药型罩形状对活性聚能侵彻体成型的影响.pdf
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1、药型罩形状对活性聚能侵彻体成型的影响孙韬,袁盈,郑元枫,余庆波,陈鹏万,王海福(北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室,北京100081)摘 要:结合理论与数值模拟,对 3 种不同形状药型罩活性聚能侵彻体的成型行为开展了研究.数值模拟结果表明,在聚能效应下,球缺罩和大锥角圆锥罩形成尾部带有碎片云的类杆状活性聚能侵彻体,而小锥角圆锥罩则形成活性射流.相比于活性射流,类杆状活性聚能侵彻体速度较低,但凝聚性较好.进一步结合活性材料反应动力学方程,对活性聚能侵彻体成型激活反应行为进行分析.分析结果表明:活性射流激活区位于杵体外壁、射流头部和轴线附近;随炸高增加,激活区内活性材料反应不断加剧,特别是
2、射流头部和轴线附近材料的反应,将导致活性射流膨胀发散,不利于侵彻;而类杆状活性聚能侵彻体激活区域主要集中在尾部碎片区和杆尾中心部位,化学反应对其影响相对较小.关键词:活性材料;聚能装药;射流;药型罩;成型行为中图分类号:TJ410.1 文献标志码:A 文章编号:1001-0645(2024)04-0327-09DOI:10.15918/j.tbit1001-0645.2023.088The Influences of Liner Shape on the Formation of Reactive ShapedCharge PenetratorSUN Tao,YUAN Ying,ZHENG Y
3、uanfeng,YU Qingbo,CHEN Pengwan,WANG Haifu(State Key Laboratory of Explosion Science and Technology,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)Abstract:The formation behaviors of reactive shaped charge penetrator with three different shapes of liner wereinvestigated by theoretical analysis
4、and numerical simulation.The simulation results show that under the shapedcharge effect,spherical segment and large cone liners form rod-like reactive shaped charge penetrators withdebris cloud around the tail,while small cone liners form reactive jet.Compared with reactive jet,the rod-like re-activ
5、e shaped charge penetrator has a lower velocity but better cohesiveness.The activation of the reactiveshaped charge penetrator was analyzed based on the reaction rate equation of the reactive material.It shows thatin the reactive jet,the activation zones of reactive jet are distributed in the extern
6、al wall,jet head and axis of thejet.With the increase of standoff,the reaction extent of reactive materials in the activation zone increases,espe-cially near the jet head and around the axis.This will lead to the expansion and divergence of reactive jet,result-ing in the decrease of penetration dept
