壳体约束对聚能射流破甲威力影响研究.pdf

火工品2023年0 8 月INITIATORS&PYROTECHNICS文章编号：10 0 3-148 0（2 0 2 3）0 4-0 0 50-0 62023年第4期壳体约束对聚能射流破甲威力影响研究寇鹏飞，敬怡东，豆剑豪，薛标，梁争峰（西安近代化学研究所，陕西西安，7 10 0 6 5）摘要：为研究壳体约束对带壳聚能装药破甲威力的影响，应用AUTODYN-2D有限元分析软件对壳体密度、壳体厚度以及高分子衬层对聚能射流形成及破甲的影响进行了模拟研究，并进行了试验验证。结果表明：无壳装药加装金属壳体会使得部分射流的速度增大，当裸药柱的破甲水平较高时，部分射流速度的提高会使得预先设计的射流速度梯度发生变化，导致射流在中段出现堆积甚至断裂，使射流的破甲深度降低；密度越大的壳体对射流成型的影响越大，同时射流破甲深度的降低越大；当壳体材料一定时，壳体厚度的变化对射流破甲性能的影响较小，并且铝壳厚度为0.0 2 倍装药直径时壳体对射流破甲性能的影响最小；在药柱和壳体之间加装低密度、低声速的聚乙烯衬层后射流的破甲深度提高了14%，可见聚乙烯衬层能够降低金属壳体对射流破甲性能的影响。关键词：壳体约束；数值模拟；破甲深度；聚能装药；破甲稳定性中图分类号：TJ410Study on the Effect of Shell Constraints on Penetration Power of Shaped ChargeKOU Peng-fei,JING Yi-dong,DOU Jian-hao,XUE Biao,LIANG Zheng-feng(Xian Modern Chemistry Research Institute,Xian,710065)Abstract:In order to study the influence of shell constraints on the armor breaking power of shaped charge with shell,AUTODYN-2D finite element analysis software was used to simulate the influence of shell density,shell thickness and highpolymer lining on the formation and penetration of shaped charge jet,and test verification was carried out.The results show thatwhen the shell-less charge is added with metal shell,the velocity of part of the jet increases.When the armor-breaking level of thebare charge column is high,the increase of the velocity of part of the jet changes the pre-designed jet velocity gradient,leading tothe accumulation or even fracture of the jet in the middle section,and the depth of the jet armor-breaking is reduced.The shellwith higher density has more influence on jet forming,and the depth of jet penetration decreases more.When the shell material isconstant,the change of shell thickness has little influence on the performance of jet penetration.When the thickness of thealuminum shell is 0.02 times the charge diameter,the shell has the least influence on the armor breaking performance of the jet.When a polyethylene liner with low density and low sound velocity is installed between the charge