一种计算聚能装药对混凝土侵彻效应的新方法.pdf

第3 0 卷第3 期计算机仿真 2 0 1 3 年3 月 文章编号：1 0 0 6 9 3 4 8 ( 2 0 1 3 ) 0 3 0 0 1 0 0 4 一种计算聚能装药对混凝土侵彻效应的新方法 毛亮，姜春兰，王在成，王超 ( 北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京1 0 0 0 8 1 ) 摘要：为准确地评估聚能装药对混凝土的侵彻效应，有效地摧毁目标，提出了一种采用数值仿真与工程计算相结合的方法。 利用仿真分析软件对聚能装药形成金属流的过程进行数值仿真，并提取触靶前金属流的相关特性参数；建立聚能金属流对 混凝土侵彻的工程分析模型，并将触靶前的特性参数代人到T 程经验模型中，从而得到金属流对混凝土的开坑孔深和孑L 径。 以某聚能装药结构为例，采用改进方法进行了计算，并与试验结果进行了对比，研究结果表明，通过改进方法求得的开孔孔 深和孑L 径与试验结果较为一致。研究结果可为反混凝土目标的聚能装药结构设计提供参考。 关键词：聚能装药；侵彻效应；数值仿真；混凝土 中图分类号：T J 4 1 3文献标识码：A N e wM e t h o do fC a l c u l a t i n g t h eP e n e t r a t i o nE f f e c t i nC o n c r e t eT a r g e tb yS h a p e dC h a r g e M A OL i a n g ，J I A N GC h u n - l a n ，W a n gZ a i - c h e n g ，W A N GC h a o ( S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fE x p l o s i o nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，B e i j i n gi n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y ，B e i j i n g1 0 0 0 8 1 ，C h i n a ) A B S T R A C T ：An e wa p p r o a c hw h i c hc o m b i n e sn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw i t he n g i n e e r i n gc a l c u l a t i o nw a sp u tf o r w a r dt o e v a l u a t et h ep e n e t r a t i o ne f f e c to fs h a p e dc h a r g et oc o n c r e t e F i r s t ，t h ef o r m a t i o no fm e t a lj e tw a sa n a l y s e dw i t hs i m u l a t i o na n a l y s i ss o f t w a r ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i c sw e r ec a l c u l a t e db e f o r ei t sc o n t a c tw i t ht h et a r g e tp l a t e T h e nt h ee n g i - n e e r i n gc a l c u l a t i o nw a sb u i l t ，t h ec h a r a c t e r i s t i c sc a l c u l a t e db e f o r ew e r eu s e da n dt h ed e p t ha n dr a d i u so ft h eh o l ec r e - a t e db ym e t a lj