兵器装备工程学报

起爆点数量对侧向环形聚能装药侵彻能力的影响

分类:主编推荐 发布时间:2018-03-08 15:45 访问量:989

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引用格式:曹涛,顾文彬,刘建青,等.起爆点数量对侧向环形聚能装药侵彻能力的影响[J].兵器装备工程学报,2017(12):106-111.

Citation formatCAO Tao, GU Wenbin, LIU Jianqing, et al.Effects of Detonation Points Number on Annular Shaped Charge Penetration Ability[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(12):106-111.
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作者简介:曹涛(1992—),男,硕士研究生,主要从事爆炸作用机理和战斗部设计研究。

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起爆点数量对侧向环形聚能装药侵彻能力的影响

曹 涛,顾文彬,刘建青,王振雄,徐景林,刘 欣

(解放军理工大学 野战工程学院, 南京 210007)

摘要:分析了侧向环形聚能装药(ASC)的结构特性和药罩压垮机理,借助有限元仿真软件LS-DYNA模拟了不同起爆点数量下环形射流的成型过程,发现了不同截面环形射流的形态特征及速度分布特征。试验对比了两点与四点起爆时ASC的侵彻能力,试验现象与数值模拟吻合较好。四点起爆条件下ASC能完全切透2 cm厚上层钢板,两点起爆时上靶穿透率为48.1%。研究结果为ASC结构设计与实际应用提供参考。


关键词:ASC;射流偏斜;起爆点数量;试验研究


中图分类号:TJ5  文献标识码:A  文章编号:2096-2304(2017)12-0106-06


Effects of Detonation Points Number on Annular ShapedCharge Penetration Ability

CAO Tao, GU Wenbin, LIU Jianqing, WANG Zhenxiong, XU Jinglin, LIU xin

(College of Field Engineering, PLA University of Science & Technology, Nanjing 210007, China)

Abstract: In order to study the effects of detonation points number on annular shaped charge (ASC) penetration ability,the structure characteristics of ASC and liners collapsing mechanism were analyzed theoretically.The process of annular jet formation under different detonation points number were simulated with the aid of finite element simulation software LS-DYNA.The shape characteristics and the velocity distribution characteristics of annular jet were discovered in different section.The penetration ability under 2 and 4 detonation points were compared by experimentation and appearance showed in good agreement with numerical simulation. ASC can fully cut upper 2 cm steel target under 4 detonation points,compared to 2 detonation points which turned to be a 48.1% penetration rate.Results provide a reference for the design and practical application of ASC.

Key words: ASC; jet deviation; number of detonation points; experimental study

ASC作为一种新型装药结构[1-5],爆炸后能在轴向形成大口径环形聚能射流,一般作为串联战斗部前级装药使用,能大大提高战斗部毁伤效能。ASC作为中空的轴对称结构,起爆点一般设置在装药环形对称面上,起爆点数量是影响环形射流形成的关键因素之一。赵长啸等[6]研究了多点起爆条件下药型罩表面压力分布规律以及起爆点参数对压力分布的影响,发现爆轰波在起爆点的对称平面处发生碰撞形成高压区。龚康平[7]研究了起爆点数量对环形联系切割索切割效果的影响,认为起爆点数量越多,形成爆炸零门的可能性越大,单点起爆优于两点起爆。其得出此结论的原因在于起爆点未成功起爆时切割索将受到破坏,但是对于多点成功起爆条件下切割索的侵彻能力研究国内外还鲜见报道。实际上对于ASC,有研究者提出环形起爆的实现方法[8],其基本方式是通过ASC顶部覆盖圆饼状传爆药块,单点起爆传爆药块圆心,从而实现环向同时起爆。这种起爆方式对传爆药块和ASC相对位置的加工工艺要求非常高,并且在ASC曲率半径较大时,用于起爆的传爆药量将大大增加,造成了不必要的浪费和切割器重量增加。因此点起爆方式仍是目前ASC主要起爆方式。研究不同起爆点数量下环形射流的成型规律与侵彻能力,对ASC的应用具有实际意义。鉴于环形射流成型过程的瞬时性与复杂性,本文采用数值模拟的方法研究起爆点数量对于环形射流成型特性的影响,并进行了不同起爆点数量下ASC侵彻能力试验分析。