column and the shell,thearmor breaking depth of the jet is increased by 14%,indicating that the polyethylene liner can reduce the influence of the metalshell on the armor breaking performance of the jet.Key words:Shellconstraint;Numerical simulation;Penetration depth;Shaped charge;Armor penetration stability文献标识码：AD0I:10.3969/j.issn.1003-1480.2023.04.010破甲战斗部通过炸药爆轰形成射流完成毁伤，是目前重要的反装甲战斗部形式，其破甲深度是重要的战技指标1-2 。带壳聚能装药作为传统结构在炮弹、火收稿日期：2 0 2 2-12-14作者简介：寇鹏飞（1998-），男，在读硕士研究生，从事破甲战斗部技术研究。通讯作者：梁争峰（197 2-），男，博士生导师，研究员，从事炸药与毁伤技术研究。基金项目：国家自然科学基金（No.12202348）。箭弹及导弹中被广泛应用。与无壳装药相比，带壳装药由于壳体的存在使得稀疏波的影响减弱，增加了有效装药量，提高了药型罩的聚合速度和射流速度，也2023年0 8 月增强了射流对目标的作用效果。然而壳体并不总是对聚能装药侵彻性能有正向影响3-5。高尔新等6-7 通过理论分析和试验验证的方式研究了有无壳体对聚能射流的影响，发现壳体会使药型罩压垮速度和射流速度有所提高；刘晓蕾等8 使用数值仿真研究了不同厚度、不同材料的壳体对聚能射流的影响，发现壳体密度与射流的总能量呈正相关；柴艳军等9 应用LS-DYNA软件研究了壁厚呈线性变化的壳体对聚能射流形成的影响，发现壳体会使射流速度有所提高，但射流断裂时间也会提前；王利侠等10 对聚能战斗部壳体与装药匹配性进行了试验研究，发现有隔板装药在带金属壳体后破甲穿深明显下降，并且破甲稳定性降低。为了明确壳体约束对聚能装药破甲威力的影响，本文使用试验和数值仿真相结合的方法进行研究，为改善带壳破甲战斗部的破甲威力提供技术支持。1理论分析1.1射流形成原理带隔板聚能装药一般由主药柱、副药柱、隔板和药型罩组成。主装药引爆后，爆轰波以球面波的形式从起爆点开始在副药柱中传播。通过隔板将作用于药型罩的球形爆轰波变成锥形爆轰波，药型罩在锥形爆轰波和高压爆轰产物的共同作用下被压垮，以极高的速度向药型罩对称轴闭合。药型罩从罩顶到罩底依次被压垮，且压垮速度不断降低，导致药型罩闭合形成的微元速度不断降低，最终使得药型罩在塑性拉伸作用下形成一个细长的高速侵彻体，称为射流。1.2壳体对药型罩压垮速度的影响带隔板聚能装药的爆轰波传播示意图如图1所示。图1中A点为绕过隔板的爆轰波起点。当爆轰波传播到药型罩顶部时也同时传播到了装药外表面的B点，由于B点处于药柱的斜锥段，此处药柱与壳体中间存在空气。由于空气的声阻抗低于炸药的声阻抗，爆轰波在此处发生反射，会产生一个稀疏波作用于药柱；当爆轰波传播到药柱与壳体接触的C点时，由于火工品战斗部壳体多为金属材料，而金属材料的声阻抗普遍高于炸药的声阻抗，因此爆轰波在此处发生反射，形成反射冲击波向药柱轴线处汇聚，此冲击波会干扰装药中爆轰波的传播，提高受影响区域药型罩的压垮速度，使射流速度得以提高。同时金属壳体会使得聚能装药的边界约束得到增强，局部炸药与药型罩的装填比有所提高，使局部射流的速度得以提高。在这两种原因的共同作用下，部分射流的速度提高，使得已经匹配良好的射流速度梯度发生变化，造成中后部分射流的堆积和断裂，从而降低了射流的破甲穿深，并且跳动性变大。CBA爆轰波传播方向隔板图1爆轰波传播示意图Fig.1Diagram of detonation wave propagation由于爆轰波在声阻抗低于炸药的物质中不会产生反射冲击波，因此可以在金属壳体与装药之间夹装低密度的高分子层，延缓甚至避免壳体产生的反射冲击波对射流形成的影响，并且低密度的高分子层也可以减弱壳体带来的边界约束增强。2类数值仿真2.1计算模型使用有限元仿真软件AUTODYN进行数值仿真。在建模过程中，除装药外还需建立覆盖整个装置的空气域，并划分网格。由于聚能射流形成过程为高应变、高应变率过程，因此炸药、隔板、药型罩和空气域采用Euler网格划分；破片以及靶板采用Lagrange网格划分，网格大小均为0.5mmx0.5mm；射流对靶板的侵彻采用Euler/Lagrange耦合算法进行求解。同时在空气域边界施加非反射边界条件防止压力在边界上的反射。