超聚能射流成型及侵彻混凝土的数值模拟研究

为了提高聚能装药对混凝土介质的毁伤威力,设计了一种新型的截顶形超聚能装药结构,对其成型过程进行数值仿真,分析了超聚能射流的成型特点,以及不同炸高下射流对混凝土靶板的侵彻规律。研究表明:新型的截顶形超聚能装药结构可以形成杵体较少、头部成细锥形的不断裂高速射流,侵彻混凝土靶板时既可以保证一定的侵彻深度又可以在靶板表面形成漏斗形破坏区。该装药结构形成的超聚能射流头部速度达到13km/s以上,具有侵彻能力的射流质量占药型罩质量的66.02%。炸高为3倍装药口径时,射流对混凝土靶板的侵彻深度达到10倍装药口径,漏斗坑直径达到0.5倍装药口径。     

活性药型罩聚能装药侵彻爆燃试验及耦合作用机理分析

为研究氟聚物基活性药型罩聚能装药对钢靶的侵彻爆燃行为及耦合作用机理，开展配方为质量分数73.5%聚四氟乙烯(PTFE)/26.5%Al活性药型罩聚能装药作用钢靶静爆实验，获得炸高对侵彻深度、侵彻孔径、钢靶爆裂行为影响特性。实验结果表明，活性药型罩聚能装药炸高在0.35～1.00倍装药直径范围内，对钢靶侵爆耦合毁伤效应最为显著。结合准定常理想不可压缩流体力学理论，引入活性射流反应延迟时间，给出活性射流侵彻深度与反应延迟时间函数关系，建立活性射流侵孔内有效质量模型；基于修正的伯努利方程，结合活性射流内爆特性，发展活性射流侵孔孔径理论模型；结合圆筒破坏理论提出活性射流侵爆耦合作用下钢靶爆裂行为判断方法。理论模型定量化描述了活性射流对钢靶的侵爆行为，揭示了破甲终止后活性射流内爆超压导致的扩孔与钢靶爆裂机理。     

不同炸药及装药高度对聚能射流侵彻性能的影响

为研究不同炸药及装药高度对聚能射流侵彻性能的影响,分析不同炸药及装药高度对聚能射流侵彻性能的影响.通过 TrueGrid 建模,LS-DYNA 数值模拟计算,对在同一装药直径、装药高度时,不同炸药对聚能射流头部速度、侵彻后效靶板的能力进行对比;比较在同一装药直径、同种炸药时,不同装药高度对聚能射流头部速度、侵彻后效靶板的能力.仿真结果表明:奥克托今炸药压垮药型罩形成的聚能射流头部速度最大,侵彻后效靶板能力最强;装药高度的变化对奥克托今炸药压垮药型罩形成的聚能射流的头部速度,侵彻后效靶板的能力影响不明显.该研究结果对聚能装药设计具有一定参考价值.     

不同结构钛合金罩战斗部侵彻混凝土数值模拟

为实现聚能装药对混凝土介质的大破孔侵彻,采用数值模拟的方法,利用Autodyn-2D动力学软件,分别对3种装药结构的TC4钛合金射流侵彻高强度混凝土靶的过程进行仿真计算,并分析射流的成型及侵彻规律。研究表明:在炸高为2倍装药口径的条件下,单锥形罩射流的侵彻深度可达到6倍装药口径,亚半球罩的侵彻孔径可达到0.6倍装药口径以上;弧锥结合罩射流得到的侵彻孔道较好地综合了两种传统聚能装药结构的特点,能兼顾侵彻孔径和孔深的要求。     

一种双药型罩形成侵彻体的数值模拟

为研究新型聚能装药结构在串联战斗部前级的应用,运用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件,分别选取混凝土和钢板作为侵彻目标,模拟侵彻体成型过程,得到存在一定速度差的两段侵彻体,一种是高速无杵体直径较小的高速射流,另一种是速度低直径较大的杆式侵彻体。结果表明:当侵彻混凝土靶板时,新结构开孔孔径增大27.3%,穿透了混凝土靶板且剩余速度为2 831 m/s,而普通结构药型罩穿透时剩余速度为1 523 m/s;当侵彻钢质靶板时,新结构开孔孔径增大40%,穿透钢质靶板且后段射流形态完整,其剩余速度为1 989 m/s,普通结构则未能穿透靶板。研究结果为串联战斗部前级装药提供一种新的选择,提升了侵彻能力。     

