仿真分析三种射流形态对移动靶板的侵彻*

2015-12-10陈振华张国伟高元浩孙国庆

弹箭与制导学报 2015年4期

陈振华，张国伟，高元浩，孙国庆

(中北大学机电工程学院，太原 030051)

0 引言

伴随着各种制导武器的迅猛发展，空袭和防空作战在现代战争中的地位越来越重要，而将敌方各种来袭导弹成功拦截和击毁，已成为各国掌控制空权的共识，反导技术愈来愈成为各国研究的焦点内容。近程反导是作为防护己方目标免受导弹袭击的最后一道屏障，在近程反导方面各国采取的措施主要是以诸如定向战斗部、可控离散杆战斗部、聚焦战斗部等破片形式的动能拦截为主，利用破片对导弹关键部位侵彻，使导弹偏离其预定轨道或直接侵彻并引爆战斗部，从而达到反导的目的，其中以直接引爆战斗部效果最佳。但随着各国对导弹防护能力的加强以及钝感炸药的研制与应用，直接引爆战斗部的难度越来越大，从而使反导效率越来越低。鉴于射流在军事、民用领域应用越来越广泛，主要是利用射流侵彻静止或低速运动的目标，如爆炸切割、石油射孔弹、反坦克破甲弹等，它具有高温、高速、侵彻能力强等优点，若采用射流侵彻并引爆导弹战斗部将会使反导效率得到明显提高。基于这种思路，文中重点探讨3种射流形态对移动斜靶的侵彻情况。

1 仿真方案的确定

聚能装药是一种一端装有内凹金属罩的炸药装药，在另一端爆炸后，爆轰波作用到金属罩上，将罩以很大的速度向中心挤压，使罩金属变形并在轴线上发生碰撞，在碰撞的高压作用下，汇成一股连续高速金属射流。聚能装药的3种射流形态分为金属射流(JET)、聚能杆式射流(JPC)和自锻破片(EFP)，文中通过调节药型罩的锥角，用TrueGrid软件建立金属射流、杆式射流和自锻破片战斗部模型，通过ANSYS/LS-DYNA数值模拟它们各自对移动斜靶的侵彻，得出哪种射流形态对移动斜靶的侵彻效果最好。

2 数值模拟

2.1 模型结构的建立

为了结构优化，分别建立药型罩锥角为50°、100°和150°3种典型聚能装药结构，其射流形态分别代表金属射流、聚能杆式射流和自锻破片。口径均为90 mm，药型罩壁厚为2.3 mm，壳体的壁厚为4 mm，装药高度采用1.8d。其模型图如图1～图2所示。

图1 数值模拟总体模型

图2 3种聚能装药的药型罩模型结构

文中建立的斜靶模型的靶面与水平线成60°夹角，沿着60°的方向移动，赋予500 m/s的速度，其靶厚采用100 mm的厚度，靶板在z方向距药型罩口部的距离为27 cm。

2.2 材料模型

在文中的数值模拟中，涉及到炸药、空气、药型罩、壳体和靶板5种材料模型，其中炸药采用B炸药，药型罩材料为紫铜，靶板为45#钢，壳体为钢质材料。

1)B 炸药的主要参数为:ρ=1.82 g/cm3，VD=8.48 km/s，PCJ=34.2 GPa［1］。选用 MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型，状态方程为EOS_JWL状态方程，其基本形式为:

其中:p为压力;E为爆轰产物的内能;V为爆轰产物的相对体积;A、B、R1、R2和 ω 为待定常数，如表1所示。

表1 8701炸药的主要参数

2)药型罩选用紫铜为材料，采用MAT_JOHNSON_COOK模型和EOS_GRUNEISEN状态方程。状态方程的基本形式为:

对于可压缩材料:

对于膨胀材料:

3)空气采用MAT_NULL模型，状态方程采用EOS_LINEAR_POLYNOMIAL，其状态方程的基本形式为:

4)壳体采用钢质材料，采用MAT_JOHNSON_COOK模型和EOS_GRUNEISEN状态方程。

5)靶板采用45#钢。

3 数值模拟结果分析

3.1 总体分析

如图3所示，3种聚能装药对移动斜靶的侵彻各不相同，对于金属射流而言，在150 μs穿透靶板，并于202 μs的时候射流上半段脱节，其杵体对靶板进行二次开坑。对于杆式射流而言，168 μs穿透靶板，其射流大致沿着开坑路线侵彻，未发生脱节现象;对于自锻破片而言，未能穿透靶板，只是开坑效果不错，而且自锻破片在侵彻靶板的时候产生类似于穿甲弹“滑弹”的效果，无法完成作战指标。