起爆偏心对聚能装药射流成型过程及威力参量的影响_徐恒威.pdf

DOI:10.11858/gywlxb.20220635起爆偏心对聚能装药射流成型过程及威力参量的影响徐恒威1,2，梁斌2，刘俊新1，卢永刚2，欧小红1（1.西南科技大学土木工程与建筑学院,四川绵阳621010；2.中国工程物理研究院总体工程研究所,四川绵阳621999）摘要：为了研究起爆偏心对聚能射流的影响，运用有限元软件 LS-DYNA 模拟了不同起爆偏心量（0.025Dk0.125Dk，Dk为装药直径）下射流成型及其破甲过程，探究了药型罩非对称压垮程度、射流形态以及横向速度的变化规律，建立了理论模型以分析不同偏心量下射流横向速度分布情况，并基于正交试验设计理论和方差分析法揭示了各因素对评价指标影响程度的显著差异。结果表明：药型罩非对称压垮程度及射流横向速度均与偏心量呈正相关变化趋势。偏心量为 0.025Dk时，射流侵彻深度仅下降 0.7%；偏心量为 0.050Dk时，侵彻深度下降突跃为 12.4%；随着偏心量的增加，侵彻深度继续下降。此外，适当增大壁厚、罩顶装药高度可削弱起爆偏心对射流横向速度的影响。关键词：聚能装药；起爆偏心；示踪点法；破甲威力；正交设计；方差分析中图分类号：O383;TJ410.33文献标识码：A随着军事科技的飞速发展，装甲防护能力得到了显著提升，破甲弹药的发展面临严峻挑战。聚能装药以药型罩压垮闭合形成的高速射流作为毁伤元素，对发射平台提供的初速要求较低，是目前应用最广泛的攻坚战斗部之一1。轴对称性是聚能装药发挥稳定破甲性能的重要保障，聚能射流压垮成型及其破甲过程的早期理论均假定聚能装药遵循严格的轴对称性。然而聚能装药战斗部在加工和装配等环节中不可避免地会存在一定的非对称性，极易造成起爆位置偏离中心轴线，导致冲击波对药型罩的非对称压垮，这是工程实践中频繁出现的非对称性影响因素之一2。李如江等3发现，随着起爆位置偏心量的增加，射流将发生严重断裂。Ayisit4利用数值模拟方法系统分析了制造过程中可能出现的非对称性因素对射流横向速度的影响。刘健峰等5以毁伤元形态及其飞行稳定性作为评价指标研究了偏心起爆对射流性能的影响。Pack 等6讨论了可能影响线性聚能射流轴对称性的因素，但在理论推导中并未将其考虑在内。秦承森等7基于最小动能原理提出了非对称碰撞下射流形成的理论模型，但适用情况有限。目前相关的研究工作多以横向速度作为评价指标，定性描述起爆偏心对射流性能的影响810，而非理想射流与破甲性能之间的关联关系尚未建立1112，且针对满足战斗部威力要求的起爆偏心偏差允许范围的相关研究鲜见公开报道。鉴于此，以某单兵聚能装药破甲战斗部为研究对象，采用经脉冲 X 射线摄影试验验证的数值模型，探究起爆偏心对射流成型过程及其破甲性能的影响规律，获得满足战斗部威力要求的起爆位置制造偏差允许范围，并建立射流横向速度预测模型。同时，基于正交试验设计方法和方差分析法，揭示起爆偏心量、壁厚、罩顶装药高度对聚能装药威力参量的影响规律及主次关系，以期为高效毁伤破甲弹药研制及其毁伤效应评估提供参考。*收稿日期：2022-07-21；修回日期：2022-08-18 基金项目：国家自然科学基金（11672278）；国家重点研发计划（2017YFC0804600）作者简介：徐恒威（1998），男，硕士研究生，主要从事高效毁伤技术研究.E-mail： 通信作者：梁斌（1976），男，博士，研究员，主要从事常规武器研制及毁伤研究.E-mail：lb_第37卷第1期高压物理学报Vol.37,No.12023年2月CHINESEJOURNALOFHIGHPRESSUREPHYSICSFeb.,2023015102-1 1 数学模型图 1 为起爆偏心下药型罩压垮几何示意图。ABQP 表示聚能装药截面，OAB 表示药型罩截面，药型罩顶点 O 为坐标轴原点，E 表示起爆点位置。a、h 分别代表起爆位置偏心量和罩顶装药高度，药型罩锥角大小为 2，偏移角 表示射流单元运动方向与装药轴线间的夹角。