串联战斗部前级K装药结构的优化设计

针对串联战斗部前级装药大开孔兼顾侵深的要求,应用LS-DYNA有限元软件,结合正交优化设计方法,仿真研究了K装药的药型罩及隔板结构参数对高速聚能杆式射流成型的影响规律,找出了形成较高头部速度的聚能杆式射流的药型罩外壁曲率半径和偏心距(分别为90~110mm和35~40mm)。计算得到了各结构参数(偏心距、罩外壁曲率半径、壁厚、隔板直径、张角、锥角)对聚能杆式侵彻体成型指标(头部速度和头尾速度差)影响的主次顺序,获得了K装药结构参数的最佳组合。进行了X光成像及侵彻钢靶实验,侵深达到装药口径的3.73倍,侵彻孔径为装药口径的0.36倍,侵彻孔径较均匀。数值模拟结果与实验结果吻合较好,研究结果为串联聚能装药技术的进一步研究提供了参考依据。     

偏心罩在内嵌馈电结构EFP战斗部中的应用

采用中间馈电布局的毫米波敏感体制末敏弹,需要将部分敏感器件嵌入弹载爆炸成型弹丸(EFP)战斗部的装药内,改变了装药结构并影响了爆轰波的传播,给EFP的成型过程带来了较大的负面影响。为了调整药型罩的壁厚分布,进而对药型罩的压合过程施加影响,设计了偏心药型罩结构并配用于EFP战斗部,以控制药型罩完全向后翻转,使其形成大长径比的成型弹丸。实验中测得的EFP成型及侵彻结果基本符合数值模拟的预期,证明配用偏心布局药型罩的有内嵌结构EFP战斗部,能够得到飞行稳定的大长径比成型弹丸,可以解决敏感器件内嵌给战斗部成型带来的负面影响。     

环形双锥罩聚能装药结构优化设计

在环形聚能装药结构中,单锥罩结构形成的射流中间有堆积现象,断裂前射流拉伸长度有限,而双锥罩射流兼顾了上锥小锥角形成高头部速度,下锥大锥角增大射流有效质量的优点,形成的射流更加细长,头部速度高且不易断裂。基于环形切割聚能装药战斗部,综合考虑上锥角大小、上锥罩占药型罩高的比例、药型罩的高度以及药型罩壁厚对射流侵彻能力的影响,并基于灰关联理论对双锥罩环形聚能装药的优化提供依据,通过数值仿真,研究表明:上下锥角对射流成型影响最大,通过比较,当上锥罩为34°、上锥占罩高比例为40%、药型罩高度为70mm、药型罩壁厚为5mm时,形成的射流头部速度高,且在空气中能够稳定飞行。相比单锥罩结构,双锥罩射流细长,在空气中飞行时间长,对靶板的侵深大于单锥罩射流。     

杆式射流对充液防护结构的毁伤机理及影响因素的数值模拟

运用ANSYS/LS_DYNA软件分析了聚能射流对充液结构的毁伤,初步获得了药型罩壁厚和材料等参数对聚能战斗部水下作用的影响特性。药型罩壁厚在0.04D_k~0.06D_k(D_k为装药直径)之间形成的射流对充液防护结构具有较优的侵彻性能;当δ<0.04D_k时,杆流成型结构较差,在水中的动能抗衰减性能较低;δ>0.06D_k时,射流的初始动能低,靶后效果差。药型罩可采用纯铁、紫铜和钽3种材料,其中纯铁射流的侵彻能力最高,钽射流在水中的动能抗衰减性能最好,紫铜射流具有较好的综合性能。     

增强后效复合药型罩结构的数值模拟

针对增强聚能射流的破甲后效问题,设计了等壁平顶锥形铜铝双层复合药型罩装药结构,采用冲击波物理显示欧拉动力学软件SPEED开展复合射流成型及对钢-铝间隔靶侵彻过程的数值模拟,分析内外双层药型罩高度比ε、药型罩锥角α等参数对复合射流成型和间隔靶侵彻性能的影响规律。研究结果表明:复合射流的头部速度随ε增大呈先减小后增加的趋势,在ε约为1/2时,可形成具有相近速度的铜铝同轴复合射流微元,利于铝射流微元与目标相互作用实现后效增强毁伤;且当α在50°~60°范围内时,复合射流中段为集中的铝射流微元,更利于侵彻后的爆炸或爆燃反应。对优化参数的复合药型罩结构数值模拟结果与文献公布的实验结果吻合较好。研究结果对增强后效聚能装药设计具有参考价值。     

