徐鹤峰，焦志刚*，黄维平，邢存震

（1.沈阳理工大学 装备工程学院，辽宁 沈阳 110059；2.辽沈集团有限公司，辽宁 沈阳 110045）

由于海上的资源非常丰富，海上竞争在未来各国战略部署中的地位逐步提高，近些年，舰艇反导弹防御系统正在进行多方位地完善与提高，在水线附近或飞行甲板等一些关键部位，舰艇具备强大的处理水面以上对其威胁的能力，但在水下的防御能力有待加强。现代舰艇为了提高它的抗击打能力，其结构大都是采用高强度钢或其他合金材料制成[1]，舰艇壳体大多设计成双层壳体，两层壳体之间拥有长距离的水介质，很多潜艇也是采用多密封舱室、复合装甲、倾斜装甲等结构，使其抗冲击抗破坏能力得到了很大的提高，科研人员进行了多次的试验与探索，提出多种不同的新型聚能战斗部[2]，通过改变聚能战斗部的结构来提高对装甲的侵彻能力[3-4]，锥-球组合药型罩即是新型聚能装药战斗部中的一种。周方毅等[5]人提出了一种圆锥、球缺组合药型罩的结构，采用LS-DYNA有限元软件建立有限元模型并计算，将数值模拟出的仿真结果与试验数据作对比，验证了数值模拟的正确性，同时采用正交设计方法优化出圆锥、球缺聚能战斗部的结构参数，为下一步工作提供了参考。姜鑫圣[6]探究了水介质与空气中2种介质的情况下爆炸成型弹丸的成形以及侵彻性能的差异，赵飞扬[7]使用有限元分析软件Autodyn-2D对组合药型罩不同结构参数、材料的选择以及隔板的参数进行大量仿真，数值模拟确定了最佳战斗部的结构参数。R.Tosello[8]提出了由于现代舰艇的防御能力不断提高，世界各国大多采用了多级串联战斗部的方法来增强鱼雷战斗部的毁伤效应。

1 组合药型罩结构设计及数值模拟

1.1 几何模型及参数

锥-球组合药型罩几何模型如图1所示，其中战斗部由炸药、锥形药型罩、球缺药型罩、空气与水域构成。聚能装药长径比为1.5，装药直径D=60 mm，装药高度L=90 mm，锥-球组合药型罩壁厚n均为2 mm，锥形药型罩角度α为60°，球缺罩内外表面曲率半径R2=33.5 mm、R1=35.5 mm，锥-球组合药型罩高度h=38 mm。

图1 几何模型

1.2 有限元模型建立

使用Autodyn软件对组合药型罩进行仿真计算，采用拉格朗日与欧拉耦合算法，由于模型是关于X轴对称，建立二维轴对称有限元模型，设置边界条件，模拟无限空间，防止材料在边界反射使得仿真结果失真，保证仿真的可靠性。有限元模型如图2所示，网格划分为均匀划分，每个网格尺寸为0.25 mm×0.25 mm。

图2 有限元模型

数值模拟的材料都选自Autodyn的材料库，聚能装药选用B炸药，爆速为7 980 m/s，爆压为2.95×107kPa[9]，其余材料模型见表1。

表1 材料模型

2 不同结构参数对水中毁伤元的影响

2.1 装药长径比对水中毁伤元的影响

当炸药被起爆后，产生的爆轰波压垮锥-球组合药型罩形成了水中毁伤元，因此聚能装药的长径比是一个重要因素，长径比不宜过大与过小，为探究聚能装药长径比对组合药型罩形成水中毁伤元性能的影响规律，设计的结构参数为锥角60°，锥-球组合药型罩的壁厚均为2 mm，装药直径为60 mm，锥-球药型罩材料为铜，取聚能装药长径比分别为1.2、1.3、1.4、1.5、1.6，对其毁伤元性能进行分析对比，50μs时不同长径比形成的水中毁伤元如图3所示。

图3 不同长径比下的水中毁伤元

不同长径比下锥-球组合药型罩形成水中毁伤元的动能随时间的变化情况如图4所示，毁伤元头部速度随长径比的变化情况如图5所示，毁伤元长度与头部直径随长径比的变化情况如图6所示。

图4 不同长径比水中毁伤元动能随时间的变化

由图4可以看出，不同长径比下的水中毁伤元动能随时间的变化曲线，在炸药爆轰开始，长径比最小的先传递到锥-球组合药型罩表面，在同一时刻聚能装药长径比最小的，其形成的毁伤元动能最大，但随着作用时间的增加，15μs时，各个长径比下产生的毁伤元动能大小基本一致，经过15μs时，大的长径比形成的水中毁伤元动能相比于长径比较短的形成的动能整体偏大。

由图5可以看出，随着长径比的增加，其水中毁伤元的头部速度也在增加，但长径比超过1.4时，其水中毁伤元的头部速度基本保持稳定。

图5 不同长径比下水中毁伤元的头部速度

由图6可以看出，随着长径比的增加，水中毁伤元的长度大致相同，长径比为1.4时，水中毁伤元长度略有减小，水中毁伤元头部直径在长径比1.6时是较小的，由于聚能装药长径比增大，水对毁伤元的阻碍相对更强，所以导致毁伤元的头部直径较小。综上所述，聚能装药长径比在1.5时水中毁伤元的性能更好。