51金属壳体反射冲击波药型罩52模型使用的药型罩锥角为6 5，直径为145mm且为变壁厚，锥顶厚度最小为2 mm、锥底厚度最大为3mm，从顶端到底端逐渐增厚，带壳聚能装药的计算模型如图2 所示。紫铜炸药隔板铝壳图2 带壳聚能装药计算模型Fig.2 Calculation model of shaped charge with shell2.2材料模型及参数使用8 7 0 1炸药作为数值仿真中的装药，采用JWL状态方程描述，如公式（1）所示，所用炸药的主要参数见表1。=A(1-)e*+B(1-元R,式(1)中:p为压力,Pa;e为内能,J;=p/p。，其中p和po分别为爆轰产物密度和初始炸药密度；A、B、R 1、R 2、为炸药相关参数。表1 8 7 0 1炸药计算参数Tab.1Calculation parameters of 8701材料po/(g.cm3)87011.7R1R24.150.95药型罩材料选用紫铜，使用Shock状态方程和Steinberg-Guinan本构模型，其本构参数如表2 所示。表2 紫铜的本构方程计算参数1Tab.2 Calculation parameters of copper constitutive equation材料紫铜36壳体和靶板材料分别采用铝合金和45#钢，均采用Shock状态方程和Johnson-Cook本构模型来描述其力学行为，材料本构参数如表3所示。表3铝合金和 45 钢的本构方程计算参数1Tab.3 Calculation parameters of aluminium alloy and 45#steel材料B/MPa铝合金2.7045#钢7.85Cn0.0100.4100.0870.568寇鹏飞等：壳体约束对聚能射流破甲威力影响研究A+B&.1+Cln&p式（2）中：A、B、C、n 和m为材料常数；&p为等效塑性应变；T=(T-T,)/(T,-T）为熔化温度，T,为室温，Tm为常态下材料的熔化温度。隔板使用AUTODYN软件中自带的POLYSTYREN材料（聚苯乙烯），衬层使用AUTODYN软件中自带的POLYETHYL材料（聚乙烯）。聚乙烯的部分参数如表4所示。表4聚乙烯的材料参数Tab.4 Calculation parameters of polyethylene材料聚乙烯仿真过程中将空气视为理想气体，使用NULL材料模型和GRUNEISEN状态方程描述。对于空气：密度为0.0 0 12 5g/cm，声速为344m/s。2.3类数值计算结果及分析2.3.1壳体对射流形成的影响QeeR24+(1)R,uA/GPa8.50.35p/(g:cm3)Go/GPa8.9347.7nTmo/K0.451790p/(g:cm3)A/MPa337355m1.001.132023 年第4期6=(2)p/(g:cm3)C/(msl)0.952.746壳体厚度选择3mm，4种不同材料壳体装药的仿真模型如图3所示。为了研究射流的速度梯度，在药型罩内表面由罩顶到罩底依次设置了2 2 个节点，每个节点在Y方向上的间距为5mm。IvoidAIRB/GPacopper6.8018701POLYETHMYLD/(m s-l)AL8390STEELW无壳铝壳图3不同壳体装药仿真模型Fig.3 Simulation models of different shell chargest=50s时不同壳体装药各个节点的射流速度如Yo/GPa图4所示。0.12a1.5343362Tm/K8771811钢壳钨壳9无壳87(s.t/:01x46543210246810 12 14 16 18 20 22节点图4=50 s时不同材料壳体射流的节点速度Fig.4Node speed diagram of jet of shell charges withdifferent material at 50 s由图4可以看出，在t=50s时节点1至节点82023年0 8 月处不同材料壳体形成的射流速度基本相同；从节点9开始不同材料壳体装药形成的射流速度出现明显差异，同一节点3种带壳装药形成的射流速度均明显高于无壳装药，并且在同一节点处密度越大的壳体形成的射流速度越大。可见壳体会使射流中后段速度明显提高，破坏了预先设计的射流速度梯度，导致中后段射流出现堆积甚至断裂。t=100 s时4种不同材料壳体装药的射流形态如图5所示，从图5中可以看出随着壳体密度的增加，中后段射流的直径略有增加，并且射流断裂现象更为明显。