环形聚能战斗部壳体与装药匹配性研究

2020-06-28陆志毅刘宏杰李大超蔡潇

中国设备工程 2020年7期

陆志毅，刘宏杰，李大超，蔡潇

（1.海装驻上海地区第十军事代表室，上海 200241；2.海军潜艇学院，山东青岛 266044）

王利侠等用装药匹配性设计方法解决了聚能战斗部带壳后的穿深下降等问题。高尔新等人依据试验的方式方法，对弹药壳体的压垮速度和射流速度进行了系统的研究。刘晓蕾等人依据试验数据，针对聚能装药中的壳体材料壁厚及不同壳体材料，采用数据仿真的方法对射流成型参数进行深入研究。程素秋等用数值仿真的方法得出了重要的成果：不同的壳体材料在水下爆炸后产生气泡脉动具备较大影响，然而，不同的壳体厚度则对气泡产生时间不会产生太大影响，但对气泡压力峰值影响较大。Takashi 等依据某项科学试验，对不同厚度、不同材质的金属和药量，进行了水下爆炸特性研究，其研究结果表明，壳体对爆炸效应的加强作用。Jones等研究表明，在设计弹头的圆周约束时，套管的壁厚可以合理匹配，套管的材料和高度可以有效地改变射流的形状和性能。同时，弹头可以降低质量并匹配前后级的尺寸。

考虑到环形聚能装药结构的使用和结构特征，装药结构可以制成无壳形式，或者可以采用不同厚度的壳体或者不同材料的外壳，在满足射流侵彻能力的要求下，尽可能使前级装药壳体质量达到最小值。装药外壳在防止炸药受到损伤和大气有害作用方面起到了保护作用，并以一定的方式影响装药的爆轰能力以及爆炸能量输入到药型罩的比例系数。外壳还可以控制在炸药中传播的爆炸波前的几何形状，这已经通过炸药与外壳的配合得到证实，可观察到圆柱形外壳影响爆轰波阵面结构和炸药爆轰特性的物理现象。

1 数值模拟设计及有限元模型

1.1 模型设计

为了有效开展壳体与装药匹配性研究，文中开展了相应的仿真模型设计。首先，假设所有的情况为理想状态。假设对装药高度进行标定，设为120mm，其外径设计为520mm。该模型采用八节点六面体网格，采用射流区域密集，周围稀疏的网格划分方法。起爆方式采用顶端环形起爆。炸药选用B 炸药（RDX/TNT=60/40），采用MAT_HIGH-EXPLOSIVE-BURN模型和EOS_JWL 状态方程。

式中：p 为爆轰压力，E 为炸药比内能，v 为相对比容。具体参数见表1。

表1 B 炸药计算参数

药型罩选用紫铜，MAT_Steinberg 材料模型用来描述紫铜高应变率下的流动行为，状态方程选用EOS_Grüneisen 状态方程。

式中，E 为单位体积内能；ρ0为材料初始密度；C 为us与up的交值点；S1，S2和S3是us-up曲线的斜率值；γ0为Grüneisen 伽马；α 为对γ0的修正。其中μ=(1/v)-1，V为当前空气的相对体积。

壳体选用高强度钢，材料呈应变硬化规律，其中，断裂参数采用：D1=0.25，D2=D3=D4=D5=0。

依据M-J-Cook 材料模型及E-G 状态方程。针对多介质ALE 算法，根据实际的爆炸过程，尚需要建立满足整个射流过程和炸药起爆范围的空气网格。根据设定，为了消除边界上的发射压力，则将压力流出边界条件适用于边界节点。文中空气采用M-Null 材料模型，则状态方程是一个线性多项式，具体如下：

2 数值模拟结果与分析

2.1 后盖材料对射流成形及侵彻能力的影响

取外侧壳体厚度为10mm，图1 所示为炸药起爆后爆轰波作用到后盖（TC4）上典型单元的压力-时间变化曲线。

由图1 知，炸药起爆3μs 后爆轰波到达后盖，后盖内侧表面最大压力达到12GPa。起爆方式为药型罩顶端环形线起爆，炸药起爆后，爆轰波作用到后盖上的压力较小（相比外壳体），爆轰波迅速向炸药传播，后盖反射的冲击波对作用到药型罩表面冲击波波形及冲击波强度影响不大，可以考虑将金属壳体改为密度较小的金属材料或其他硬质非金属材料。

图1 TC4 后盖压力-时间曲线

研究射流的穿透能力，最直观、最简单的方法是检查射流对目标的毁伤效果。更换后盖材料。

2.2 外侧壳体对射流成形及侵彻能力的影响

计算时采用无后盖模型，内侧壳体厚度为10mm，图2 所示为炸药起爆后爆轰波作用到外侧壳体（30CrMnSiNi2A）上典型单元的压力-时间变化曲线。

图2 30CrMnSiNi2A 外侧壳体压力-时间曲线

由图2 知，炸药起爆6μs 后爆轰波到达外侧壳体，外侧壳体表面最大压力达到27GPa。对于环形射流，除了研究射流的速度梯度，还要考察射流微元垂直于中心线方向（X方向）上的速度。当外壳材料相同时，壳的厚度增加，射流偏斜程度降低，并且射流头部的速度变化不大。随着的增加，射流微元X 方向上速度减小；当为10mm 时，X 方向上速度达到最小值；综合考虑选取壳体厚度10mm。另外，无外壳时，射流微元X 方向上速度值达到最大值；随着δ 的增加，射流微元X 方向上速度减小；当δ 为10mm 时，X 方向上速度达到最小值；当δ 继续增加时，射流微元X 方向上又呈现增大趋势。综合考虑选取壳体厚度10mm。

3 内侧壳体对射流成形及侵彻能力的影响

计算时采用无后盖模型，外侧壳体厚度为10mm，图4所示为炸药起爆后爆轰波作用到内侧壳体（30CrMnSiNi2A）上典型单元的压力-时间变化曲线。由图3 知，炸药起爆18μs 后爆轰波到达内侧壳体靠近药型罩底部附近，内侧壳体表面最大压力达到8.97GPa。爆轰波作用到内壳体的时间明显晚于外壳体，且产生的压力远小于外壳体。内壳体材料相同时，壳体厚度增大，射流偏移程度减小，射流头部速度变化不大。另外，无外壳时，射流微元X 方向上速度值最小；随着σ 的增加，射流微元X 方向上速度先增大后减小；当σ 为10mm 时，X 方向上速度减小到；当σ 继续增加时，射流微元X 方向上又呈现增大趋势。综合考虑选取壳体厚度10mm。图4 为距装药后端97mm 处单元A 压力-时间变化曲线。

由图4 知，无内壳约束时，爆轰波有明显向下汇聚的现象，同时，没有内壳的约束，爆轰波向后产生的压力过大，对后级随进战斗部产生不利影响。综合考虑，选取内壳体厚度为7.5mm。