大孔径双向聚能射孔弹的研究

 设计了一种双锥药型罩与双向装药结构相结合的聚能射孔弹模型,通过数值模拟方法研究其射流成型机理,并计算其射流参数。结果显示：双锥药型罩的小锥角部分形成聚能射流,大锥角部分形成翻转弹丸,射流头部和弹丸的速度分别为6 250 m/s和1 620.9 m/s,弹丸长度和平均直径分别为26.1 mm和8.6 mm。结合数值模拟结果,对射流侵彻公式进行了修正,并利用修正公式预测该射孔弹侵彻钢靶的深度,计算结果为69.6 mm。最后,按照该模型进行侵彻实验,实验回收弹丸的长度和平均直径分别为28.1 mm和8.8 mm,侵彻钢靶的深度和孔径分别为70 mm和17 mm。实验表明：数值模拟与理论计算方法相结合是可行的,能够有效地计算射孔弹的射流参数并预测其侵彻深度;该射孔弹侵彻性能优越。     

切割式双模战斗部毁伤元成型及侵彻钢靶特性研究

 基于60 mm弧锥结合罩爆炸成型弹丸（EFP）装药,设计了一种在药型罩前适当位置安装可抛掷的十字形网栅的切割式双模战斗部结构,其具有生成单个EFP或者多爆炸成型弹丸（MEFP）的功能;根据目标属性,可选择性地改变战斗部的毁伤元成型模式,实施最有效的打击。利用LS-DYNA程序,对两种模式毁伤元成型及侵彻45钢靶过程特性进行了数值模拟,模拟结果与地面静爆实验结果吻合较好。研究表明,该战斗部形成的单个EFP能贯穿25 mm厚45钢靶,可有效打击重装甲目标;经网栅切割后能形成5片具有一定质量和方向性、可贯穿6 mm厚45钢靶的EFP破片,显著提高了对轻装甲目标的毁伤概率。     

聚能射流对氧化铝陶瓷靶的侵彻特性研究

 建立了考虑损伤的求解靶板阻力的理论模型,以此来评估陶瓷靶板的抗侵彻能力;数值模拟了长杆弹侵彻氧化铝陶瓷靶的破坏特性,结合实验结果确定了氧化铝陶瓷本构模型中的材料参数。建立了聚能射流侵彻氧化铝陶瓷靶的计算模型,对射流的形成机理及氧化铝陶瓷靶的抗侵彻性能进行研究,讨论了药型罩的几何尺寸对所形成的射流速度及侵彻深度的影响。结果表明：药型罩的锥角和壁厚增大,射流速度减小,壁厚对射流速度梯度的影响较大;同样,药型罩的锥角对侵彻深度也有较大的影响。     

铝铜药型罩射流与侵彻数值模拟

为提高射流侵彻性能,根据聚能射流装置的射流形成特点,设计了爆炸复合铝铜金属体作为药型罩的聚能射流装置。此装置依据已有的锥角为42°的聚能装药紫铜药型罩改进而来。利用LS-DYNA软件中的MMALE多物质算法,对此装置的射流形成、侵彻金属靶体全过程进行数值模拟。在保持装药量不变的情况下,计算了当铝铜药型罩锥角分别为36°、38°、40°和42°时的射流形成及侵彻过程。结果表明:射流头部速度随着铝铜药型罩锥角的减小而增大;且锥角为38°时射流穿深最大。相比单纯金属铜药型罩情况,射流头部速度提高了13.2%,侵彻深度提高了14.5%。     

一体式多爆炸成型弹丸的成型及侵彻性能

为了提高一体式多爆炸成型弹丸(MEFP)的成型效果及侵彻能力,通过数值模拟分析了药型罩形状及壁厚、壳体厚度、起爆方式、破片支架对其成型及速度的影响,在此基础上给出了一种一体式MEFP战斗部,通过实验验证了该一体式MEFP战斗部结构的成型、散布特征及侵彻性能。结果表明:该战斗部可形成17枚聚能杆式弹丸(JPC),且单个JPC形状、飞行方向稳定,飞散角为14.5°,与实验结果14.8°吻合良好;该MEFP战斗部可对12mm厚的603装甲钢靶板造成有效毁伤。     