ABS.VEL(m)1.1000+01.0000$000002.0001.0000.000-00图5=10 0 s时不同材料壳体装药射流形态图Fig.5 Jet flow pattern of shell charge with different materialsat 100 us由于不同壳体装药形成的射流速度在节点9处开始出现明显差异，因此在药型罩中部到底部中间依次设置了6 个节点。不同材料壳体装药0.0 3ms后各节点的峰值超压如图6 所示。3.0F2.52.01.51.00.51图6 不同壳体装药0.0 3ms后各节点的峰值超压Fig.6 Peak overpressure of each node after 0.03ms loading ofdifferent shellcharge由图6 可以看出，在装药起爆0.0 3ms后带壳装药在每个节点处的峰值超压均要高于无壳装药，并且随着节点越靠近药型罩口部，带壳装药的峰值超压高于无壳装药的幅度越来越大，可见离壳体越近的地方受到的影响越大；与无壳装药的峰值超压相比，钨壳火工品装药的增幅最大、钢壳装药次之、铝壳装药最小，可见随着壳体材料密度的增加，壳体对射流速度梯度的影响也随之增大，与理论分析相符。2.3.2壳体对射流破甲性能的影响（1）壳体密度使用AUTODYN-2D有限元软件研究壳体密度对射流破甲性能的影响，仿真结果如图7 所示，不同壳体装药射流侵彻靶板的效果如图8 所示。1600147814001200wu/l1000800F600F400F20001.000E-001ms无壳图7 不同壳体材料射流破甲Fig.7Simulation result of jet penetration for different无壳钢壳鹤壳图8 不同壳体装药射流侵彻靶板的效果图Fig.8 Renderings of different shell charge jets penetrating thetarget plate由图7 8 可以看出，相较于无壳装药的破甲深度，铝壳装药下降了2 0%，钢壳装药下降了41%，钨壳装药下降了52%。可见，壳体密度越大，射流破甲性能的损失越大。（2）壳体厚度由于聚能装药在实际应用中多带有壳体，因此对壳体厚度对射流侵彻性能的影响进行研究。基于壳体23节点531185875锯壳钢壳凳体材料material shells45715钨壳6密度对射流侵彻性能影响的研究，壳体材料选用铝壳，厚度分别为2，3，4，5mm。仿真模型如图9所示，仿真结果如图10 所示。VoidAIRcopper8701POLYETHYLALFig.9 Simulation models of aluminum shellcharge with2mm图9不同厚度铝壳装药仿真模型different thicknesses3mm4mm5mm54从图10 可以看出，随着铝壳厚度的增加，射流的破甲深度先增加后减小，但变化的幅度不大，并且在铝壳厚度为3mm（即0.0 2 倍装药直径）时铝壳对射流破甲深度的影响最小。118512.0113010.0wu/0l8.06.04.02.00图10 铝壳厚度h与射流穿深s关系图Fig.10 Diagram of relationship between aluminum shellthickness h and jet penetration depth s（3）低密度高分子衬层由理论分析可知：在金属壳体与装药之间夹装低密度的高分子衬层可以延缓甚至避免壳体产生的反射冲击波对射流形成的影响。选用聚乙烯作为衬层材料进行仿真计算,其中衬层厚度为1mm,壳体为3mm铝壳。带衬层装药仿真模型如图11所示，带衬层装药射流侵彻靶板的效果如图12 所示。数值仿真得到加装衬层后的射流穿深为1310 mm，高于不带衬层的铝壳装药，可见聚乙烯衬层的使用明显降低了壳体对射流侵彻性能的影响。寇鹏飞等：壳体约束对聚能射流破甲威力影响研究能装药的破甲威力。3.1试验布置聚能装药样品采用装药直径约为145mm的无壳聚能装药，装药选用8 7 0 1炸药，采用压装装药工艺；1180116523h/mm2023年第4期药型罩直径为145mm、材料为紫铜。基于理论分析和数值仿真结果，选择了3种不同壳体方案，如图13所示，图13中绿色为铝合金，红色为聚乙烯。试验装置如图14所示，试验所用靶标为直径150mm的45#钢柱层叠而成，试验炸高选用6 0 0 mm。试验原理为雷管起爆聚能装药战斗部形成金属射流，在45有利炸高下射流完全拉伸，进而侵彻一定厚度的45#钢靶，通过实际测量穿透钢靶的深度、穿孔直径以及靶面人孔状态等参数判断射流在试验炸高下的破甲威力。