPC-1提升了25%左右，JPC-3则比JPC-1降低了25%左右。
图7 3种算例的靶板侵彻结果
射流形成过程中杆式射流整体细长，形态相似，如图8所示。由图8可知，与等壁厚的JPC-1相比，JPC-2射流拉伸均匀，断裂较晚，提升了射流的有效侵彻质量和动能；
JPC-3射流质心的位置向杵体靠近,杵体和两翼部分明显逐渐粗大，射流断裂较早，导致侵彻能力下降。
采用试验战斗部在水域条件下对间隔靶进行侵彻，并对被侵彻靶板进行观测及分析，获得射流能够侵彻的靶板层数，用于验证在水域条件下渐变壁厚药型罩杆式射流的靶板毁伤能力，与对应算例的计算结果进行对比分析，为数值模型的正确合理性以及仿真结果的准确有效性提供试验依据。
3.1 试验方案
试验在2.5m×2.5m×3m的方形水池中进行，试验布置如图9所示。试验战斗部装药为注装B炸药，装药质量约为0.78kg，装药直径72mm；
传爆药柱2发，成分为钝化RDX，质量约10.3g；
试验靶标采用多层间隔结构，共6层，由靶架控制间距，每层间距100mm，靶板1为6mm厚Q235钢板，靶板2～6为3mm厚2A12铝板；
战斗部垂直安装于第一层靶板中央，炸高为630mm。为保证试验数据可靠性，选择对一种工况进行重复试验，共进行2发水中爆炸试验，工况按仿真JPC-2所设。
3.2 结果与分析
试验后靶板如图10所示，试验参数与仿真数据对比如表4所示，两发试验的射流均穿透了靶板1～5，并造成了靶板6轻微变形，与仿真结果相一致。
图10 试验后靶板照片
表4 试验参数与仿真数据对比
由于仿真计算中采用2D等效方案，因此在穿孔过程中，靶板被花瓣形撕裂的效果无法完全复原，本实例中的开孔尺寸以靶板开孔后靶板的明显折点处尺寸进行统计。
表4可知，仿真得到的破孔数据与试验对比可以看出其破孔大小比例，各靶开孔趋势有较高的一致性，可以说二者吻合度和一致性良好，从而可以认为数值仿真模型正确合理，仿真结论可信。
(1)水下大炸高条件下同一成型装药结构的JPC，比Jet抵抗水介质和多层靶干扰、耗散能力强，比EFP速度高、存速能力强，对多层间隔靶具有相对最强的侵彻能力。
(2)顶厚边薄的渐变壁厚半球罩相比等壁厚半球罩的JPC，拉伸均匀，提升了有效侵彻质量和动能，能够显著提高侵彻能力，所研究实例穿透主靶板后的后续侵彻能力可提高25%左右。
猜你喜欢 装药射流间隔 超声速气流中激波/边界层干扰微射流控制研究进展航空兵器(2022年4期)2022-10-11深海逃逸舱射流注水均压过程仿真分析舰船科学技术(2022年11期)2022-07-15梯形截面聚能装药射流成型特性研究弹箭与制导学报(2022年2期)2022-06-06低压天然气泄漏射流扩散特性研究煤气与热力(2022年4期)2022-05-23双独立聚能装药同步形成双EFP的隔爆因素研究兵器装备工程学报(2022年4期)2022-05-09不同升温速率下模块装药的烤燃特性分析装备环境工程(2022年3期)2022-04-09基于夹层装药的EFP结构设计及仿真分析兵器装备工程学报(2022年3期)2022-04-08间隔，是为了找到更好的自己新东方英语(2016年4期)2016-04-06上楼梯的学问读写算·小学低年级(2014年4期)2014-07-24头夹球接力小雪花·成长指南(2009年10期)2009-12-04