聚能射流对间隔靶板的侵彻深度模型及数值模拟研究

建立聚能装药射流垂直/斜侵彻间隔靶板的深度公式,完善聚能射流对间隔靶板的侵彻深度模型。并对其侵彻间隔钢靶板过程进行数值模拟,分析聚能射流和间隔钢靶板的形貌,说明间隔钢靶板法线与聚能射流夹角对射流干扰影响的基本规律,即夹角越大干扰效果越明显。当间隔钢靶板法线与聚能射流夹角为0°和60°时,聚能射流侵彻深度的理论和数值模拟结果基本一致,说明聚能射流侵彻间隔靶板的深度模型基本正确。     

药型罩和药柱不对称对线型聚能射流侵彻性能的影响

针对线型聚能装药制造过程中常见的药型罩和药柱不同轴情况,采用侵彻试验,结合有限元软件对非对称线型聚能装药射流的形成和侵彻进行了三维数值模拟。研究结果显示对于此结构和尺寸的线型聚能装药,当药型罩轴线与装药轴线偏移距离为1mm时,侵彻宽度增加了12%,侵彻深度相比对称情况降低了约58%。当药型罩与聚能装药的偏离距离为1mm,且同时存在5°的夹角时,射流侵彻形成三个主体切槽,开坑宽度为17.4mm,侵彻深度比对称情况降低了74%。随着药型罩和装药不对称程度的增加,射流在靶板上的侵彻宽度以及侵彻中心偏移装药轴线的距离增加,穿深降低。     

杆式射流侵彻钢筋混凝土试验研究

对于破爆式串联战斗部前级装药,如何兼顾侵彻深度和开孔孔径,是此类战斗部设计的关键问题。为了研究药型罩材料密度对杆式射流侵彻性能的影响,采用偏心亚半球聚能装药结构,进行了侵彻钢筋混凝土的试验研究。以侵彻钢靶作为对比试验,验证杆式射流整体侵彻规律并进行相关标定。研究结果表明,杆式射流对混凝土开孔的孔径随着药型罩材料密度的下降而逐渐增大。与紫铜射流相比,钛合金射流在保证一定侵彻深度的条件下开孔孔径提高约20%,因此钛合金是较为理想的聚能攻坚战斗部药型罩材料。试验结果及相关数据所展现的不同密度杆式射流侵彻能力大体相同,但钢类均质材料靶板无法体现钢筋混凝土内部出现的细节问题。虽然针对装甲目标的破甲弹等武器装备的设计理论较为完善,但不能完全作为聚能战斗部设计的理论依据。     

串联战斗部最佳隔爆参数研究

为了提高聚能装药战斗部的侵彻威力,设计了一种顺序起爆式串联战斗部。利用冲击波 Hugoniot关系计算了前级装药爆轰产生的冲击波在复合结构隔爆装置中的衰减过程,确定了前、后级装药间距为2倍装药口径;建立了延迟起爆时间的计算模型,获得了最佳延迟时间,通过 X光成像及侵彻钢靶试验进行了验证。研究结果表明,最佳延迟时间为85μs,在此延迟时间下后级装药能够克服前级爆轰场的作用并形成有效射流,侵深能够达到正常射流的80%,破甲威力满足串联聚能装药战斗部增大穿深的需求。     

椭圆形截面聚能装药射流成型及侵彻特性

为研究椭圆形截面聚能装药射流成型及侵彻特性,以及截面短轴一定时,长短轴之比对椭圆形截面聚能装药射流成型及侵彻特性的影响,开展了截面短轴直径为56 mm,长短轴之比分别为1、1.5、2的椭圆形截面聚能装药在炸高为80 mm下的侵彻深度(DOP)试验,利用ANSYS/LS?DYNA有限元软件对相关椭圆形截面聚能装药的射流成型及靶板侵彻过程进行了数值模拟。结果表明:椭圆形截面聚能装药形成的射流,除射流头部在运动拉伸过程中持续呈凝聚态外,其余部分在运动拉伸后期呈非凝聚态,非凝聚的射流由关于截面长轴面对称分布的两束具有横向速度的流体组成;射流的非凝聚现象将明显降低射流的侵彻能力;截面短轴直径为56 mm,长短轴之比从1变化至1.5时,侵彻深度由150 mm下降至47.5 mm,下降了68.3%,长短轴之比大于1.5时,侵彻能力无明显变化。     

