炸高对侵彻效应影响试验和数值模拟研究.pdf

第3 3 卷第2 期 爆破 V o l 3 3N o 2 2 0 1 6 年6f tB L A S T I N G J u n ．2 0 1 6 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 4 8 7 X ．2 0 1 6 ．0 2 ．0 0 8 炸高对侵彻效应影响试验和数值模拟研究水 崔智丽1 ，徐浩铭2 ，经来旺1 1 ．安徽理工大学理学院，淮南2 3 2 0 0 1 ；2 ．中国人民解放军9 6 1 7 2 部队，景德镇3 3 3 0 0 0 摘要为了研究炸高因素对爆炸成型弹丸 E F P 成型性能及侵彻深度的影响，利用有限元软件L S D Y N A ，建立了球缺罩型聚能装药仿真计算模型。研究了十种不同炸高条件下，E F P 着靶时性能参数和侵彻4 5 钢靶过程，并与该装药静破甲试验结果进行了对比分析。结果表明试验与数值模拟结果较吻合，最大误差 为1 0 ％，E F P 装药的有利炸高与装药直径之比为3 ．9 ～4 ．4 ，最大破甲深度约为装药直径的0 ．9 2 倍。 关键词爆炸成型弹丸；数值模拟；炸高；侵彻 中图分类号0 3 5 8文献标识码A 文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 6 0 2 0 0 3 9 一0 6 E x p e r i m e n t a la n dN u m e r i c a lI n v e s t i g a t i o no f B l a s t i n gH e i g h tE f f e c to nP e n e t r a t i o nP r o p e r t i e s C U ／Z h i l i ，X UH a o ．m i n 9 2 ，J I N GL a i w a n g ‘ 1 ．A n h u iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，H u a i n a n2 3 2 0 01 ，C h i n a ； 2 ．P L A9 6 1 7 2C o r p s ，J i n g d e z h e n3 3 3 0 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt os t u d yt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nb l a s t i n gh e i g h ta n dt h ep e n e t r a t i o nd e p t h ，t h ef i n i t ee l e m e n t s o f t w a r eL S D Y N Aw a su s e dt os i m u l a t et h ep e n e t r a t i o np r o c e s so ft h eE F Ps h a p e dc h a r g e ，a n dt h eE F Pp e r f o r m a n c e a n dp e n e t r a t i o na b i l i t yu n d e rd i f f e r e n tb l a s t i n gh e i g h tw e r ea l s od i s c u s s e db yc o m p a r i n gw i t he x p e r i m e n tr e s u l t s ．T h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ee x p e r i m e n t a ld a t ew a ss i m i l a rt ot h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ．T h eE F Ps h o w e db e t t e rp e r f o r m a n c e w h e nt h er a t i oo fe f f e c t i v eb l a s t i n gh e i g h tv e r s u sd i a m e t e ro fs h e l l b o t t o mw a sa b o u t3 ．9 ～4 ．4 ．a n dt h er a t i oo fm a x i m u m p e n e t r a t i o nd e p t hv e r s u st h ec h a r g i n gd i a m e t e rw a s0 ．9 2 ． K e yw o r d s E F P ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；b l a s t i n gh e i g h t ；p e n e t r a t i o n 聚能装药开孔技术相对于费时费力的传统机械 钻孔法，具有简单快速且效费比高等特点。