包覆式复合侵彻体的数值模拟研究.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:录用日期:作者简介:王皓()男硕士研究生:.通信作者:李红欣()男高级工程师硕士生导师:.:./.包覆式复合侵彻体的数值模拟研究王 皓方远航虞 欣赵 新张开创李红欣(军事科学院防化研究院 北京)摘要:为增强聚能装药对目标的后效毁伤效应设计了一种包覆式复合侵彻体装药结构在爆轰波的驱动下紫铜药型罩后翻包覆活性材料穿透目标后活性材料释能对目标内部实施纵火后效毁伤 运用 有限元软件对包覆式复合侵彻体的成型及侵彻靶板过程进行模拟分析了活性罩直径、外曲率半径和罩顶厚度比对包覆式复合侵彻体成型的影响 结果表明:将活性材料嵌入紫铜药型罩内侧在炸药驱动下可以实现对活性材料的包覆当活性罩直径取值为.(为装药直径)时外曲率半径取值为.壁厚比取值为/时复合侵彻体包覆效果较好包覆式复合侵彻体能穿透 厚 钢靶并能对后效靶造成毁伤关键词:聚能装药复合侵彻体活性材料包覆式向后翻转本文引用格式:王皓方远航虞欣等.包覆式复合侵彻体的数值模拟研究.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:.文献标识码:文章编号:()():.:引言传统金属聚能毁伤元依靠动能侵彻进入装甲目标内部存在较大的杀伤死角对人员和技术装备毁伤能力有限 将活性材料作为药型罩在装药爆轰作用下形成含能侵彻体不仅能靠动能侵彻目标还能在侵彻靶板和靶后发生化学反应释放化学能提高综合毁伤能力 然而李延等和陈亮等通过脉冲 光拍摄侵彻体成型的实验发现/(铝/聚四氟乙烯)和锆基非晶合金等活性材料单层药型罩在成型过程中受脱体波、提前反应和破碎粒子间相互碰撞等因素的影响导致侵彻体的凝聚性和有效质量大幅度下降极大的影响了侵彻体的后效毁伤效果 为了减小/活性材料在炸药爆轰驱动下提前反应和侵彻体飞散等问题门建兵等、王树有等、等受到金属壳体包覆反应材料形成具有高密度和高安定性的复合反应破片启发提出了一种具有新型结构的包覆式爆炸成型复合侵彻 体()将烧结的后活性材料置于药型罩前部在炸药驱动下药型罩向前压拢动态包覆活性材料获得内核为活性材料的复合侵彻体 这种包覆式复合侵彻体不仅可以减少/在炸药爆轰驱动下提前反应还能减少侵彻体的径向飞散提高侵彻体的凝聚性这有利于提高穿靶后活性材料的质 量 继 而 提 升 复 合 侵 彻 体 后 效 毁 伤 能 力、和刘亚昆等 通过优化 的药型罩结构得到可以形成前驱金属射流和药型罩包覆的活性材料分段式侵彻体其前驱射流利用动能开孔减小活性材料的损耗后段活性侵彻体随进到目标内部被激活并释放能量可以增强对目标后效毁伤效果 上述研究的包覆式复合侵彻体受限于/密度小和敏感度高等特点均采用金属药型罩向前压拢包覆/活性材料这种向前压拢包覆的成型方式限制了活性材料的尺寸及质量同时成型的包覆式复合侵彻体气动外型较差极易在飞行过程发生拉伸断裂现象影响了侵彻及后效毁伤性能的提高基于上述背景为了在增强活性侵彻体的后效毁伤能力的基础上提高包覆式复合侵彻体的飞行稳定性采用敏感度较低的锆合金作为活性药型罩材料设计了一种利用向后翻转成型的包覆式复合侵彻体聚能装药结构 运用 有限元软件模拟了向后翻转成型的包覆式复合侵彻体的成型过程及侵彻靶板效果分析了药型罩结构参数对包覆式复合侵彻体成型的影响 结构设计及仿真模型.