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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

不同罩材聚能装药对多层介质侵彻的实验与数值模拟

 为实现聚能装药对多层介质的大破孔侵彻,提出了钛合金药型罩聚能装药设计方案。采用实验与数值模拟相结合的方法,对钛合金、低碳钢及紫铜罩聚能装药侵彻多层介质进行了研究,分析了钛合金聚能侵彻体相对于紫铜和低碳钢侵彻体在成型过程中,其动能、头部速度及射流长度等的差异,并对侵彻过程中应力波的传播特性进行了分析。结果表明：相对于紫铜和低碳钢,钛合金罩聚能侵彻体的能量转换率高,所获得的动能大,头尾速度梯度小,外形更为短粗;虽对多层介质侵彻时侵彻深度有所减小,但漏斗坑尺寸明显增大,且平均破孔孔径提高了约20%。     

用闪光X射线摄影测定聚能射流的速度分市

带锥形药型罩的聚能装药爆炸时,由于爆炸产物沿装药斜切面飞散时发生轴向集中效应,使受冲击波和爆炸产物作用的药型罩变形,并因向轴向汇聚而发生碰撞,形成高速金属射流和杵体。对确定靶材而言,射流侵彻时的速度分布和质量分布是决定破甲效     

大法线角下射流的跳弹效应

国内外对大法线角下的射流侵彻问题缺乏系统研究。为此,对比分析了Tate模型、Rosenberg模型和可压缩流体力学模型3种跳弹模型,并对大法线角下射流侵彻装甲钢和铝靶进行了实验研究。理论分析表明,可压缩流体力学模型能更准确地预测跳弹角。实验结果显示:大法线角下射流的侵彻深度随法线角的增大而减小,射流的垂直侵彻深度仅为正侵彻深度的10%左右;射流头部速度为6 800m/s时,603装甲钢的跳弹角在6°~7°之间,铝的跳弹角在5°~6°之间。     

钽罩结构参数对EFP成型及侵彻性能的控制

针对钽材料在成型装药战斗部中的应用问题,采用LS-DYNA仿真软件,研究了弧锥结合形钽药型罩结构参数(药型罩锥角、药型罩壁厚和药型罩圆弧半径)对EFP成型及侵彻性能的影响。揭示了各结构参数对EFP成型性能的控制规律,其中药型罩锥角控制EFP的轴向拉伸及径向收缩的能力,药型罩壁厚控制EFP的头部速度及尾部断裂与外张情况,药型罩圆弧半径控制EFP的头部形态及其绝对实心长度。获得了成型性能较佳的钽罩结构参数取值范围,其中药型罩锥角为143°~147°,药型罩壁厚、圆弧半径分别为0.024~0.026倍和0.7~0.8倍装药口径。各结构参数对EFP侵彻深度及侵彻孔径影响的主次顺序分别为:药型罩圆弧半径、药型罩锥角、药型罩壁厚和药型罩锥角、药型罩壁厚、药型罩圆弧半径。确定了EFP成型及侵彻性能均较佳的钽罩结构参数组合:药型罩锥角为145°,药型罩壁厚、圆弧半径分别为0.025、0.70倍装药口径。     

辅助药型罩材料对线型聚能射流性能影响的数值仿真

为了提升线型聚能射流的性能,将截顶加辅助药型罩结构应用于线型聚能装药,应用三维有限元分析软件(LS-DYNA)对以紫铜为主体药型罩,Al、Cu和W作为辅助药型罩时形成的线型聚能射流进行了数值仿真,并将其与传统的线型聚能射流进行了对比分析。结果表明:截顶加辅助药型罩结构形成的射流性能更优,并随辅助药型罩材料密度等的增大,射流的延展性、速度及有效质量均有提高,且均优于传统的楔形罩结构;W作为辅助药型罩材料时形成的线型聚能射流,速度较传统的楔形罩结构提高约25.9%,射流的有效长度增加约145%。     

