李永胜，王伟力，宋之勇



抑制中心逆向侵彻体的异型环形装药设计

李永胜1，王伟力1，宋之勇2

（1.海军航空工程学院，山东烟台，264001；2. 91206部队，山东青岛，266108）

针对环形装药作用时在中轴线会形成一束向前、向后运动的中心聚能侵彻体，对后方目标具有很强的破坏作用问题，分析该侵彻体成形特性，通过壳体向内侧倾斜的方式，设计了一种倒梯形结构，大幅减弱中心逆向侵彻体对后端的破坏效果；针对中空环形装药对内外侧药型罩压合作用的不对称，从而导致环形射流在纵向的偏转现象，设计了内外侧非对称的装药结构形式，通过改变内侧装药与内侧壳体的倾角，使非对称装药能够对内外侧等壁厚的药型罩产生尽可能均匀的压合效果，从而形成高质量的环形射流。

聚能装药；破坏效应；环形射流；中心逆向侵彻体；优化设计

聚能装药爆炸切割技术能够快速、高效地实现大口径开孔。环形聚能装药是一种中空的装药形式，通过优化设计，可以实现较大孔径的侵彻穿孔，而其装药质量远低于爆炸成形弹丸的质量。与传统聚能装药结构不同，环形聚能装药结构除了具有中心对称轴外，环形药型罩截面还具有第二对称轴[1]。这种新型环形聚能装药结构的出现得到了国内外许多学者的关注，并在多方面做了深入研究[2-7]。

虽然环形装药能够产生大口径的环形射流，但在仿真以及靶场试验中发现，中空环形装药的内侧壳体在爆炸作用下会在中轴线上形成向前、向后的中心聚能侵彻体，该侵彻体在对前方靶板进行穿透的同时，也会对后方构成很大毁伤效果。

目前国内外研究者虽然意识到环形装药作用时，中轴线会形成具有很强破坏效果的聚能侵彻体，但缺少将中心侵彻体成形和环形射流成形二者统一起来进行分析的研究成果。本文将探讨通过对内侧装药、壳体结构进行优化设计，在抑制中心逆向侵彻体向后运动趋势的同时，修正等壁厚药型罩形成环形射流的偏转现象，促进环形聚能装药技术的实际应用。

1 环形装药毁伤试验

1.1 毁伤试验

根据前期环形聚能装药的原理研究[8-9]，设计并加工了环形装药，如图1所示。其中，药型罩开口角度为2=60°、壳体材料为高强度钢，装药采用Comp.B炸药，药型罩材料采用紫铜。

图1 环形装药设计参数

靶场布置如图2所示，其中前后钢靶为922#钢，采用M20螺钉固定在靶板架上。

图2 环形聚能装药毁伤试验布置

钢靶的毁伤情况如图3所示，该环形装药能够对前端80mm厚的922#钢靶形成较为均匀的切割开孔，但在切割下的圆盘中心，以及环形装药后端对应的钢板中心处均形成一个规则的、口径较大的孔洞。

图3 钢靶的毁伤情况

1.2 试验结果分析

通过对孔洞形态、边缘残留物的分析，并结合ANSYS/LS-DYNA有限元仿真，可以推断出，环形装药爆炸后，形成的冲击波和爆轰产物作用到内侧壳体上，使其发生塑性变形并向轴线运动。内侧壳体受爆轰产物驱动向轴线运动过程中，径向尺寸逐渐缩小，由于上端与壳体顶端部分、下端与药型罩连接，受到边界效应和卸载波的作用，在运动过程中，截面会呈现一个拱形。另外根据质量守恒，随着半径的减小，使得内部各点均处于三向受压状态，从而导致截面积的增加；内收过程质点径向速度不对称，内侧质点的径向收缩速度大于外侧质点的径向速度，内侧的周长小于外侧，而内侧的变形速度大于外侧，相对于外侧，内侧过度的变形直接导致了内鼓的变形模式，即截面呈现拱形。最终在轴线附近发生碰撞时的截面成为一个“X”形，先中间碰撞，后两端碰撞，从而形成中心聚能侵彻体，并向前后方运动，内侧壳体运动如图4所示。形成的聚能侵彻体由于周向受到均布的爆炸载荷的挤压作用，只能沿轴向运动，进而侵彻并穿透前后端靶板。