通过聚 能装药爆炸产生的爆炸成型弹丸 E F P ，对装甲钢、 岩石等目标进行开孑L 侵彻，并形成一定直径和深度 的开孑L ，该项技术在军事领域中已经得到广泛应用。 E F P 是由药型罩金属经炸药爆炸锻成的，开始形成 时破片处于流动状态，经过一段时间后这种流动状 态结束，E F P 头尾速度趋于一致，形成一枚坚实完整 收稿日期2 0 1 6 0 4 0 7 作者简介崔智丽 】9 7 9 一 ，女，硕士、讲师，主要从事岩石动态断裂 研究， E m a i l z h l c u i a u s t ．e d u ．C l f l 。 基金项目国家自然科学基金重点项目 煤炭联合基金项目 N o ． 5 1 1 3 4 0 2 5 的弹丸，E F P 侵彻靶板的机理即不同于动能弹，又不 同于金属射流，而是介于两者之间。研究和试验表 明‘1 - 3 ] ，E F P 的侵彻性能与其速度和比动能密切关 系，所以优化E F P 着靶时状态参数是提高E F P 侵彻 能力有效途径。 1 数值模型 1 ．1 装药结构选择 选择刘建青、顾文彬等等优化设计得到的 击6 5m m 球缺型变壁厚E F P 1 ，装药结构长径比 N 1 ．0 ；药型罩采用紫铜材料，罩顶厚6 2 ．1m m 、 罩内表面曲率半径r ． 6 7n l m 、外表面曲率半径 万方数据 爆破2 0 1 6 年6 月 r 2 6 2m m ，如图1 所示。 图1 球缺型E F P 装药结构图 F i g ．1 T h ec h a r to fh e m i s p h e r i c a lt y p eo ft h eE F P 1 ．2 材料方程的选取 聚能装药爆炸、药型罩压垮、E F P 形成及拉伸、 E F P 侵彻钢靶、串联E F P 装药成型及其侵彻钢靶等 过程是一种多物质相互作用的大变形运动。目前， 对E F P 的数值模拟研究大多采用L a n g r a g e 算法，由 于在L a n g r a g e 算法中考虑空气需要定义空气与弹丸 的接触面，弹丸成形过程中会因空气网格大的变形 而出现负体积，导致计算无法进行下去，所以L a n ． g r a g e 算法计算模型中常忽略空气对弹丸成型的影 响，这与实际不相符合，用该方法难以准确模拟”。7J 。 材料受到外荷载时的动态响应主要表现为变 形、流动和断裂。其动态响应的描述是一个非常复 杂的过程，一般采用状态方程和本构方程来描述。 材料的状态方程是一个关系到压力、密度和一些热 力学参数 内能和温度 的关系式，它反映了材料的 体积特性；而本构方程则体现了材料的偏向应变，它 与材料的应变、应变率、内能以及晶粒大小有关。模 型中各部分所用材料的本构模型与状态方程如表 1 、表2 、表3 、表4 所示。 表1 仿真计算中采用的材料模型和状态方程 T a b l e1M a t e r i a lm o d e l sa n ds t a t ee q u a t i o n su s e di nt h es i m u l a t i o n 表2J H - 2 炸药计算参数 T a b l e2T h ec a l c u l a t i o np a r a m e t e r so ft h eJ H - 2e x p l o s i v e s 表3 紫铜计算参数 T a b l e3T h ec a l c u l a t i o np a r a m e t e r so ft h ec o p p e r 1 ．3 模型的建立 本次E F P 侵彻钢靶过程数值模拟，装药采用中 心点起爆方式起爆，炸高为2 5 0m m ，钢靶直径为 l1 0m m ，厚度为1 0 0m m ，图2 为E F P 侵彻钢靶数值 模拟整体网格图。 2 炸高影响分析 2 ．1 不同炸高条件下E F P 着靶时性能分析 在不同炸高条件下，E F P 的侵彻效应与其接触 靶板时刻的状态有直接关系。 万方数据 第3 3 卷第2 期崔智丽，徐浩铭，经来旺炸高对侵彻效应影响试验和数值模拟研究 4 l 图2 整体网格图 F i g ．2 M e s h e so ft h ew h o l em o d e l 图3 为不同炸高下E F P 到达靶板时，即开始侵 叩咿z 篓。S 4 0 m ；”嵩； 一m 1⋯m 1 到●刘 嚣器器嚣盘⋯。，m 一． r 1 基 { ，啪1 _ 鬃 ●爱j 辩薰t l甲叩嚣“ 基i 彻靶板前E F P 形态的计算结果对比图。表5 为到 达靶板时E F P 各项参数，f 为E F P 长度，刨沩E F P 头 部速度，∥。为E F P 中部速度，q 为E F P 尾部速度。 对于一定结构的E F P 装药，不同时刻爆炸形成 的E F P 其状态是确定的。由于炸高不同，侵彻靶板 开始时刻的E F P 状态区别很大，不同炸高导致E F P 破甲前长径比和速度梯度分布不同。