Cu-Ni-Al和Cu聚能射流侵彻后钢靶的毁伤特征

为了对比分析Cu-Ni-Al反应聚能射流和惰性Cu聚能射流对45钢靶的宏观侵彻特性和靶板的微观组织特征,分别进行了Cu-Ni-Al和Cu药型罩的侵彻实验,并利用光学显微镜、扫描电镜、能量色散光谱仪和Vickers显微硬度测量系统对回收钢靶进行表征。实验结果表明:Cu-Ni-Al反应射流对45钢的穿深与Cu射流相比明显降低,但其平均入口孔径提高了33.3%。两种聚能射流侵彻作用下钢靶中均存在残余射流区、白色区(马氏体和奥氏体的混合物)和变形区。与Cu射流相比,Cu-Ni-Al反应射流孔壁残余射流区的硬度值提高了34 MPa,孔壁尾部白色区的硬度值增加了95 MPa,其孔壁头部白色区的硬度值降低了28 MPa。两种聚能射流孔壁尾部白色区的硬度值均高于头部。研究结果可为评估反应材料药型罩聚能装药战斗部的毁伤效应提供一定的参考。     

铅对粉末药型罩性能的影响

 为了研究铅粉对钨铜粉末药型罩性能的影响,在钨铜药型罩原配方的基础上,添加5%～20%的铅粉进行实验研究。实验结果表明：添加铅粉可以减少粉末药型罩的孔隙度;随着铅粉添加量的增加,射流的侵彻深度和入口孔径均增加,当铅含量为10%～15%时,侵彻深度和入口孔径达到最佳值,侵彻深度可以提高30%,再添加铅粉,侵彻深度和入口孔径均随之下降。从粉末药型罩成型以及射流的形成、拉伸及侵彻靶板等方面,对造成这种现象的原因进行了详细分析,获得了铅对粉末药型罩性能影响的一些机理认识。研究结果为铅粉代替铋粉添加到钨铜粉末药型罩以提高其侵彻性能提供了一定的理论依据。     

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研究

 通过闪光X射线摄影技术，研究了两种大锥角射流的特性及其对钢靶的侵彻，并与小锥角射流进行了对比。研究结果表明：大锥角射流的头部速度较低，但直径和质量较大，在大炸高条件下对钢靶的侵彻孔深度浅，孔径大。     

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。     

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。     

大锥角罩聚能装药射药理论计算方法

运用平面爆轰驱动理论计算大锥角装药的药型罩加速过程,再结合射流分析理论,建立了大锥角聚能射流理论计算方法,并编制了射流分析程序ASCC (Analytical Shaped Charge Code).通过与实验、数值模拟计算结果的比较,说明该方法是可行的,可以有效地计算大锥角罩的射流参数.     

大锥角罩聚能装药射流理论计算方法

 运用平面爆轰驱动理论计算大锥角装药的药型罩加速过程，再结合射流分析理论，建立了大锥角聚能射流理论计算方法，并编制了射流分析程序ASCC（Analytical Shaped Charge Code）。通过与实验、数值模拟计算结果的比较，说明该方法是可行的，可以有效地计算大锥角罩的射流参数。     

粉末药型罩的材料密度对聚能射流性能的影响

为研究粉末药型罩的材料密度对其所形成的聚能射流的影响,借助Birkhoff定常模型和Gurney压垮速度理论,计算了相同装药条件下药型罩密度与其所形成的聚能射流速度、射流微粒动量与动能的关系曲线。在相同装药结构下,对W、Cu质量配比分别为0.5∶0.5和0.4∶0.6的两种W-Cu粉末药型罩,进行了射流速度测定和破甲威力实验研究。计算结果与实验结果吻合较好,表明借助Birkhoff定常模型和Gurney压垮速度理论所计算的射流密度、射流微粒动量及动能与药型罩密度的关系曲线具有一定的参考价值,增大粉末药型罩密度可有效提高聚能射流的破甲威力。     

运动状态下聚能战斗部侵彻披挂反应装甲靶板的数值模拟

运用LS-DYNA有限元程序模拟了不同横向飞行速度(150、200、300、400、500m/s)和侵彻角度(30°、45°、60°)情况下聚能战斗部对披挂反应装甲后效靶板的侵彻过程,讨论了射流所受干扰情况及其对后效靶板的侵彻结果。研究结果表明:当侵彻角度一定时,射流对靶板表面的切割长度随速度的增大而增大,且在侵彻角度为30°时增大速率最快;但射流侵彻深度随速度的增大而减小,且在侵彻角度为60°时减小速率最慢。当飞行速度一定时,射流对靶板表面的切割长度和侵彻深度均随侵彻角度的增大而减小,且表面切割长度降幅随速度的增大呈先增大后减小的趋势,在速度为300m/s时,降幅最大,为59.6%;而侵彻深度降幅随速度的增大呈先减小后增大的趋势,在速度为350m/s时,降幅最小,为39.3%。最后通过理论方法分析了数值模拟结果,论证了数值模拟方法的正确性。