7、h.But for rod-like reactive shaped charge penetrators,the reactive regionsmainly concentrate in the tail fragment zone and the central part of the rod tail,so the chemical reaction has relat-ively little influence on their penetration.Key words:reactive materials;shaped charge;jet;liner;formation be
8、havior 活性材料及其聚能装药技术是当今研究热点1.由活性药型罩形成的活性聚能侵彻体(如活性射流2 3、活性 EFP4),不仅具有类金属侵彻性能,还会在侵彻过程中或贯穿目标后自行发生类炸药爆燃反应,从而依靠动能侵彻与化学能释放的联合作用,实现对目标的高效毁伤.基于活性聚能侵彻体独特的侵爆联合毁伤机制,已考虑将其用于打击中轻型装甲以及混凝土工事.收稿日期:2023 04 17基金项目:国家自然科学基金面上项目(12172052);国家自然科学基金重点项目(12132003)作者简介:孙韬(1992),男,博士生,E-mail:.通信作者:王海福(1966),男,教授,博士生导师,E-mail
9、:.第 44 卷第 4 期北 京 理 工 大 学 学 报Vol.44No.42024 年 4 月Transactions of Beijing Institute of TechnologyApr.2024与侵彻类似,活性聚能侵彻体的成型过程同样也是高动载作用过程.在此过程中,活性聚能侵彻体不仅经历极大的塑性变形,还会被冲击激活并发生化学反应.活性聚能侵彻体这种复杂的力化耦合成型行为,直接决定了其侵彻性能与毁伤效应,同时也使该问题的研究变得更加困难.从国内外公开发表的文献来看,相关研究工作主要集中在活性材料配方设计5 6、力学性能7 9和冲击响应10 11、活性药型罩制备工艺12、活性射流成型
10、速度与温度分布特性13及其侵彻性能与毁伤效应14 17等方面.JOSHI5就典型 Al-PTFE 活性材料制备工艺申请了专利,提出活性材料制备过程主要包括粉末混合、模压成型和烧结硬化 3 个步骤.GUO 等12通过引入高密度金属粒子(如铜、铅等),制备了高密度 Al-PTFE-Cu-Pb 活性药型罩.CAI 等7实验研究了 Al-PTFE-W 活性材料的力学特性,分析了钨(W)含量和应变率对其力学性能的影响.SUN 等8基于实验发现不同密度活性材料的力学强度无明显差异.ZHANG10和 TANG 等11分别通过理论和细观仿真,揭示了活性材料力热化冲击响应机理.SU 等13采用数值模拟研究了活性
11、射流的成型行为,系统分析了装药类型、药型罩壁厚和锥角对活性射流成型特性的影响.GUO 等14 16开展了活性射流侵彻厚钢靶实验,讨论了炸高、波形调整器以及活性射流密度对侵彻性能的影响,指出活性射流反应延迟时间是其侵彻性能的决定性因素.ZHENG 等17开展了活性射流作用多层间隔钢靶实验,发现活性射流具有链毁伤能力,随后结合实验与理论分析,指出链毁伤效应主要取决于钢靶厚度、活性射流有效质量以及反应延迟时间.然而,有关活性聚能侵彻体成型,特别是成型过程中的激活反应行为,研究相对较少.此外,作为调控聚能侵彻体成型类型的关键因素之一,药型罩形状对活性聚能侵彻体成型行为的影响也有待进一步研究.本文结合理
12、论和数值模拟,对 3 种不同形状药型罩活性聚能侵彻体的成型行为开展了研究.揭示了类杆状活性聚能侵彻体的力化耦合成型机理.通过对比成型速度、形貌以及激活反应行为,讨论了类杆状活性聚能侵彻体与活性射流的成型差异,以及药型罩形状对类杆状活性聚能侵彻体成型特性的影响.1 数值模拟方法活性材料药型罩本质上属于粉末药型罩.相关研究13表明,对于该类药型罩的数值计算,光滑粒子流体动力学(SPH)方法比 Euler 方法准确性更高.因此,本节基于 ANSYS/AUTODYN-3D 仿真平台,采用SPH 方法对活性聚能侵彻体成型进行数值模拟.1.1 数值模型活性药型罩聚能装药主要由炸药、活性药型罩和壳体组成,数