装药结构设计目前存在双层药型罩向后翻转内层药型罩无法被完全包覆及向前压拢包覆式侵彻体头部飞行断裂的问题为了实现紫铜药型罩对内层活性材料的完全包覆及侵彻体飞行过程稳定不断裂设计了一种嵌入式的包覆式聚能装药结构将次口径活性材料内罩镶嵌进紫铜药型罩内侧在炸药爆轰驱动下紫铜药型罩向后翻转包覆活性材料内罩形成包覆式复合侵彻体 包覆式聚能装药结构由活性材料药型罩(以下称活性罩)和紫铜药型罩组成活性罩镶嵌进紫铜药型罩内 种药型罩均采用变壁厚球缺形药型罩其几何结构如图 所示 其中:活性罩直径 外曲率半径 内外药型罩罩顶壁厚比为 /(罩顶壁厚比 活性罩罩顶厚度/紫铜罩罩顶厚度)装药直径 装药长度 药型罩内曲率半径 药型罩内曲率半径 药型罩罩顶总厚度 图 聚能装药几何结构示意图.数值模型采用 软件建立有限元模型计算网格均采用 八节点六面体单元如图 所示 装药、药型罩、战斗部壳体均采用 算法各物质之间采用面 面接触算法 采用 算法可以模拟双层药型罩之间的相对运动反映双层药型罩动态分离的现象 为了提高靶后活性材料的质量内层药型罩活性材料采用锆合金 外层药型罩材料采用紫铜战斗部壳体材料采用 钢 紫铜、锆合金及 钢均采用 本构模型和 状态方程主要参数见表、表 装药为 炸药选用 材料模型及 状态方程进行描述主要参数如表 所示装药起爆方式采用中心点起爆图 聚能装药有限元仿真模型.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./表 锆合金及 钢材料参数 材料/()/锆合金.钢.表 带有失效的紫铜 材料模型 /()/.表 炸药参数 /()/().包覆式复合侵彻体的成型过程装药顶端中心点起爆后产生的爆轰波由底部向前传播如图 所示图 包覆式复合侵彻体成型过程.在 时爆轰波传播到药型罩开始驱动药型罩逐渐向前加速在 药型罩在向前加速的同时由于药型罩顶端加速较早、边缘加速较晚边缘逐渐向后翻转并向轴向收缩在 时内外药型罩从头开始逐渐分离在 时 已经成型活性药型罩已经被紫铜外罩包覆但侵彻体尾部尚未闭合 在 后 因头尾之间有速度差长度逐渐被拉长直径逐渐减小 最终在 时 尾部完全闭合形成包覆式复合侵彻体 得到的包覆式复合侵彻体头尾具有合理的头尾速度差被包覆的活性材料具有稳定的速度且不与外层紫铜药型罩发生碰撞减小了侵彻体飞行过程中活性材料的损耗 包覆式复合侵彻体成型的影响因素药型罩结构形状对侵彻体的成型影响很大而药型罩结构形状由外曲率半径、活性罩直径和罩顶厚度比等参数决定 因此为实现上述图 聚能装药结构形成包覆式侵彻体并获得优化的药型罩结构参数开展对不同活性罩直径、外曲率半径和罩顶厚度比包覆式侵彻体成型的数值模拟研究上述参数对包覆式侵彻体的影响.活性罩直径对包覆式复合侵彻体成型的影响为研究活性药型罩直径对包覆式复合侵彻体成型的影响选取优化后的结构参数外曲率半径为.、中曲率半径.和药型罩厚度比为/对不同直径 复合侵彻体成型过程进行数值仿真其仿真结果如表、图 所示表 活性药型罩直径对复合侵彻体的影响 活性罩直 径侵彻体状态头部速度/()长度/直径/.王 皓等:包覆式复合侵彻体的数值模拟研究图 复合侵彻体头部速度和头尾速度差与活性罩直径的关系.由表 可知活性罩直径小于.时复合侵彻体尾部未闭合外层侵彻体在中间位置产生断裂现象直径为 时复合侵彻体分离成 段 活性罩直径在.时复合侵彻体尾部闭合紫铜药型罩实现对活性罩的约束和包覆复合侵彻体成型状态较好活性罩直径大于.