1 ASC射流特性分析

1.1 ASC结构特点

ASC可认为是将线型聚能装药(LSC)首尾相接绕成圆环形得到的三维空间结构,其基本构型如图1。虽然ASC径向截面具有对称性,但其外侧装药和药型罩质量明显大于内侧。环形对称面上某点起爆后,内侧炸药先于外侧完成爆轰,药型罩压垮不同步,并且随着爆轰波的传播,药型罩压垮不同步性逐步加强,使得射流在不同位置呈现不同状态。起爆点数量能够改变爆轰波传播距离,从而使环形射流性能改变,影响侵彻能力。为方便描述ASC不同截面射流成型状况,约定过ASC中心轴线和起爆点的截面为0°截面,过中心轴线与0°截面沿爆轰波传播方向成θ角的截面为θ截面。

1.炸药; 2.金属药型罩; 3.对称平面; 4.环形对称面

图1 LSC与ASC结构对比

1.2 环形药型罩压垮过程

由ASC结构特性分析[9]可知,采用点起爆方式时,随着爆轰波的环向传播,在θ截面处,内外侧装药爆轰存在时间差Δt=,其中b为切割器截面宽度,D为爆速。考虑θ截面处的射流成型情况,药型罩单元的抛掷终速度Vi可由一维端出流的能量平衡方程决定。但爆轰波压力作用于药型罩以后,药型罩单元在达到最大抛掷速度之前有一个加速的过程,对于罩顶部来说,由于内外侧单元距离较短,可能不会达到最大抛掷速度便发生了碰撞,这使得考察药型罩压垮过程变得复杂化。但是可以确定的一点是:药型罩的压垮变形情况与单元运动的起始时间密切相关。上述时间差Δt的存在使得内侧药型罩先于外侧动作,两侧药型罩碰撞点偏离环形对称面外移,这种碰撞点的外移使得射流向外偏斜和形态不稳定,并且不稳定性随着圆心角θ的增大将会越来越明显。

药型罩微元的运动规律可由下式近似描述[10]

(1)

其中: Vi为金属罩单元抛掷终速度; τi为罩单元加速特征时间。对式求导可得罩单元加速度:

(2)

t=0时,a0i==。其中pmax为爆轰波作用于罩单元的压力,可取爆压pmax=si为罩单元受载面积,则加速特征时间:

τi=

(3)

这样θ截面处药型罩单元的运动情况可以完全确定。以金属罩锥顶角为原点,建立坐标系,如图2,考察罩内外侧药型罩压垮过程。θ=0°时,Δt=0。内外侧药型罩同时压垮。不同时刻罩单元飞行位置曲线的交点即为单元碰撞点。从图3可以看出,罩单元碰撞点并不在环形对称面上,而是偏离对称面稍向内偏。

图2 药型罩单元动作过程参考坐标系

θ≠0时,Δt=,内外侧药型罩单元不同时刻飞行位置如图4,此时内侧药型罩先于外侧运动。罩单元碰撞点位置向外偏离截面对称轴,射流形成出现明显不对称特征。

图3 不同时刻 0°截面内外侧药型罩单元飞行位置

图4 不同时刻 90°截面内外侧药型罩单元飞行位置

2 环形射流数值模拟分析

2.1 建模参数

在LS-DYNA中建立模型如图5,在考察射流成型过程中未设置靶板,故该模型由炸药、金属药型罩和空气三部分构成。考虑到环形切割器内外侧结构的不对称性,因此建立三维模型。炸药、药型罩和空气都采用solid164三维实体单元和欧拉网格。在模拟计算中为了防止单元大变形引起计算终止问题,采用多物质ALE算法。为了提高网格质量和求解精度,划分截面网格时采用映射网格划分,然后对截面进行三维拉伸,同时将模型进行环向划分。模型中对空气域设置无反射边界条件,对称面添加对称约束。