13、值模型如图 1 所示.炸药尺寸为5050 mm,壳体壁厚 2 mm.采用曲率半径 45 mm 的球缺罩、140大锥角圆锥罩和 60小锥角圆锥罩,用以分析药型罩形状对活性聚能侵彻体成型行为的影响.3种药型罩均为 3 mm 等壁厚结构.综合考虑计算效率、侵彻体成型效果和粒子尺寸差异所引起的计算误差,炸药和壳体的粒子尺寸设为 0.5 mm,活性药型罩的粒子尺寸设为 0.25 mm.起爆方式采用炸药顶端中心点起爆.此外,考虑到聚能装药结构的对称性,建立1/4 模型,以提高计算效率.壳体炸药活性药型罩(a)球缺罩3 mm140 60(b)大锥角圆锥罩(c)小锥角圆锥罩R45 mm图 1 活性药型罩聚能装
14、药数值模型Fig.1 Numerical model of reactive liner shaped charge 1.2 材料模型炸药为 8701 高能炸药,采用 JWL 状态方程对其进行描述,基本形式为pa=A1(1R1V)eR1V+B1(1R2V)eR2V+EaV(1)式中:pa为压力;V 为比容;Ea为比内能;A1、B1、R1、328北 京 理 工 大 学 学 报第 44 卷R2和 均为材料常数.8701 炸药的材料参数列于表 1.其中,c、D 和 pCJ分别为炸药密度、爆速和 C-J 爆轰压力.壳体材料为 45#钢,活性药型罩材料为典型的铝聚四氟乙烯(Al-PTFE)活性材料.采用
15、 Johnson-Cook 强度模型和 SHOCK 状态方程描述其在爆炸冲击载荷下的动态力学性能.Johnson-Cook 强度模型可表述为=A+B(p)n1+Cln 01(T TrTmTr)m(2)0=1.0s1式中:A、B、C、n 和 m 均为材料常数;为等效塑性应力;p为等效塑性应变;为当前应变率,为参考应变率;T 为当前温度;Tm为材料熔化温度;Tr为室温.活性药型罩和壳体材料的强度模型参数列于表 2.其中 G 为剪切模量.表 1 8701 炸药材料参数18Tab.1 Material parameters of 8701 explosive18c/(gcm3)D/(ms1)pCJ/G
16、PaA1/GPaB1/GPaR1R2Ea/GPa1.718 31528.6524.237.6784.21.10.348.499 表 2 活性药型罩和壳体材料的强度模型参数18 19Tab.2 Parameters of strength models for reactive liner and case18 19部件材料G/GPaA/MPaB/MPanCmT m/K活性药型罩Al-PTFE0.6668.044250.61.80.41500壳体45#钢777925100.260.0141.031 793 SHOCK 状态方程可表述为pb=0C201(s1)21+(10/2)+0Eb(3)式中:
17、pb为冲击压力;0为材料初始密度;C0为材料声速;s 为材料系数;Eb为内能;=(/01),其中,为材料当前密度,0为 Grneisen 系数.活性药型罩和壳体材料的状态方程参数列于表 3.表 3 活性药型罩和壳体材料状态方程参数18 19Tab.3 Parameters of EOS for reactive liner and case18 19部件材料0/(gcm3)C0/(ms1)s0活性药型罩Al-PTFE2.331 4502.260.9壳体45#钢7.834 5701.492.17 2 数值模拟结果及分析 2.1 成型形貌与速度特性不同形状药型罩形成活性聚能侵彻体过程中的速度分布如
18、图 2图 4 所示.可以看出,在聚能效应下,不同形状活性药型罩所形成的活性聚能侵彻体类型截然不同.对于球缺罩和大锥角圆锥罩,罩顶部以更快的速度形成头部,而罩口部运动速度相对较慢.同时因活性材料强度低(准静态强度仅为 8 MPa 19),罩口部材料在崩落效应下发生破碎,从而形成尾部碎片云.整体看来,球缺罩和大锥角圆锥罩呈现向后翻转、闭合与拉伸变形,最终形成尾部带有碎片云的类杆状活性聚能侵彻体.而小锥角圆锥罩则主要表现为轴向压垮,形成高速、高速度梯度的活性射流.由于药型罩高度、质量以及装药条件基本一致,球缺罩和大锥角圆锥罩所形成的类杆状活性聚能侵彻体的形貌与速度特性并无明显差异.对比两类活性聚能侵
19、彻体可以发现,类杆状活性聚能侵彻体速度较低(头部速度约为 4 300 m/s),但凝聚性较强,因此在延伸过程中,侵彻体变得更加细长;反观活性射流,尽管速度极高(头部速度达 8 000 m/s 以上),但随着射流的延伸,射流头部不断膨胀发散、直径不断增加,表现出不凝聚现象.两类活性聚能侵彻体速度与凝聚性差异可以从以下 2 个方面进行分析:一方面,小锥角圆锥罩在聚能效应下的压垮角大、压合速度高,致使罩壁微元在轴线上发生碰撞,显著增加了微元的轴向速度;随着圆锥罩锥角增大,压垮角减小、压合速度降低,导致微元轴向速度增量减小;当药型罩锥角进一步增大变为大锥角圆锥罩和球缺罩时,药型罩几乎无法压垮,微元轴向