时复合侵彻体尾部出现拉伸失效未能闭合未能实现对活性侵彻体的包覆结合图 分析活性罩直径过小紫铜药型罩边缘质量增大在炸药爆轰的加载下药型罩边缘加速较慢头尾速度差增大在侵彻体中部过度拉伸出现断裂现象活性罩直径过大紫铜药型罩边缘厚度过小在炸药加载过程中不能实现对活性罩的有效约束活性侵彻体在成型过程逐渐脱离外层侵彻体导致外层侵彻体不能实现对活性侵彻体的包覆当活性罩直径为.时活性侵彻体处于外层侵彻体的尾部活性侵彻体与外层侵彻体尾部产生碰撞不利于活性侵彻体的稳定 当活性罩直径为.时活性侵彻体位于外层侵彻体的中部且未与外层侵彻体接触有利于活性侵彻体的稳定有利于后效毁伤能力的提高 综上可知在上述选择的活性罩直径中活性药型罩直径为.包覆式活性侵彻体成型效果最好.外曲率半径对包覆式复合侵彻体成型的影响为研究外曲率半径对包覆式复合侵彻成型的影响基于.中分析选择活性罩直径为.其它参数不变对不同外曲率半径 的包覆式侵彻体的成型过程进行数值仿真其仿真结果如表、图 所示由表 可知随着外曲率半径的增加活性侵彻体均为脱离出外层侵彻体复合侵彻体的长径比逐渐减小由细长逐渐变得短粗这个规律与论文中的仿真及实验结果相吻合 当外曲率半径小于.时复合侵彻体尾部闭合活性侵彻体处于外层侵彻体中间位置当外曲率半径为 时活性侵彻体与外层紫铜侵彻体发生碰撞外层紫铜侵彻体中部过度拉伸当外曲率半径大于.时复合侵彻体尾部呈扩张状态未闭合 根据图 发现随着药型罩外曲率半径的增加复合侵彻体的头部速度不断增加头尾速度差呈先减小后基本保持不变表 外曲率半径对包覆式复合侵彻体的影响 外曲率半径侵彻体状态头部速度/()长度/直径/.图 复合侵彻体头部速度和头尾速度差与外曲率半径的关系.结合表 和图 分析随着外曲率半径的增加药型罩顶部厚度不变药型罩边缘厚度增加复合侵彻体速度梯度增加复合侵彻体拉伸加快使复合侵彻长径比增加 当外曲率半径过大复合侵彻体速度梯度小使得侵彻体尾部未能完成向径向收缩闭合综上所述当外曲率半径在.时包覆式复合侵彻体成型状态较好 当外曲率半径为.时包覆式兵 器 装 备 工 程 学 报:/./复合侵彻体具有更高的头部速度、更小的头尾速度差和更大的直径这有利于复合侵彻体飞行稳定性和侵彻能力的提高 因此外曲率半径选定为.较好.罩顶厚度比对包覆式复合侵彻体成型的影响为研究活性罩和紫铜外罩罩顶厚度比对包覆式复合侵彻体成型的影响根据.确定中曲率半径 .保持药型罩罩顶总厚度为 不变对不同罩顶壁厚比的复合侵彻体成型过程进行仿真仿真结果如表、图 所示表 罩顶壁厚比对包覆式复合侵彻体的影响 厚度比侵彻体状态头部速度/()长度/直径/./././././.图 复合侵彻体头部速度和头尾速度差与罩顶壁厚比的关系.由表 可知当厚度比小于/时复合侵彻体尾部收缩闭合具有较好的成型状态当厚度比小于/时活性侵彻体与外层紫铜侵彻体之间有碰撞现象发生当厚度比大于/时复合侵彻体在紫铜药型罩阶梯处出现拉伸断裂现象活性侵彻体未在外层侵彻体包覆范围内 厚度比过小紫铜药型罩罩顶厚度增加紫铜药型罩罩顶内侧微元加速较慢阻碍了活性侵彻体向前加速活性侵彻体速度过小与尾部收缩的外层侵彻体发生碰撞 厚度比过大紫铜药型罩阶梯处厚度差异较大紫铜药型罩边缘部分加速较阶梯内部更慢复合侵彻体速度梯度过大导致复合侵彻体出现断裂现象综合表 和图 分析当厚度比在/时复合侵彻体尾部收缩闭合活性侵彻体没有发生碰撞包覆成型状态较好 当厚度比为/时复合侵彻体具有更小速度梯度和更大的直径有利于飞行的稳定和毁伤能力的增强 因此药型罩罩顶厚度比选用/较好 毁伤效能分析经上述包覆式复合侵彻体成型的分析研究设计的复合侵彻体在一定结构参数下具有较好的包覆成型效果 为分析包覆式复合侵彻体毁伤效能对活性罩直径为.外曲率半径为.