e ti nc o n c r e t ew e r eo b t a i n e d E x e m p l i f i e di naS h a p e dC h a r g eS t r u c t u r e ，t h ec a l c u l a t i o nr e s u l tw a sa c q u i r e da n dc o m p a r e dw i t ht h ee x p e r i m e n t T h er e s e a r c hr e v e a l st h a tt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t i ss a t i s f i e da n dt h ea p p r u a c hc a nb ear e f e r e n c eo ft h ed e s i g no fs h a p e dc h a r g ea g a i n s tc o n c r e t e K E Y W O R D S ：S h a p e dc h a r g e ；P e n e t r a t i o ne f f e c t ；N u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；C o n c r e t e 1 引言 目前，对混凝土目标的打击多采用串联战斗部结构形 式，前级聚能装药爆炸后形成聚能金属流，首先在目标表面 预先钻出一个深洞，然后二级杀爆战斗部随进钻入混凝土内 部爆炸，从而可将目标有效的摧毁。可见，前级聚能装药 结构的设计是关键，既要满足爆炸后形成的金属流能侵彻一 定的深度，而且还要保证开出的孔具有一定的孔径。 根据多年来研究的结果表明，要满足以上两点设计要 求，设计的药型罩爆炸后最好能形成聚能杆式侵彻体。由于 聚能杆式侵彻体与传统的聚能射流和E F P 有很大的不同，目 前它的形成机理以及工程算法的研究很少“，在对能形成此 类金属聚能流的装药结构的设计也多采用“画加打”的形式， 这样不仅导致设计周期较长，而且设计成本也较高。 收稿日期：2 0 1 2 - 0 1 1 3 修回1 3 期：2 0 1 2 0 7 0 9 一1 0 一 因此，为了能够既快又好地设计出满足要求的聚能装药 结构，建立一种能准确对所设计的聚能装药侵彻混凝土的效 应进行预估的方法十分有必要。本文提出了通过采用商业 仿真软件对聚能装药爆炸形成金属流的过程数值仿真，并提 取触靶前的金属流的特性参数，然后将其特性参数代人对混 凝土侵彻的工程算法中，得到开孔的孔径和孑L 深，从而便可 对聚能装药结构方案的合理性进行准确地评估。 2 聚能金属流形成 数值仿真是近些年来辅助工程设计的一种重要手段，它 可以展现复杂的中间过程，揭示某些事物的本质。聚能装药 爆炸驱动金属药型罩形成金属流的过程相当复杂，它不仅与 炸药的爆轰性能及爆轰波的形状有关，而且还与药型罩的形 状、壁厚以及壳体等因素有关。目前关于聚能药型罩形成金 属流的理论多集中在金属射流的形成理论上，主要有B i r k h u f f 定常理论、P E R 非定常理论以及P E R 相关修正理论 万方数据 等”1 。这些射流分析理论中独立的方程数均少于未知变量 数，计算方程组是不封闭的，尚需通过其它途径获得压垮速 度或变形角，才能完整求解其余的变量。此外这些计算方法 均未综合反映药型罩、炸药、壳体等因素对压垮速度的影响， 而且用它来解释聚能杆式侵彻体的形成过程也不是十分适 合。由此可见，在利用这些理论来计算对付混凝土的聚能杆 式侵彻体触靶前的参数和实际有很大的误差。 随着近二十年来，国外商业软件的引入，利用它对聚能 装药结构的仿真研究已经变得相当容易，并且通过大量试验 的对比也表现地相当符合。商业软件中对聚能装药结构的 爆炸仿真主要是建立在流体一弹塑性理论的基础上，考虑了 很全面的因素，因而得到的也是较为复杂的偏微分方程组， 方程没有解析解，但可以通过计算机来求得数值解，因此它 所得到的结果相比其它理论得到的结果要准确的多。