起爆偏心对聚能装药射流成型过程及威力参量的影响

为了研究起爆偏心对聚能射流的影响,运用有限元软件LS-DYNA模拟了不同起爆偏心量(0.025D_k～0.125D_k,D_k为装药直径)下射流成型及其破甲过程,探究了药型罩非对称压垮程度、射流形态以及横向速度的变化规律,建立了理论模型以分析不同偏心量下射流横向速度分布情况,并基于正交试验设计理论和方差分析法揭示了各因素对评价指标影响程度的显著差异。结果表明：药型罩非对称压垮程度及射流横向速度均与偏心量呈正相关变化趋势。偏心量为0.025D_k时,射流侵彻深度仅下降0.7%;偏心量为0.050D_k时,侵彻深度下降突跃为12.4%;随着偏心量的增加,侵彻深度继续下降。此外,适当增大壁厚、罩顶装药高度可削弱起爆偏心对射流横向速度的影响。     

起爆方式对复合战斗部毁伤输出的影响

为了进一步提高复合战斗部的毁伤输出效率,基于一种可形成聚能侵彻体、预制破片和自然破片3种毁伤元的破甲杀伤复合战斗部结构,应用LS-DYNA数值仿真软件,研究了起爆点位置、起爆直径和起爆点数量对复合战斗部各毁伤元成型和能量输出的影响,讨论了实现战斗部毁伤威力可调的技术路径。结果表明:起爆点距药型罩越远、数量越多、起爆直径越大,由药型罩形成的聚能侵彻体的头部速度越高,头尾速度差和长径比越大,速度增益最高可达50%,可以实现爆炸成型弹丸(EFP)到聚能杆式侵彻体(JPC)转换;在装药内部轴线阵列多点起爆时,聚能侵彻体的成型基本仅与离药型罩最近的起爆点有关。对于预制破片,装药高度60 mm(P2)处起爆速度最快,增加起爆点数量和增大起爆直径可以有效提高预制破片的最高速度,但整体上最低速度仍在600 m/s上下波动,变化并不显著。对于壳体形成的自然破片,以平均速度来表征时,整体变化并不明显,速度增益不足10%,但合理的起爆方式可使壳体断裂形成的自然破片更均匀,有利于调整破片质量分布。通过控制起爆方式可在一定程度上实现复合战斗部毁伤威力可调,但对于破片速度的调控仍需进一步研究。     

大锥角聚能射流实验

通过闪光X射线摄影技术研究了大锥角射流的形成机理及其对钢靶的侵彻。典型的实验装置及其产生的射流见图1(图中t是以雷管起爆为零的时间)。实验装置由主装药、药形罩、壳体、环形起爆器、雷管等组成，LY12铝壳体壁厚为3mm，主装药为RHT-901(RDX/TNT=60／40)，在环形起爆器上，沿φ90的圆周上均匀布置32个起爆点，产生环形爆轰波，药形罩为紫铜，并进行了截顶处理。截顶有3方面的作用：一是降低药形罩高度，从而降低装置长径比；二是降低杵体质量，因为在药形罩的顶部，罩微元压垮距离短，得不到充分的加速，大部分形成杵体，截顶后，顶部罩微元压垮距离增加，压垮速度相应增加，从而降低杵体质量；三是提高射流头部速度，这是因为，越靠近罩顶部，微元压合速度越低，导致后面的射流微元速度高于它前面的，产生反向速度梯度，从而引起射流质量“聚集”，形成射流的头部，这种质量的“聚集”降低了射流头部速度。     

喷嘴结构调节毛细超高压射流流动特性

要实现超高压水射流的稳定性调控首先必须对其流动特性展开探索。设计了四种喷嘴出口流道结构,对其产生的射流进行了测量,并结合数值模拟对实验反映出的物理现象进行了诠释。结果显示:圆柱形出口流道喷嘴,其射流流动形态受雷诺数变化影响不明显,射流与环境气体界面近似为圆锥。而圆柱与圆锥组合型出口流道喷嘴,其射流结构形态随雷诺数变化显著。这表明具有特定结构,不与射流直接接触的出口流道,也能对气液边界层湍流产生显著影响,从而对射流流动特性起到调节作用。在雷诺数120000~130000范围内,提出能显著提高射流能量集中性的最佳结构形式及参数:锥角为90°,圆锥与圆柱组合型出口流道。这些发现为最终实现射流流动控制提供了研究方向的引导。