图5 有限元模型

装药采用B炸药,用高能炸药材料模型High_explosive_burn描述[11],炸药爆轰过程采用燃烧反应率乘以高能炸药的状态方程来控制炸药化学能的释放。爆轰产物的状态方程选用JWL状态方程,其形式为:

(4)

式中: p1为爆压; E0为单位体积炸药内能; V为相对体积;A1B1R1R2ω是表征炸药特性的常数。B炸药是聚能装药中经常用到的烈性炸药之一,经过多年发展其参数已经比较成熟,具体见表1。

表1 B炸药材料参数

药型罩采用密度大、气化温度高且经济实用的纯铁,用Steinberg材料模型和Gruneisen状态方程,应用LS-DYNA软件仿真射流成型过程时,只要材料参数得当,药型罩的材料模型选择Steinberg或者Johnson-Cook都能很好地模拟聚能射流的形成过程[12],纯铁主要材料参数见表2。

表2 纯铁药型罩材料主要参数

空气采用空物质模型,与Gruneisen状态方程连用[13],它可以评估材料的失效以及热效应,对流体而言,偏剪应力σd与剪切应变率关系如下式:

(5)

式中 μ表示流体粘度。如果流体承受剪应力,流体就会产生形变。空气主要材料参数见表3。

表3 空气药型罩材料主要参数

2.2 环形射流形态特征

炸药起爆后,爆轰波近似以平面波形式沿环形装药环向传播。相同时间内,内侧装药爆轰波传播角度大于外侧装药,因此,各个截面药型罩压垮时间不同步,从而导致射流出现不同程度的扭曲变形。1/4模型在0°截面一点起爆后,表4为不同截面射流断裂前状态。

装药从0°截面起爆后,各个截面随着圆心角的增大依次爆轰。不同截面射流出现不同程度的偏斜,0°截面和15°截面射流基本呈对称状态,射流拉伸时间长,断裂前长度均达到6 cm以上。30°、45°、60°、75°截面射流两翼保持水平,但头部出现明显的向外侧偏斜的现象,射流最大拉伸长度维持在3 cm左右。90°截面射流偏斜和扭曲变形最为严重,射流两翼明显不对称,内翼相对靠前,外翼相对滞后,射流头部向外偏斜,杵体粗大,断裂前射流质量很少。

表4 不同截面处射流断裂前状态

2.3 爆轰波碰撞现象

ASC与LSC不同之处在于:即使采用单点起爆,爆轰波经不同路径仍会发生碰撞。因此研究爆轰波碰撞现象对于认清ASC射流特点具有独特的意义。根据爆轰波流体动力学理论[14],由两个起爆点发出的爆轰波发生正碰撞或者斜碰撞,在碰撞点处压力将会明显提高。图6为1/4模型在0°和90°截面分别设置一个起爆点时环形射流侵彻钢靶板的过程。两起爆点发出的爆轰波在45°截面附近碰撞,形成高压区。射流在45°截面出现类似EFP的高速侵彻体,正是由于爆轰波碰撞形成高压区作用而成。EFP高速侵彻体撞击靶板,并且迅速穿透继续飞行。相比较其他截面,爆轰波碰撞区形成的EFP高速体侵彻能力明显增强。图7,图8所示靶板仅在爆轰波碰撞位置被穿透。爆轰波碰撞现象说明适当增加起爆点数量,利用爆轰波之间的相互作用,可以有效提高ASC的局部侵彻能力。