本文 在考虑到以上原因后，采取了商业仿真软件L S D Y N A 来对 聚能装药结构进行仿真研究，并提取触靶前金属流的特性参 数，为分析金属流对混凝土的侵彻效果奠定基础。 在本文的研究中，设计了一种能形成聚能杆式侵彻体的 变壁厚球缺形药型罩结构，考虑到实际应用情况，在装药外 面还加了一层3 m m 厚的钢壳。具体结构如图1 所示。采用 L S - D Y N A 建立的有限元模型如图2 所示4J 。 空气 壳体 炸药 药型罩 图1聚能装药结构示意图 图2 有限元结构图 药型罩采用铝材料，以药型罩直径D 为基本参数，装药 高度0 9 6 5 D ，圆柱部高度0 7 3 6 D ，顶部装药半径0 5 5 6 D ，药 型罩高度为0 3 9 2 D ，药型罩内径R 。= 0 4 9 3 D ，外径R 2 = 0 5 2 8 D ，药型罩顶部中心厚度0 0 7 D 。装药选用压装的8 7 0 1 炸药，以顶部中心点起爆的方式起爆。 通过仿真得到了不同炸高下在爆炸以后形成的杆式侵 彻体的形态如图3 所示，而其侵彻性能参数见表1 。 ，7 T 、T 、，_ T 亡目F 目E 口F 目 图3 不同炸高下聚能杆式侵彻体的形态 表1不同炸高下聚能侵彻体的性能参数 炸高 聚能侵彻体速度聚能侵彻体几何尺寸 H m m v 头( m 部。) ，尾( m 部。) v 速度( m 差s ) l 总( 长e m 度) d 直( 径e m )长雩比 3 聚能金属流对混凝土的侵彻分析 混凝土是一种不均匀、各向异性的脆性材料，其结构较 为复杂，由于在动态载荷作用下混凝土的力学特性还没有被 完全掌握，因此从理论上求解聚能金属流对混凝土的侵彻问 题还存在不少困难5 1 。目前利用仿真软件来对侵彻结果进 行分析也还存在很多困难，主要是在混凝土的本构模型及一 些参数的选择上还存在很多不足。 因此，在通过仿真软件得到混凝土触靶前的参数，利用 工程经验分析模型来进行侵彻效应的计算变得十分实际。 本文根据工程习惯，认为当混凝土结构尺寸大于粗骨料尺寸 的四倍以上时，可以把混凝土看作是均匀的、各向同性材料。 在此基础上，将聚能金属流对混凝土的侵彻过程分为流体模 型阶段和流体一弹塑性模型阶段，前者是指靶板材料的强度 不起作用，金属流和靶板均类似于流体；后者是指考虑靶板 介质的强度对侵彻的影响，靶板介质不能再看作为流体了。 由于当金属流的速度小于一定值以后，金属流没有足够的能 量再侵彻靶板，而是堆积在坑底。因此本文在建立侵彻深度 一1 】一 e I I 了 丫 R 百心骱 万方数据 和侵彻孔径工程经验分析模型时，先对两阶段区分的流体模 型判别标准以及极限侵彻速度进行分析。 3 1 流体模型判别准则 在金属流侵彻混凝土的过程中，混凝土材料的性质随撞 击速度的变化而变化。根据杆对半无限靶板侵彻研究经验 认为，当碰撞点动压达到靶板材料1 0 倍动态屈服强度时，该 材料可按流体模型处理。对于金属流侵彻混凝土而言，此时 有 _ p 1 ：U 2 1 0 Y ( 1 ) 式中，P ，为混凝土材料的密度，y 为混凝土动态屈服强度。 此时由于碰撞点处于流动状态，根据伯努利方程有 毛( V u ) 2 ：知。U 2 ( 2 ) 式中，肼为金属流的密度，y 为金属流微元的速度，U 为混凝 土靶的侵彻速度。 于是根据式( 1 ) 和式( 2 ) 可知，当满足下式时，混凝土可 当作流体来处理。 y f + 压1 IN 犀P , ( 3 ) 3 2 极限侵彻速度分析 金属流对混凝土的侵彻过程可分为轴向侵彻和径向膨 胀两个阶段。由于较高的碰撞压力，在碰撞点处的介质将向 四周流动，并由此获得径向速度，使坑壁径向膨胀直到它的 初始动能被完全转化为变形能和热能。在分析极限侵彻速 度时，认为当坑的膨胀效应不再产生时的侵彻速度为金属流 的极限侵彻速度匕。，由此根据建立侵彻的运动方程可求得 它为 V m 。= 1 Y l 一- 二二_ 4 3G 1 1Y 甜唱佤 ( 4 ) 式中，G 为混凝土的剪切模量。 3 3 侵彻孔深的计算 在计算金属流对混凝土介质侵彻时，首先作如下假设： 1 ) 将金属流沿长度方向划分为无数个连续微元，每一个 微元的长度l 。