1（无壳体）图133种壳体装药纵截面示意图Fig.13 Schematic diagrams of longitudinal sections of threetypesof shellcharge2(3mm铝壳)3（3mm铝壳+1mm聚乙烯衬层)图14试验装置图Fig.14Test device drawing3.2试验结果及分析图11带衬层装药仿真模型Fig.11 Simulation models of shaped charge with liner3mm铝壳+1mm聚乙烯衬层（1310 mm）图12 带衬层装药射流侵彻靶板的效果图Fig.12 A rendering of target plate penetration of charge jetwith liner3试验验证使用垂直静破甲试验验证不同壳体约束下的聚3.2.1 试验结果3种不同壳体聚能装药垂直静破甲试验结果见表5，部分试验靶柱图如图15所示。表5试验结果Tab.5Test results破甲深度/mm壳体序号11#14722#10803#13403.2.2结果分析表5试验数据表明：平均穿深/mm231510149011301075121012101491109512532023年0 8 月（1）无壳聚能装药对45#钢目标靶的平均穿深为1491mm，大于10 倍装药直径，且破甲性能稳定，一致性好，说明此结构设计合理。数值仿真得到的无壳聚能装药的穿深为147 8 mm，与试验结果仅相差1%。可见数值模型计算的可靠。图15部分试验靶柱图Fig.15Part of the test target column（2）2#带壳聚能装药的射流平均穿深为10 95mm，约为7.5倍装药直径。数值仿真得到的带铝壳聚能装药的穿深为118 5mm，与试验结果相差约8.4%。可见铝壳体确实会使聚能射流破甲深度降低，与理论分析相符。（3）3#带壳聚能装药的射流平均穿深为12 53mm，约为8.6 倍装药直径，且破甲稳定性较好，较2#带壳聚能装药有了14%的大幅提高。数值仿真的穿深为1310 mm，与试验结果仅相差4.3%。可见使用聚乙烯衬层能切实降低铝壳对聚能射流侵彻性能的影响。4结论通过数值仿真与试验研究相结合的方法研究了壳体约束对聚能射流形成及破甲威力的影响，得出如下结论：（1）无壳装药加装金属壳体会使得部分射流的速度增大，当裸药柱的破甲水平较高时，部分射流速度的提高会使得预先设计的射流速度梯度发生变化，导致射流在中段出现堆积甚至断裂，使得射流的破甲深度降低。（2）研究表明，密度越大的壳体对射流成型的影响越大，同时射流破甲深度的降低越大。当壳体材火工品料一定时，壳体厚度的变化对射流破甲性能的影响较小，铝壳厚度为0.0 2 倍装药直径时其对射流破甲深度的影响最小。（3）在装药和壳体之间夹装声阻抗低于炸药的高分子衬层时，爆轰波在衬层上不会形成反射冲击波，而透射波在金属壳体上经过反射再传播到爆轰产1#1 472 mm物时已相对滞后，从而降低甚至避免金属壳体对射流2#1 130 mm破甲深度的影响。试验研究发现在装药与壳体中间夹3#装聚乙烯衬层后射流的破甲深度提高了14%，可见聚1210 mm1 340 mm1210mm55乙烯衬层能显著降低金属壳体对射流破甲深度的影响。参考文献：1】李兴隆,陈科全,路中华,等.装填系数对破甲杀伤复合战斗部威力影响的数值模拟.含能材料,2 0 19,2 7(6):535-540.2 孙建,胡焕性.高威力精密破甲战斗部技术研究刀.火炸药学报,2 0 0 4(0 1):2 3-2 5.3 黄正祥.聚能装药理论与实践M.北京：北京理工大学出版社,2 0 14.4赵方宣,李如江,薛伟,等.非对称壳体对聚能射流形成影响的数值模拟和试验.科学技术与工程,2 0 16,16(10):1-5.5何降润,展婷变,付建平,等.聚能装药壳体对环形射流侵彻性能的影响.弹箭与制导学报,2 0 2 0,40(4):12 3-12 8.6高尔新,李建平,李景云.带壳聚能装药的实验研究.实验力学,1996(2):2 0 5-2 10.7高尔新,李建平,李景云.带壳有隔板聚能装药的实验研究.爆炸与冲击,1996(2):16 6-17 0.8文刘晓蕾,曹红松,张会锁,等.弹丸壳体性能对聚能射流影响的数值模拟.弹箭与制导学报,2 0 0 9,2 9(2):136-139.9柴艳军,李如江,岳继伟,等.壳体壁厚线性变化对聚能射流形成的影响,科技通报,2 0 17,33(9):12-14,10 4.10】王利侠,谷鸿平,刘丰旺,等.聚能战斗部壳体与装药匹配性试验研究.科学技术与工程,2 0 16,16(9):18 7-191.11王维占,赵太勇,陈智刚,等.周向约束对杆式射流成型规律的仿真研究.弹道学报,2 0 17,2 9(1):7 9-8 4.12胡昌明,贺红亮,胡时胜.45号钢的动态力学性能研究.爆炸与冲击,2 0 0 3(2):18 8-192.