夹层聚能装药EFP成型及侵彻数值模拟

2019-04-11李玉品周春桂王志军尹建平徐全振

兵器装备工程学报 2019年3期

李玉品，周春桂，王志军，尹建平，徐全振

(中北大学机电工程学院，太原 030051)

夹层聚能装药的基本结构是由两层不同爆速的炸药组合在一起，其目的是利用炸药爆速的差异改善爆轰波形，并以此改变药型罩的压垮变形。最初，M.Held[1]利用条纹转镜相机观测了不同炸药组合的夹层聚能装药中的爆轰波形。Toru Hamada、Liu Zhi-yue、Itoh S等[2-4]国外学者对高爆速和高密度装药(高密度装药为添加不同比例钨粉的炸药)构成的夹层装药进行了深入研究，揭示了夹层装药的作用机理。国内，李福金、张先锋等[5-6]学者研究了夹层聚能装药下射流的侵彻性能。王辉等学者[7]对复合装药在偏心起爆条件下的波形进行了扫描实验。李常青等学者[8]对复合装药的冲击波超压特性进行了研究。向梅等[9]学者还对复合装药安全性的优选进行了BP神经网络建模，并对复合装药结构的能量输出规律[10]进行了数值模拟。此外，国内外对于EFP(Explosive Formed Projectile，爆炸成型弹丸)的研究已相当成熟，在药型罩材料、药型罩结构、炸药性能、起爆方式、带隔板装药等方面均有详细研究，但对于夹层聚能装药结构下EFP成型和侵彻的研究还十分缺乏。

利用非线性有限元软件Autodyn对夹层聚能装药结构下3种典型药型罩，即大锥角罩、球缺罩和弧锥结合罩，形成EFP及其侵彻过程进行了数值模拟，通过与单一装药结构对比，发现夹层聚能装药能够显著改善爆轰波形，提高EFP侵彻性能。

1 模型建立

1.1 装药几何模型

装药几何尺寸如下：装药口径为80 mm，装药高度为70 mm，其中内层炸药直径为70 mm，外层炸药厚度为5 mm。

药型罩选择3种典型结构，大锥角罩、球缺罩和弧锥结合罩。药型罩厚度为2.5 mm，其中大锥角罩锥角为145°；球缺罩外曲率半径为72 mm(0.9倍装药直径)；弧锥结合罩圆弧部分外曲率半径为72 mm，锥形部分锥角为145°。起爆方式为端面中心点起爆。几何模型如图1所示。

图1 装药几何模型

1.2 装药有限元模型及材料参数

利用Autodyn-2D建立仿真模型，鉴于装药结构的对称性，建立1/2模型以节省计算时间，并在装药轴线和边缘位置设置高斯点，如图2所示。炸药、药型罩都采用Euler算法以适应其在爆轰过程中的大变形特点，Euler域设定Flow-out边界条件以消除爆轰波反射的影响。在侵彻靶板过程中，靶板采用Lagrange算法，与Euler域的连接方式为自动流固耦合。

药型罩材料为高导无氧铜，状态方程为Shock，强度模型为Steinberg-Guinan；靶板材料为装甲钢(RHA)，模型主要参数见表1所示。外层炸药为HMX炸药，选择JWL状态方程；内层炸药为B炸药，选择冲击起爆的Lee-Tarver模型，其主要参数如表2所示。

图2 装药有限元模型

材料ρ/(g·cm-3)G/GPaσY/GPaγ高导无氧铜8.9347.70.122.02RHA7.8664.11.51.67

表2 炸药及其主要参数

2 EFP成型模拟

2.1 爆轰波传播过程分析

夹层聚能装药结构由于内外层炸药爆速的差异，爆轰波波形不同于传统球形波，其传播过程和特点如图3(a)所示。作为对比，图3(b)为单一装药中爆轰波传播过程。图4为夹层聚能装药轴线和边缘处高斯点(见图2)压力历程曲线。

图3 爆轰波传播过程

从图3爆轰波形状及图4高斯点压力历程曲线可以发现：

1) 单一装药中，爆轰波为散心球形波。而夹层装药结构下爆轰波形更加接近平面波，有利于减小爆轰波与药型罩母线夹角从而增加作用在罩面上的初始压力。

2) 通过轴线上高斯点的压力历程曲线可以看出，爆轰波传播过程中，波阵面峰值压力逐渐增大。靠近罩顶处压力达到37 GPa，远大于内层炸药的C-J爆轰压力，说明内层炸药发生了超压爆轰，这无疑也增加了作用在药型罩上的初始压力。