20、速度增量基本为 0.因此,活性射流速度要比类杆状活性聚能侵彻体速度高得多.另一方面,更大的压垮角和更高的压合速度意味着罩壁微元在轴线处的碰撞速度更高.当碰撞速度超材料声速时,第 4 期孙韬等:药型罩形状对活性聚能侵彻体成型的影响329将在碰撞点产生脱体冲击波,进而导致发散效应.因此,小锥角圆锥罩,特别是由 Al-PTFE 这种低声速(仅为 1 450 m/s 19)的活性材料制成的药型罩,所形成的活性射流不凝聚.药型罩8 0007 0006 0005 0004 0003 0002 0001 000t=0 sh=0 CD(a)(b)t=9 st=33 sh=2 CD(c)t=44 sh=3 CD
21、(d)t=56 sh=4 CD(e)向后翻转、闭合及拉伸变形速度/(ms1)碎片云类杆状活性聚能侵彻体图 2 球缺罩形成活性聚能侵彻体过程中的速度分布Fig.2 Velocity distribution in the formation of reactive shaped charge penetrator by spherical-segment liner 8 0007 0006 0005 0004 0003 0002 0001 000速度/(ms1)药型罩向后翻转、闭合及拉伸变形类杆状活性聚能侵彻体碎片云t=0 sh=0 CD(a)(b)t=9 st=32 sh=2 CD(c)t=4
22、3 sh=3 CD(d)t=55 sh=4 CD(e)图 3 大锥角圆锥罩形成活性聚能侵彻体过程中的速度分布Fig.3 Velocity distribution of reactive shaped charge penetrator by large cone-angle conical liner forming during formation 膨胀发散活性射流药型罩压垮变形8 0007 0006 0005 0004 0003 0002 0001 000速度/(ms1)t=0 sh=0 CD(a)t=24 sh=2 CD(c)t=30 sh=3 CD(d)t=37 sh=4 CD(e)
23、(b)t=9 s图 4 小锥角圆锥罩形成活性聚能侵彻体过程中的速度分布Fig.4 Velocity distribution of reactive shaped charge penetrator by small cone-angle conical liner forming during formation 2.2 成型激活反应行为不同于金属药型罩,聚能装药爆炸不仅驱动活性药型罩形成高速活性聚能侵彻体,同时冲击激活了活性材料.根据文献 10,活性材料冲击反应过程实际上是一个力热化耦合作用过程.在此过程中,冲击首先引发活性材料力学响应,导致材料温升.当温升达到活性材料 PTFE 基体分解
24、温度后,PTFE 发生分解反应并产生强氧化性气体产物 C2F4,随后该330北 京 理 工 大 学 学 报第 44 卷气体产物与 Al 颗粒发生放热反应,进而引发活性材料反应.因此,活性材料激活温度阈值可近似视为PTFE 基体的分解温度(约为 800 K 20).需要指出,在活性聚能侵彻体成型过程中,冲击引发活性药型罩多种力学响应,包括冲击波、塑性变形和断裂等.这些力学响应的共同作用,导致了活性聚能侵彻体温升.即该温升效应是一个综合温度效应,可以用来评估活性聚能侵彻体的激活反应行为.基本成型时刻,活性聚能侵彻体的激活特性如图 5 所示.从图 5 中可以看出,球缺罩和大锥角圆锥罩所形成的类杆状活
25、性聚能侵彻体,被激活的部分主要集中在尾部碎片区和杆体尾端中心;而小锥角圆锥罩所形成的活性射流,被激活的部分主要集中在杵体外壁、射流头部和轴线附近.(a)球缺罩(b)大锥角圆锥罩(c)小锥角圆锥罩7008009001 0001 1001 200未激活部分激活部分温度/K图 5 活性聚能侵彻体成型激活特性Fig.5 Activation characteristics of reactive shaped charge penetrators during formation 从冲击引发的温升角度分析,对于球缺罩和大锥角圆锥罩,由于药型罩内壁反射稀疏波卸载的时序性,爆炸产生的冲击波作用药型罩外壁(
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