图6 爆轰波碰撞区域EFP高速侵彻体形成

图7 EFP高速侵彻体穿透靶板

图8 1/4模型两点对称起爆靶板侵彻后效

2.4 环形射流头部速度分布

起爆点位置和数量不同,将在装药中形成不同形状与强度的爆轰波。药型罩微元压垮变形获得的速度由爆轰波的强度及方向决定。因此,起爆方式不仅对射流形态有重要影响,不同的起爆方式还将导致环形射流速度分布不同。竖直速度一定程度上能反映射流的侵彻性能,图9所示为1/4模型上起爆点数N分别为1、2、3、6、19时,环形射流头部竖直速度分布情况。N=1时,即采用单点起爆,射流头部竖直速度大致分为三个区域:在0°截面到20°截面,射流竖直速度有小幅上升;20°截面到80°截面,速度呈递减趋势,在80°截面附近速度降为最低;80°到90°截面范围内,射流竖直速度有所回升,在90°截面处上升到最大。N=2时,射流速度分布呈对称状态,0°到40°截面射流速度分布与采用单点起爆方式时速度分布情况一致,说明在这段范围内环形射流形成还没有受到爆轰波碰撞的影响。而在45°截面附近,射流速度突然增大。这正是上述EFP高速侵彻体形成的直接原因。N=6时,环形射流速度分布呈稳定波动状态,起爆点截面速度最低,两起爆点之间的中心截面射流速度最高。N=19时,环形射流各处的竖直速度基本稳定在3.87 km·s-1

图9 不同起爆点数量下环形射流竖直速度分布

3 ASC侵彻能力试验研究

3.1 起爆网络

在ASC环形对称面上等间隔设置起爆点,注药时预留出起爆孔。为确保各起爆点同时起爆,起爆网络设计如图10。电雷管起爆中心铅导爆索,由中心导爆索起爆传爆件中的传爆药柱。传爆药柱起爆后,再由四根等长度的铅导爆索起爆ASC起爆孔中的扩爆药,从而实现多点同时起爆。

1.雷管; 2.铅导爆索; 3.传爆件

图10 多点同时起爆网络

3.2 试验设置

静爆试验设置如图11。环形切割器顶部中心间隔90°设置一个起爆点(两点起爆时间隔180°),起爆点位于正方形靶板对角线上,通过起爆网络实现多点同时起爆。靶板为2块20 mm厚45#钢板叠加而成,整个装置放置在刚性靶台上,炸高设置为40 mm。

3.3 结果分析

两发装药均未能有效切割下靶,其上靶侵彻效果如图12。装药E(左)采用两点起爆,切口呈椭圆形,椭圆长短轴落于靶板对角线上,长轴两端有明显侵彻位置外偏迹象,对上靶底面照片进行适当图像处理可得到上靶穿透率为48.1%。装药F(右)采用四点起爆,上靶被完全切开,洞口形状近似呈菱形,在菱形的四个对角侵彻痕迹向外偏斜。根据起爆点设置位置,侵彻痕迹外偏均发生在两相邻起爆点中间位置,试验现象与数值模拟结果较为吻合。从侵彻效果来看,各起爆点均实现可靠起爆,相同装药结构和试验设置条件下,采用四点起爆ASC切割效果要优于两点起爆。

图11 四点起爆ASC侵彻威力试验设置图

图12 两点与四点起爆ASC侵彻上靶后效

在进行ASC侵彻能力试验时,对其中一发装药D设置为四点同时起爆,实际起爆过程中,由于起爆网络制作原因,只有三个起爆点成功起爆,其侵彻效果如图13。因起爆点均设置在靶板对角线上,从E、F两发装药试验结果分析,初步判断靶板左上角起爆点未成功起爆。若以靶板左下角和右上角之间对角线为界,将靶板分为两部分,则左上部靶板采用两点起爆,右下部靶板采用三点起爆。采用相同的图像处理方法,得到D装药左上部分穿透率为2.8%,右下部分穿透率为27.5%。因装药成分和炸高设置原因,右下部分靶板虽然未完全切透,但其切割效果明显优于左上部分,由此亦可看出适当增加起爆点数量能有效提高ASC侵彻能力。