图6 不同长径比下水中毁伤元的长度及头部直径

2.2 锥罩壁厚对毁伤元的影响

本节主要研究锥罩壁厚对毁伤元在水中成型的影响，在保证其他条件不变的情况下，只改变锥罩的壁厚来分析其对毁伤元的影响，分别对锥罩壁厚为1.6 mm、1.8 mm、2.0 mm、2.2 mm、2.4 mm的锥-球组合药型罩进行数值模拟。50μs时不同锥罩壁厚的毁伤元成型如图7所示。

图7 不同锥罩壁厚的水中毁伤元

不同锥罩壁厚下锥-球组合药型罩形成水中毁伤元的动能随时间变化如图8所示，毁伤元头部速度随锥罩壁厚变化曲线如图9所示，毁伤元长度与头部直径随锥罩壁厚变化曲线如图10所示。

图9 不同锥罩壁厚下毁伤元的头部速度

由图8可以看出，不同锥罩壁厚下水中毁伤元动能随时间的变化情况，在起爆开始的一段时间内，不同壁厚的毁伤元的动能基本保持相同，总体来看，壁厚对于水中毁伤元动能几乎没有太大的影响，壁厚为1.8 mm、2.0 mm形成的水中毁伤元相比于其他壁厚形成的毁伤元的动能略有提高。

图8 不同锥罩壁厚下水中毁伤元动能随时间的变化

由图9可以看出，水中毁伤元头部速度随着锥罩壁厚的变化情况，壁厚为1.6 mm时，由于壁厚较薄，所以其水中毁伤元头部速度最大，壁厚从1.8 mm到2.4 mm范围变化，水中毁伤元的头部速度是先升高后下降，在壁厚2.2 mm时，毁伤元的头部速度较大。由图10可以看出，水中毁伤元长度及头部直径随锥罩壁厚的变化曲线，随着锥罩壁厚的增加，其水中毁伤元的长度逐渐变短，在锥罩壁厚为1.8 mm时，其水中毁伤元的头部直径最小，其他壁厚下的水中毁伤元头部直径大致相同。

图10 不同锥罩壁厚下毁伤元的长度及头部直径

2.3 锥罩角度对毁伤元的影响

锥-球组合药型罩的锥角影响水中毁伤元的性能，为探究锥罩锥角对水中毁伤元性能的影响，设计如下方案：锥-球组合药型罩材料为铜，壁厚为2 mm，装药直径为60 mm，聚能装药长径比为1.5，球缺罩内外表面曲率半径分别为33.5 mm、35.5 mm，只改变锥罩锥角，变化范围为44～60°，每次变化4°，50μs时不同锥罩锥角的毁伤元成型如图11所示。不同锥罩角度下锥-球组合药型罩形成水中毁伤元的动能随时间变化如图12所示，毁伤元头部速度随锥罩角度变化曲线如图13所示，毁伤元长度与头部直径随锥罩角度变化曲线如图14所示。

从图12可以看出，锥罩角度的不同时，水中毁伤元动能随时间变化的情况，在起爆开始的一段时间内，锥罩角度不同形成的水中毁伤元动能大致相同，在20～50μs范围内，锥罩角度为52°时，水中毁伤元的动能较大。

图12 不同锥罩角度下水中毁伤元动能随时间的变化

从图13可以看出，毁伤元头部速度随着锥罩角度的变化，在44～56°范围时，毁伤元头部速度一直增加，锥罩角度在56°时，毁伤元头部速度达到最大，随着锥罩角度的增大，毁伤元的头部速度有所下降。

图13 不同锥角下毁伤元的头部速度

从图14可以看出，锥罩角度在48°时，水中毁伤元的长度达到最大，锥罩角度在60°时，毁伤元头部直径较大。

图14 不同锥角下毁伤元的长度与头部直径

3 结论

探究聚能装药结构中3种因素分别为装药长径比、锥罩角度、锥罩壁厚对锥-球组合药型罩形成的水中毁伤元的影响，并通过数值模拟分析出，随着长径比的增加，水中毁伤元的动能是略有提高，但在水中毁伤元头部速度方面上，长径比达到1.4以上时，水中毁伤元的头部速度变化不大；在长径比为1.5时，水中毁伤元的头部直径最大。

对比锥-球组合药型罩中锥罩角度时，在44～60°的变化范围内，锥罩角度为56°时，水中毁伤元的头部速度是最大的，但水中毁伤元的头部直径在锥罩为60°时较为显著。

对比锥-球组合药型罩中锥罩壁厚时，在锥罩壁厚为1.6～2.4 mm变化范围内，锥罩壁厚为1.6 mm时，其水中毁伤元的头部速度是最大的，但头部直径不太理想；锥罩壁厚为2.4 mm时，水中毁伤元的头部直径是较大的，但水中毁伤元的长度有所下降；综合考虑，锥罩壁厚为2 mm时，水中毁伤元不论在头部直径还是头部速度较为优异。在实际的工程中，可以根据不同的情况选择需要的结构参数。