C、G 表示 t 时刻药型罩两侧实际压垮位置，N、H 为 t 时刻药型罩两侧等效压垮位置（关于轴线对称）。整个理论推导过程满足定常理论的基本假设13。由于起爆位置向左侧偏移，破坏了爆轰波形的对称性，导致爆轰波先行压垮药型罩左侧微元。假设微元 C、J 被压垮的时间分别为 tC、tJ，t 表示起爆偏心情况下微元 C、J 的压垮时间差。tC=LCED=(yCa)2+(xC+h)2D(1)tJ=LJED=(yJa)2+(xJ+h)2D(2)t=tJtC=(yJa)2+(xJ+h)2(yCa)2+(xC+h)2D(3)式中：LCE、LJE分别为线段 CE 和 JE 的长度，D 为爆速。yC=yJ如图 1 所示，所以 t 必然大于零，说明起爆偏心情况下药型罩呈非对称压垮状态，进而导致形成的射流具有横向速度。文献 14 指出，横向速度可通过射流运动方向与装药轴线间的夹角 进行计算。因此，若能够得到偏移角 沿轴线的变化规律，就能够快速计算出不同偏心量下射流横向速度的分布情况。由于压垮时间差的存在，导致在 t 时刻应该被压垮的微元 C、J 变为 C、G，假设爆轰波在药柱中以球面波的形式均匀传播，波阵面方程可表示为(x+h)2+(ya)2=(Dt)2(4)直线 OA、OB 上的横纵坐标满足关系式 y=x tan，因此将波阵面方程简化为x2(1+tan2)+2x(ha tan)(Dt)2h2a2=0(5)(Dt)2h2a2=2(t)令，则x2sec2+2x(ha tan)2(t)=0(6)由图 1 可知，ELCG、OLCJ，所以FLE=GCJ=，故偏移角 的正切值可表示为tan =(xCxG)/(yCyG)(7)将 y=x tan 代入式(7)，得tan =(xCxG)/(xC+xG)tan(8)xCxGxCxG分别将 xC、xG代入式(5)，得，再将代入式(8)，可得tan =2a/(xC+xG)sec2+2h(9)对式(6)求解，可得 xC、xG，再将 xC、xG分别代入式(9)yQhaOGHJEFPBCMNKLAxDeparture direction图1药型罩不对称压垮几何示意图Fig.1Geometricrepresentationoftheasymmetriccollapseofshapedcharge第37卷徐恒威等：起爆偏心对聚能装药射流成型过程及威力参量的影响第1期015102-2tan =2a/(h+a tan)2+2(t)sec212+(ha tan)2+2(t)sec212(10)OGC=GCJ+GJC=2+LCM=LMG根据外角定理以及角平分线定理可知，其中，LCM、LMG分别为线段 CM 和 MG 的长度。在 OCG 中运用正弦定理得LCM=12xCsec sin2/sin(2+)(11)现已知、LCM，即可求出线段 ON 的长度LON=12xCsec1+cos(+)/cos()(12)由式(9)可知，随着横坐标的增大，偏移角 逐渐减小，最大值在罩顶点 O 处取得，表明起爆偏心下射流偏离轴线程度为从头部到尾部逐渐减弱。2 数值模拟 2.1 聚能装药形成射流模型结构采用 LS-DYNA 有限元软件建立典型的三维无外壳聚能装药模型，如图 2 所示。模型由药型罩、空气和炸药 3 部分组成，具体的结构尺寸见表 1，其中，Dk为聚能装药直径。另外，在药型罩截面以及空气域上设置静态示踪点，用于监测速度变化情况，示踪点分布如图 3 所示。2.2 聚能装药网格离散模型与相关材料参数基于聚能装药结构的对称性以及起爆点分布情况，可建立 1/2 模型，并在对称面施加约束，以减少模型计算时间。计算网格呈中间密、两侧疏的排列方式，总体最大网格尺寸控制在 0.50mm 以内；并对射流流经区域进行网格加密，尺寸控制在 0.25mm 以内。起爆方式采用药柱上表面单点起爆，起爆点与轴线的垂直距离（偏心量）分别取 0.025Dk、0.050Dk、0.075Dk、0.100Dk和 0.125Dk，起爆位置向左偏移为正。