图13 三点起爆ASC侵彻上靶后效

4 结论

1) 采用点起爆方式时,随着爆轰波的传播,ASC的结构特点导致内外侧炸药微元爆轰存在时间差,内侧药型罩先于外侧动作。根据两侧药型罩压垮飞行轨迹曲线可得:θ=0°时,即起爆点截面,内外侧药型罩碰撞点稍向内偏;θ≠0时,内外侧药型罩碰撞点向外偏斜。

2) 随着距离起爆点截面角度θ的增大,射流形态出现不同程度的偏斜与扭曲变形,1/4模型在0°截面一点起爆时,90°截面射流偏斜与扭曲变形最为严重。爆轰波在相邻两起爆点之间发生碰撞,碰撞区域药型罩加载压力增大,罩微元抛掷速度增高,形成EFP高速侵彻体,具有较其他位置更强的侵彻能力。起爆点数量不同,ASC射流头部速度分布规律不同,起爆点数越多,速度分布差异越小。

3) 试验研究了两点起爆和四点起爆条件下ASC侵彻威力,相邻起爆点之间明显射流外偏现象,与数值模拟结果吻合较好。四点起爆能够完全切断2 cm厚上层靶板,两点起爆上靶穿透率为48.1%,说明采用多点起爆方式能有效提高ASC侵彻能力。

参考文献:

[1] FU L, WANG W L, JIANG Y Z, ET AL.Uniform Design on The Forward Annular Shaped Charge of Torpedo Tandem Warhead[C]//Mechatronics Engineering, Computing And Information Technology.Applied Mechanics and Materials.556-5622014:1263-1266.

[2] 李永胜, 王伟力, 姜涛.一种用于反舰导弹串联战斗部的环形切割器优化设计[J].海军航空工程学院学报,2009(5):481-484.

[3] 王成, 宁建国, 卢捷.环形射流形成及侵彻的数值方法研究[J].北京大学学报(自然科学版),2003(3):316-321.

[4] 曹涛, 顾文彬, 刘建青, 等.曲率半径对环形聚能装药侵彻深度的影响[J].兵器装备工程学报,2017(2):61-64,81.

[5] WANG C, MA T B, NING J G.Design and penetration performance of annular shaped charge structure[C]Advances In Fracture And Materials Behavior, Pts 1 And 2.Advanced Materials Research.33-372008:1175-1180.

[6] 赵长啸, 龙源, 纪冲, 等.多点起爆下药型罩表面压力分布规律研究[J].高压物理学报,2013(1):83-89.

[7] 龚康平.环形切割装置切割索起爆点研究[J].火工品,2008(1):5-7.

[8] 王成, 恽寿榕, 黄风雷.W型聚能装药射流形成及侵彻的实验和数值仿真研究[J].兵工学报,2003(4):451-454.

[9] 曹涛, 顾文彬, 詹发民, 等.侧向环形聚能切割器射流成型特性研究[J].兵器材料科学与工程,2017(2):81-86.

[10] 奥尔连科.爆炸物理学[M].北京: 科学出版社; 2011.

[11] 徐浩铭, 顾文彬, 曾政, 等.延时起爆对串联EFP成型及其侵彻效应的影响[J].高压物理学报,2014(1):79-85.

[12] 陈文刚, 张越.不同材料模型的药型罩对仿真结果的影响[J].科学技术与工程,2010(13):3226-3229,3235.

[13] 纪冲, 龙源, 唐献述, 等.爆炸载荷下X70钢管道的局部破坏效应[J].高压物理学报,2013(4):567-574.

[14] 北京工业学院八系《爆炸及其作用》编写组.爆炸及其作用(下)[M].1979:84-87.