在侵彻前是已知的，且在该微元内直径和速度 是相同的； 2 ) 忽略开坑阶段的能量损失，认为金属流微元对混凝土 的侵彻时立即达到它的侵彻速度，则金属流每一个微元对混 凝土介质的侵彻，都看为定常侵彻过程； 3 ) 在侵彻过程中射流每个微元之间相互没有影响，也就 是说射流微元侵彻靶板的先后次序对侵彻深度没有影响。 根据连续射流的定常侵彻理论，如果忽略靶板的强度， 一12 一 金属流和靶板均类似于流体，则该微兀的侵深为 弘2 告 ( 5 ) 根据伯努利方程，侵彻速度为 U i ：上 ( 6 ) 1 + | 坠 p j 当混凝土靶体强度不可忽略时，则修正后的伯努利方程 为 邗1 ( V i 一以) 2 = 一p 1 。研+ R 。 ( 7 ) 则第i 个微元金属流对混凝土靶板的侵彻速度为 吣南卜序研 其侵彻深度为 ( 9 ) 于是，总侵深为 P ：P 。 ( 1 0 ) 3 4 侵彻孔径的计算 聚能金属流对混凝土进行开孔，最终孔径由两部分组 成：一部分是金属流粒子在与混凝土介质作用后，在后续粒 子的作用下将向四周流动，此时金属流粒子将消耗自身的能 量以克服靶板阻力，从而产生一定的孔径；另外一部分则是 向四周流动的粒子产生一离心力，该离心力所产生的惯性力 将使已形成的孔径进一步膨胀增加的孔径。 克服靶板阻力产生的孔径r 可推导得出 ”。“南+ 寿l n ( r + 2 万万) ( 1 1 ) 惯性效应使得孑L 径由r ，膨胀到最终孔径大小为 铲r 。酱 ( 1 2 ) 热s = 畔卜警。 4 计算结果与试验结果的对比分析 通过以上建立的聚能装药对混凝土的侵彻效应的方法 的分析，将其计算过程进行了编程，如图4 所示，并对前面设 计的聚能装药结构进行了计算分析，同时通过试验进行了验 证。 图5 给出了对该装药结构在炸高H 分别为1 5 0 m m 和 2 0 0 m m 下对混凝土的侵彻效果图。 表2 给出了运用本文所提出的方法的计算值与试验值 层 万方数据 的对比。 图4 聚能装药对混凝土侵彻效应的计算流程 表2 计算值与试验值的对比 炸高开孔计算值试验值误差 m m 尺寸 n u nm m ( ) 孔深 5 3 65 2 52 1 1 5 0 孔径 1 3 31 2 46 8 孔深 5 9 55 8 22 2 2 0 0 孔径 1 1 21 0 56 3 从表2 中可见看出，试验值与理论值较为符合，因此，通 过本文所提供的方法可以较为准确地预估聚能装药对混凝 土的侵彻效果。 5 结论 本文提出的将数值仿真与工程经验分析模型相结合的 方法来对聚能装药侵彻混凝土效应进行分析，并以某聚能装 药结构为例通过试验的方式进行了验证，结果与计算值较为 一致，从而说明了本方法能较为准确地对聚能装药侵彻混凝 土效应进行预估，有一定的实用价值，可为反混凝土目标的 聚能装药结构设计提供参考。 ( a ) H = 1 5 0 m mr b ) H = 2 0 0 m m 图5不同炸高下混凝土的开孔效果图 参考文献： 1 陈佩银，姜春兰，王在成反跑道子弹前级开坑弹结构参数优 化 J 弹箭与制导学报，2 0 0 3 ，2 3 ( 1 ) ：1 5 7 1 5 9 2 胡焕性，李德俊，陈世钰聚能破甲工程计算法 J 兵工学 报，1 9 8 4 一l ：l 1 1 3 王儒策，赵国志弹丸终点效应 M 北京：北京理工大学出 版社1 9 9 3 4 时党勇，李裕春，张胜民基于A N S Y S L S D Y N A8 1 进行显 示动力分析 M 北京：清华大学出版社，2 0 0 5 5 王辉混凝土介质效应研究 D 北京：北京理工大学，1 9 9 5 作者简介 毛亮( 1 9 8 5 一) ，男( 土家族) ，湖南永顺人，博士研 究生，主要研究方向：高效毁伤战斗部及效能评估技 术； 姜春兰( 1 9 6 2 一) ，女( 汉族) ，北京人，教授，博士生 导师，主要研究方向：高效毁伤战斗部及灵巧弹药技 术； 王在成( 1 9 7 2 一) ，男( 汉族) ，山东人，博士，硕士研究生导师，主要研 究方向：战斗部技术； 王超( 1 9 8 8 一) ，女( 汉族) ，江西萍乡人，博士研究生，主要研究方 向：战斗部威力及其控制技术。 一1 3 一 Q “ 万方数据