炸药采用 8701 炸药，药型罩材料选用紫铜，空气则采用 Null 材料模型和 Linear_Polynomial状态方程共同描述，空气密度为 1.25kg/m3。炸药和药型罩的材料模型及状态方程的主要参数如表 2 和表 1 聚能装药的几何尺寸Table 1 Structural parameters of shaped chargeChargediameterExplosiveheightabovelinerConeangle/()ThicknessoflinerRadiusoflinercurvatureBrustheightDk0.5Dk600.020Dk0.0375Dk3DkChargeLinerAirChargeLinerAirEquation of state:JWLMaterial model:SteinbergEquation of state:GrneisenMaterial model:NullEquation of state:Linear_PolynomialMaterial model:High_Explosive_Burn图2数值模型Fig.2Numericalsimulationmodel30L1_1L1_2L2_1L2_24520 mmA1图3示踪点位置Fig.3Locationofstatictracerpoints第37卷徐恒威等：起爆偏心对聚能装药射流成型过程及威力参量的影响第1期015102-3表 3 所示，其中：为材料的密度，pCJ为 C-J 爆轰压力，A0、B0、R1和 R2为炸药材料的常数，G0、y和C0分别为药型罩材料的剪切模量、屈服强度和声速，s1、s2为冲击波速度-粒子速度曲线斜率的系数，0为 Grneisen 系数。2.3 试验与模拟结果对比为验证数值建模方法与模型参数设置的合理性，采用脉冲 X 光机对起爆偏心情况下的射流成型过程进行拍摄，试验仪器的摆放位置如图 4 所示。试验前，将起爆位置偏移轴线 0.025Dk，拍摄时需严格保证出光方向与射流偏斜方向垂直。从图 5 可以看出，起爆 30s 后射流的形态与数值模拟结果基本一致。试验测得射流头部和尾部速度分别为 6600 和 745m/s，与数值模拟结果的相对偏差分别为2.9%和16.5%；射流长度的数值模拟结果为 13.45cm，与试验结果高度吻合，如表 4所示。其中：vh,sim、vh,exp分别为计算和试验得到的射流头部速度，vt,sim、vt,exp分别为计算和试验得到的射流尾部速度，Lsim、Lexp分别为计算和试验得到的射流长度，sim、exp分别为计算和试验得到的射流头部的偏移角，为计算与试验结果的相对偏差。虽然试验结果与数值模拟结果存在一定的差异，但相对偏差较小属于合理范围，表明该数值模型能够较真实地反映起爆偏心下的射流成型过程，可作为开展深入研究的基础。表 2 炸药模型及状态方程参数15Table 2 Parameters of explosive and equation of state15/(gcm3)D/(ms1)pCJ/GPaA0/GPaB0/GPaR1R21.79873033.8795.220.24.641.29表 3 药型罩模型及状态方程参数15Table 3 Parameters of liner and equation of state15/(gcm3)G0/GPay/GPaC0/(kms1)s1s208.9647.70.643.941.4902Shape chargeBarrier wallPhotographic plateX-ray tubeShapechargeBarrier wallPhotographic plateX-ray tube(a)Schematic diagram of test layout(b)Test site图4脉冲 X 射线摄影试验Fig.4X-rayphotographytest(a)Test re