炸高越小， E F P 形成不充分，速度梯度还比较大，长度没有达到 最大，直径较粗；炸高越大，E F P 拉伸越充分，直径越 小，速度梯度较小，侵彻威力越强。本质而言，E F P 长径比和速度梯度分布特性决定其破甲效果。 图3E F P 到达靶板时的形状对比 F i g ．3 C o m p a r i s o n so fE F Ps h a p eb e f o r ep e n e t r a t i o n 表5E F P 到达靶板时的参数 T a b l e5P a r a m e t e r so fE F Pb e f o r ep e n e t r a t i o n 2 ．2 E F P 侵彻钢靶过程数值模拟 图4 为E F P 侵彻钢靶过程的数值模拟，图5 为 侵彻深度随时间r 变化的P ．T 曲线。 通过分析以上结果和侵彻深度时程曲线，得知 E F P 侵彻钢靶过程如下 1 0 0 斗s 时刻E F P 开始接触靶板，至1 1 0I X S 时刻 形成一个比E F P 直径稍大的弹坑，此阶段属于E F P 侵彻的开坑阶段。 从1 1 0 斗s 时刻E F P 稳定侵彻靶板开始到孔底 部扩大区形成的1 3 5 “s 时刻，E F P 侵彻靶板有比较 稳定的形态，开孑L 直径变化不大，侵彻速度稳定，此 阶段E F P 侵彻时间约为2 5 s ，占整个侵彻过程时 长的4 5 ％，侵彻深度为3 ．5c a ，约占整个侵深的 6 0 ％左右，此阶段属于E F P 侵彻的稳定阶段。 从1 3 5t x s 时刻开始，E F P 速度已降至1 1 0 0m ／s 左右，且速度下降很快，靶板的强度作用越来越明 显，侵彻能力变得很弱，1 5 5 汕s 时刻之后，失去侵彻 能力的E F P 残留体在孑L 底部产生激荡，此阶段属于 侵彻的终止阶段。 2 ．3 不同炸高条件下E F P 侵彻钢靶数值模拟 分别对2 ．1 节中的1 0 种炸高条件下E F P 侵彻 薰丌 蒌叮 一一 万方数据 4 2 爆破2 0 1 6 年6 月 钢靶过程进行仿真计算，图6 分别为仿真计算的最终侵彻效果。 圈霉 a 0p ．s b 1 0 斗8 算 f 1 2 0I x s 图4E F P 侵彻钢靶过程的数值模拟 F i g ．4 N u m e r i c a ls i m u l a t i o no fE F Pp e n e t r a t i n gs t e e lt a r g e t 1 0 0 1 1 0 1 2 0l3 01 4 0l5 01 6 0 T ／s 图5 侵彻过程P r 曲线 F i g ．5 P Tcurveo fp e n e t r a t i o np r o c e s s ■i 『 曩 ■ g 1 3 5p , s 表6 为E F P 对靶板侵彻成孔参数，表中日为炸 高，D 为药型罩直径，d 。为人孑L 直径，P 为侵彻深度。 图7 为侵彻深度P 随炸高H 变化曲线数值模 拟结果，图8 为开孔直径d ．随炸高日变化曲线数值 模拟结果。对比表6 结果可以发现，炸高小于 2 4 0m m 时，随着炸高的增加，E F P 着靶前不断拉伸， 速度和长径都不断增长，使得侵彻钢靶时的深度也 不断增加，但随着E F P 的拉伸，开孔孔径却在逐渐 减小；炸高大于2 4 0m m 时，侵彻前E F P 的性能变化 趋于稳定，侵彻效果也基本不变。 图61 0 种炸高条件下E F P 侵彻钢靶仿真计算结果 F i g ．6 S i m u l a t i o nr e s u l t so fE F Pp e n e t r a t i n gs t e e lt a r g e tu n d e r1 0k i n d so fs t a n d o f f 表6E F P 侵彻钢靶仿真计算值 T a b l e6S i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n so fE F Pp e n e t r a t i n gs t e e lt a r g e t 由以上结果可以看出，炸高在1 2 0 2 4 0m m 区 间时，随着炸高的增加，E F P 着靶前被拉伸，速度分 布和长径比变化都较快，长度增加而直径变小，长径 比增大，比动能逐渐增加，这样就使得侵彻钢靶的深 簟一 簟囊囊 ■～～一琴 万方数据 第3 3 卷第2 期 崔智丽，徐浩铭，经来旺炸高对侵彻效应影响试验和数值模拟研究 4 3 度也在增加，孔径却在逐渐减小，堆积作用变得越来 越不明显；炸高在大于2 4 0m m 之后，侵彻前E F P 的 速度分布和长径比变化较小，特别是在炸高大于 3 0 0m m 之后，其变化已经很小，E F P 的拉伸基本完 成，长径比变化不大，侵彻效果也基本保持不变。 图7E F P 侵彻深度与炸高关系曲线 F i g ．