3) 从夹层装药压力云图和高斯点7-10的压力历程曲线可以发现，内层装药边缘处压力最大且峰值压力约为50 GPa，这有利于药型罩边缘部分的压垮。

图4 高斯点压力历程曲线

2.2 EFP成型及分析

80 μs时，EFP成型已趋近稳定。此时，3种典型药型罩在单一装药结构和夹层装药结构下形成的EFP如图5所示。

EFP参数如表3所示，其中Vh为EFP头部速度，Ek为EFP动能，η为EFP头部密实度(EFP头部密实部分占EFP总长度的比值)，λ为EFP长径比。

从图5可以发现，3种典型结构的药型罩所形成的EFP形状差异很大。大锥角罩EFP外形粗短，中心压拢密实并存在明显的反向凸起；球缺罩EFP较为细长且内部空腔大；弧锥罩EFP外形类似较球缺罩但头部更为密实。夹层装药下形成的EFP保留了由药型罩结构所产生的形状特点，但EFP的密实度明显增加。

根据表3，对于相同几何形状的药型罩，夹层装药条件下形成的EFP在头部速度、动能、密实度、长径比方面均有明显提升，这与上述对夹层装药爆轰波的传播特点的分析是一致的。对于大锥角罩，夹层装药下EFP头部速度提高了145 m/s(约6%)，动能提高了49 kJ(约20%)，密实度提高了16%，长径比增加了0.4。对于球缺罩，夹层装药下EFP头部速度提高了99 m/s(约4%)，动能提高了54 kJ(约22%)，密实度提高了12%，长径比增加了0.22。对于弧锥罩，夹层装药下EFP头部速度提高了186 m/s(约9%)，动能提高了45 kJ(约19%)，密实度提高了4%，长径比增加了0.21。通过上述数据分析可以发现：相比于单一装药，夹层装药条件下弧锥罩EFP头部速度提升最大，但其密实度提升最不明显；大锥角罩EFP密实度和长径比提升最显著；球缺罩EFP动能提升最高。

图5 不同装药结构下EFP成型图

Vh/(m·s-1)Ek/kJη/%λ大锥角罩(单一装药)2 357247321.44大锥角罩(夹层装药)2 502296481.84球缺罩(单一装药)2 331243152.21球缺罩(夹层装药)2 430297272.43弧锥罩(单一装药)2 160239281.13弧锥罩(夹层装药)2 346284321.34

2.3 EFP侵彻能力分析

夹层装药下EFP头部速度、动能、密实度、长径比均有所提高，但这并不能直观、准确的判断EFP侵彻性能。为更进一步了解夹层装药下EFP的侵彻能力，进行了侵彻装甲钢的数值分析。炸高取190 mm(约2.4倍装药直径)，起爆后80 μs，EFP开始侵彻钢靶(厚100 mm)。150 μs时，侵彻结束(EFP速度已降至10 m/s以下，完全失去了侵彻能力)，此时，靶板开孔情况如表4所示，其中Dp是侵彻深度，d1是开孔直径。

表4 侵彻模拟结果

通过靶板开孔形状可以发现3种药型罩形成的EFP侵彻特点，大锥角罩EFP开孔形状中间深四周浅，这是由于大锥角罩EFP轴心处密实度高，能量密度高，所以中心处能够获得更大的侵彻深度。球缺罩EFP侵彻靶板时，开孔四周深中间浅，孔中心处产生一个“凸芯”，这是由于球缺罩EFP内部空腔大，头部密实度差从而导致轴心部分没有足够能量继续侵彻。弧锥罩EFP开孔特点类似球缺罩，但中间的“凸芯”并不明显，因为弧锥罩EFP头部密实度较高。

与单一装药结构相比，夹层装药条件下大锥角罩EFP侵深增加了12 mm，增幅为40%，开孔直径增加了9 mm。球缺罩EFP侵彻深度增加了6 mm，增幅约为18%，开孔直径略有下降且“凸芯”高度明显降低。弧锥罩EFP侵彻深度增加了6 mm，增幅约26%，开孔直径略有增加且孔底“凸芯”近乎消失。综上，夹层装药结构能够有效提高EFP的侵彻性能，其中大锥角罩提升最为显著。