图4 内侧壳体运动示意图

2 异型环形装药优化设计

2.1 原理分析

环形聚能装药截面结构样式可以是柱形、柱锥形、正梯形以及倒梯形4种典型样式，同样的爆轰载荷对4种不同结构样式的内侧壳体作用时，壳体在轴线碰撞形成的“X”形截面夹角不同、中心侵彻体的轴向运动速度也不同，会导致向后运动的侵彻体所占的比例、速度及其梯度有很大差异。相比较而言，倒梯形装药结构对中心逆向侵彻体向后运动的抑制作用最好。但倒梯形的装药形式可能导致爆轰载荷对内外侧药型罩压合作用的不对称，从而使形成的环形射流产生纵向的偏转，影响环形射流的成型质量。因此，可以考虑改变内侧装药倾角，使装药与壳体之间有部分空气或其它材料，衰减侧向多余的爆轰载荷，达到对内外侧药型罩对称均匀的压合作用，该异型环形聚能装药截面如图5所示。

图5 环形聚能装药截面示意图

但最优的倒梯形内倾角度、非对称的装药结构形式等需要通过数值仿真进一步确认。

2.2 有限元模型

2.2.1模型建立

运用ANSYS/LS-DYNA软件，建立异型环形装药毁伤效应有限元模型，根据对称性，为了简化计算采用1/4模型。为了易于观察，显示过程中均采用1/2模型，如图6所示。

图6 有限元模型

模型由装药、药型罩、壳体、空气、前靶板和后靶板6部分组成。由于聚能装药爆炸是一个高速、大变形的过程，Lagrange算法往往由于网格的畸变、扭曲及相互间的叠置导致计算的失败，而Euler算法具有适合克服网格发生畸变的优势，因此将装药、药型罩和空气3种材料采用Euler网格单元划分，在计算中单元使用多物质ALE算法，克服了单元严重畸变引起的数值计算困难的问题；而异型环形聚能装药的壳体和前、后端靶板3种材料采用Lagrange网格单元划分。为保证计算的精确和可靠性，在空气域四周设置透射边界，以避免冲击波在空气域边界反射造成的误差。对于整个模型，在对称面上施加对称约束。环形切割器装药起爆方式为顶端环形起爆。

2.2.2材料模型参数

装药材料为Comp.B炸药，采用High-Explosive-Burn材料模型和JWL状态方程，材料参数见表1。异型环形装药的药型罩材料为紫铜，采用Steinberg材料模型和Grüneisen状态方程，材料参数见表2。

表1 Comp.B炸药的材料参数

Tab.1 Parameters of the comp.B explosive

表2 紫铜药型罩的材料参数

Tab.2 Parameters of the copper liner

异型环形装药的壳体材料为高强度钢，前、后端靶板材料为922#钢，均采用Johnson-Cook材料模型，状态方程为Grüneisen方程，材料参数见表3。空气采用Null流体动力模型，状态方程为Grüneisen方程，材料参数见表4。