7R e l a t i o n s h i pb e t w e e nE F Pp e n e t r a t i o n d e p t ha n ds t a n d o f f ◆一 1 0 0 1 5 0 2 0 02 5 03 0 0 3 5 04 0 0 4 5 05 0 0 H I S 图8E F P 侵彻孑L 径与炸高关系曲线 F i g ．8R e l a t i o n s h i pb e t w e e nE F Pp e n e t r a t i o n a p e r t u r ea n ds t a n d o f f 2 ．4 实验对比分析 为了验证炸高对E F P 装药侵彻性能的影响规 律，同时为数值模拟结果提供事实依据，进行了1 0 组 不同炸高E F P 侵彻验证性实验。实验每组2 发取平 均值，结果如图9 所示，分别为炸高1 2 0I T l l n 、2 4 0m l n 、 3 5 0m m 三种条件下E F P 侵彻钢靶实验结果。 a H 1 2 0m m b H 2 4 0m m c H 3 5 0m m 图9 静破甲试验靶板剖面图 F i g ．9 P r o f i l eo fs t a t i cp e n e t r a t i o nt a r g e tp l a t e 表7 为试验值与仿真计算E F P 对靶板侵彻成 孔参数对比，表中日为炸高，R 为装药直径，P 为侵 彻深度，d 。为人孑L 孑L 径。图1 0 为试验与仿真计算 的P 日对比曲线，图I I 为试验与仿真计算的d ．一H 对比曲线。 表7 仿真计算与试验结果对比 T a b l e7 C o m p a r i s o no fs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s 万方数据 爆破2 0 1 6 年6 月 从对比结果可以看出，侵彻深度的试验值与数 值模拟值之问的相对误差最大为一9 ．2 ％、最小为 一1 ．3 ％，人f L Z f L 径的试验值与数值模拟值之问的相 对误差最大为1 0 ％、最小为一1 ．4 ％，均在1 0 ％之 内。说明侵彻深度和入孔孔径数值模拟结果与试验 情况都吻合较好。 H | o 图l oJ P 一日对比曲线 F i g ．1 0 P Hc o n t r a s tcurve 3 结论 H | s 图1 1d ．一H 对比曲线 F i g ．11d I 一Ⅳc o n t r a s tc u r v e 对不同炸高条件下E F P 装药的成型性能和侵 彻钢靶过程进行了数值模拟，并进行了验证实验对 比分析，研究结论如下 1 用A L E 流- 同耦合算法对E F P 的形成和侵 彻钢靶过程进行了数值模拟，对E F P 战斗部终点效 应研究具有实用价值。 2 通过对比分析表明，数值模拟计算结果与实 验结果较吻合，说明建立的模型和选用的参数合理可 靠，运用数值模拟与实验相结合的方法，可以较好地 研究E F P 侵彻效应规律，能大大降低研究的成本。 3 该E F P 装药的有利炸高区间为2 4 0m m 至 2 7 0m m ，最大侵彻深度约为装药直径的0 ．9 2 倍。 [ 2 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 6 ] [ 7 ] 参考文献 R e f e r e n c e s A N D R E O P O U L O SJ ．R O D IW ．E x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n o fj e t si nac r o s sf l o w [ J ] ．J o u r n a lo fF l u i dM e c h a n i c s ， 1 9 8 4 ，1 3 8 9 3 1 2 7 ． 王成，恽寿榕，黄风雷．同口径破．破型串联装药战斗 部的试验研究[ J ] ．弹箭与制导学报，2 0 0 2 ，2 2 2 6 1 6 5 ． W A N GC h e n g ，Y U NS h o uR o n g ，H U A N GF e n gL e i ．E x p e r i m e n ts t u d y o nt h ef o r w a r dc h a r g eb l a s te f f e c to nt h e f o l l o w t h r o u g hc h a r g eo ft a n d e mw a r h e a d [ J ] ．J o u r n a lo f P r o j e c t i l e ，R o c k e t sM i s s i l e sa n dG u i d a n c e ，2 0 0 2 ，2 2 2 3 1 3 4 ． i nC h i n e s e 徐浩铭，顾文彬，唐勇，等．串联E F P 装药结构参数 优化实验研究[ J ] ．爆炸与冲击2 0 1 3 ，3 3 3 2 8 7 - 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