壁厚比为/的包覆复合侵彻体在不同炸高(装药口径为)条件下进行侵彻钢靶的数值模拟 侵彻靶板仿真建模如图 所示前靶为 厚的 钢靶靶后 处设置 厚的 钢靶作为后效靶板图 侵彻靶板仿真建模.计算复合侵彻体侵彻靶板时紫铜和靶板均采用 算法锆合金采用 算法以更好模拟脆性材料在侵彻靶板大变形时的破碎飞散现象 钢选用 材料模型密度为./弹性模量为 泊松比为.屈服极限为 硬化模量为.有效塑性应变为.不同炸高复合侵彻体侵彻靶板仿真计算结果如图、图 所示 根据图 的仿真结果可知复合侵彻体在不同炸高条件下均可以贯穿 厚 钢靶随着炸高的增加复合侵彻体侵彻开孔直径逐渐减小在炸高大于 倍装药口径后开王 皓等:包覆式复合侵彻体的数值模拟研究孔直径不再增加侵彻 出孔直径基本不变 随着炸高的增加复合侵彻体尾部不断收缩侵彻体直径减小导致开孔直径逐渐增加在炸高为 倍装药口径时复合侵彻体尾部收缩完成侵彻体尺寸基本保持不变开孔直径不在减小 根据图 可知在不同炸高条件下复合侵彻体均可贯穿后效靶随着炸高的增加后效靶板的毁伤面积先增加后基本保持不变图 侵彻 钢靶仿真计算结果.图 后效靶侵彻效果.结论为增强聚能装药对目标的后效毁伤效应设计了一种包覆式复合侵彻体装药结构运用 有限元软件对包覆式复合侵彻体的成型及侵彻靶板过程进行模拟分析了活性罩直径、外曲率半径和罩顶厚度比对包覆式复合侵彻体成型的影响主要结论如下:)提出一种将活性材料锆合金嵌入球缺形紫铜药型罩内侧的聚能装药结构实现了紫铜药型罩向后翻转包覆活性材料形成包覆式含能侵彻体)活性罩直径、外曲率半径和药型罩厚度比对包覆式复合侵彻体成型有决定性影响 当活性罩直径 取值为 外曲率半径 取值为.壁厚比取值为/时向后翻转包覆式含能侵彻体成型效果较好 包覆式复合侵彻体能在较长时间内保持侵彻体完成和飞行稳定)分析了包覆式复合侵彻体在不同炸高条件下侵彻靶板的效果随着炸高的增加后效靶板的毁伤面积先增加后基本保持不变包覆式复合侵彻体能穿透 厚 钢靶并且能在后效靶板上留下贯穿孔洞参考文献:丁建朱顺官陈顺禄等.后效毁伤增强聚能战斗部设计与试.兵器装备工程学报():.():./.().陈京生李清陈彦等.含能药型罩及其标准化的研究进展.兵器装备工程学报():.():.李延王伟张雷雷等.聚四氟乙烯基药型罩射流成型凝聚性研究.兵工学报():.():.陈亮祖旭东黄正祥等.基非晶合金药型罩射流的成型研究.弹道学报():.():.门建兵蒋建伟帅俊锋等.复合反应破片爆炸成型与兵 器 装 备 工 程 学 报:/./毁伤实验研究.北京理工大学学报():.():.王树有门建兵蒋建伟.包覆式爆炸成型复合侵彻体成型规律研究.高压物理学报():.():.():./:.刘亚昆吴国东王志军等.一种包覆式复合侵彻体的仿真研究.弹箭与制导学报():.():.张雪朋刘亚昆伊建亚等.复合装药包覆式活性侵彻体成型及侵彻研究.兵器装备工程学报():.():.王维占李小军雷文星等.包覆式双层 成型数值模拟.弹箭与制导学报():.():.周滔杨宝良易荣成等.端面 成型及威力性能的数值模拟研究.兵器装备工程学报():.():.黄正祥.聚能装药理论与实践.北京:北京理工大学出版社.:.龙源毛振兴刘健峰等.曲率半径对双层药型罩 战斗部成形及侵彻的影响.爆破器材():.():.谢若泽钟卫洲黄西成等.包装组合结构跌落冲击的模型实验与数值模拟/第十届全国冲击动力写学术会议论文集陕西:西安./.科学编辑 张兴高 博士(军事科学院 研究员、博导)责任编辑 唐定国王 皓等:包覆式复合侵彻体的数值模拟研究