表3 钢壳体和靶板的材料参数

Tab.3 Parameters of the steel shell and target

表4 空气的材料参数

Tab.4 Parameters of air

2.3 数值模拟结果及分析

2.3.1内壳倾角对中心侵彻体的影响

内壳倾角虽然不同，但中心侵彻体的形成过程大致相同，仅形成过程中的一些数据不同。不同内壳倾角条件下中心侵彻体形成过程中的主要数据统计如表5所示。

表5 中心侵彻体成形数据统计（内壳倾角）

Tab.5 Statistics data of produced center projectile（inner shell angle）

表5中：为环形切割器内壳在轴线发生碰撞时的时间；为计算终止时中心侵彻体的总长度；L为计算终止时中心逆向侵彻体长度；L/为计算终止时逆向侵彻体占总长度的比例；vmax为逆向侵彻体头部最大速度；vfinal为计算终止时逆向侵彻体头部速度的分布。由表5可见：（1）随着内壳倾角的增大，环形装药药量增大，作用在内壳的爆炸载荷也增加，使内壳向轴向运动的速度增加，而内壳距轴线的距离减小，从而导致内壳在轴线方向发生碰撞的时间缩短。（2）随着内壳倾角的增大，内壳的总面积增大，形成中心侵彻体的总质量也增大，表现在中心侵彻体的总长度增大，但逆向侵彻体的速度减小，且逆向侵彻体长度占中心侵彻体总长度比例减小，逆向侵彻体的头部速度也显著降低。（3）当内壳倾角为45°时，虽然仍有轴向向后运动的逆向侵彻体单元，但这些单元相对很少，已基本消除了逆向侵彻体对后端的破坏作用，不存在冲击起爆后级装药的危险。

2.3.2内侧装药倾角对环形射流的影响

通过改变内壳倾角，虽然可以达到消除中心逆向侵彻体对后级装药引爆的目的，但装药形式发生了变化，作用到药型罩上的爆炸载荷不再对称，从而导致形成的环形射流运动形态发生较大变化，如图7所示。环形射流产生偏转是由于药型罩内外两侧受爆轰载荷作用的不对称性引起的，因此考虑改变装药内侧倾角，使装药与内壳有一部分空气，达到衰减多余爆炸载荷的目的。在内壳倾角为45°时，不同的内侧装药倾角下环形射流形成过程中的主要数据统计见表6。

图7 环形射流形态（内壳倾角）

表6 环形射流成形数据统计（装药内侧倾角）

Tab.6 Statistics data of annular jet（inner charge angle）

表6中：为聚能侵彻体的总长度；Δmin为射流所选节点的最小偏移距离；Δmax为射流所选节点的最大偏移距离；min为射流所选节点的最小速度偏离度；max为射流所选节点的最大速度偏离度；为射流侵彻靶板的深度。由表6可见：（1）当装药内侧倾角为0°时，射流偏向中轴线的距离最大，且偏向的趋势最大；当装药内侧倾角为45°时，射流偏离中轴线的距离最大，且偏离的趋势最大，从而导致这两种情况的射流侵彻效果最差。（2）当装药内侧倾角为10°和30°时，与上述两种情况相似，只是程度差一点。只有在装药内侧倾角为20°时，射流偏移中轴线的距离较小，射流头部与杵体差异性小，且侵彻效果最好。

3 结论

结合数值仿真与靶场试验，对环形聚能装药中心侵彻体成形过程进行了分析，为了抑制中心逆向侵彻体对后端的破坏作用，对环形聚能装药结构进行了优化设计，得出如下结论：（1）环形聚能装药采用倒梯形结构，内壳倾角为45°时，对中心逆向侵彻体的抑制作用最为理想。（2）为保证爆炸载荷对内外侧药型罩压合作用的一致性，内侧装药的倾角为20°时，对环形射流偏转现象的修正作用最为理想。（3）该抑制中心逆向侵彻体的异型环形装药原理设计，能够进一步促进环形装药的工程应用。

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Design on Special-shaped Annular Charge to Weaken Damage of Center Reverse Projectile

LI Yong-sheng1, WANG Wei-li1, SONG Zhi-yong2

(1.Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai,264001; 2. The 91206st Unit of PLA, Qingdao,266108)

When the annular charge detonation, a center shaped charge projectile will form, which move forward and backward in medial axis, and seriously damage the following target. Based on the forming characteristics of the center projectile, a inverted ladder-shaped charge formation with the shell incline to inside was designed, which can weaken the reverse projectile damage effect to the following target. Because of the asymmetric press of detonation wave to inside and outside liner, the hollow annular jet will deflect in lengthways to some extent. To revise the deflection, the project present an asymmetric charge structure to produce the uniform press effect on equal thickness liner as far as possible, which can form high-quality annular jet.

Shaped charge；Damage effect；Annular jet；Center reverse projectile；Optimization design

1003-1480（2015）05-0021-04

TJ410.2

A

2015-08-31

李永胜（1981-），男，博士，主要从事目标毁伤与终点效应的研究。

国家部委基础研究专项（00404010102）；海军航空工程学院青年科研基金项目（HYQN201207）。