聚能射流对带壳浇注PBX装药的撞击响应

为研究聚能射流对带壳浇注高聚物粘结炸药(PBX)的引爆特性,利用弹径Ф82 mm的聚能装药形成了一种直径细、速度大于7000 m·s-1的高速射流,以及一直径较粗、速度约5000 m·s-1长杆状射流,分别对覆盖有210,255 mm和165,210 mm两组不同厚度钢板的PBX进行了撞击试验。采用高速摄影观测分析了射流撞击下带壳PBX点火引爆的反应过程。用LS-DYNA软件验证了试验结果,得到了不同射流对PBX的引爆能量值。结果表明:弹径Ф82 mm的聚能装药形成的射流能够可靠引爆覆盖小于255 mm厚钢板的浇注PBX,能满足反导弹战斗部毁伤厚壳体目标的需求。     

等腰梯形截面聚能装药射流成型及侵彻特性

为研究等腰梯形截面聚能装药射流成型及对靶板的毁伤特性,开展脉冲X光摄影试验以及侵彻深度试验.利用ANSYS/LSDYNA有限元软件对射流成型过程进行数值模拟,研究其余参数不变,装药截面内切圆尺寸变化对射流成型特性的影响.结果表明:等腰梯形截面聚能装药形成的射流具有横向速度,横向速度呈梯度分布;除射流头部外,其余部分在拉...     

环形聚能装药水射流成型过程的数值研究

为了研制快速、易携带的水射流排爆装置,采用AUTODYN软件对TNT、水、塑料构成的特殊形状聚能装药结构进行了二维数值模拟,计算了不同炸药厚度下水射流形成过程,得到了水射流形状随时间的变化规律,分析了炸药厚度对射流速度的影响。结果表明: 该聚能装药结构是可行的,能够按照设想形成杵状射流; 水射流的头部速度和平均速度均随炸药的厚度增加而提高。 对于本研究给出的装置结构,当炸药的厚度为4~6 mm时,水射流的头部速度范围为861~1182 m·s-1,射流的平均速度范围为393~571 m·s-1,射流的速度满足理论计算的排爆要求。      

铜基非晶合金双层药型罩射流形成及侵彻性能

为了研究Cu基非晶合金Cu₄₅Zr₄₃Al₄Ag₈双层聚能药型罩的射流成型和侵彻能力,以等壁厚的单层铜药型罩和Cu-BMGs药型罩作为对比,分别选用铝、钛、聚乙烯和PTFE/Al材料作为外罩,Cu基非晶合金作为内罩,利用AUTODYN软件建立二维有限元模型,模拟了Cu基非晶合金双层聚能药型罩的射流成型、拉伸及侵彻过程,对比分析了各组药型罩射流的成型特点、稳定性和侵彻性能。通过仿真得到4种双层聚能药型罩射流成型后射流头部速度介于Cu-BMGs药型罩和铜药型罩之间,其中聚乙烯为外罩时,射流头部速度最高,侵彻深度最大,但射流稳定性最差;铝为外罩时,射流长度最长,射流稳定性最好;PTFE/Al为外罩时,开孔直径最大,但侵彻深度最小,与Cu-BMGs药型罩的相当。铝、钛、聚乙烯和PTFE/Al为外罩时,Cu基非晶合金双层药型罩的射流对纯铁靶侵彻深度分别为104、103、111、91.5 mm,开孔直径分别为12.5、20、18.8、45 mm,综合考虑侵彻深度和侵彻孔径,聚乙烯、PTFE/Al作为外罩时,Cu基非晶合金双层聚能药型罩的侵彻性能优于铝、钛作为外罩时的侵彻性能。     

靶板材料对聚能射流跳弹角影响的数值模拟与试验

利用ANSYS/LS-DYNA软件,数值模拟了金属射流以较小入射角(5°~7°)侵彻不同材料靶板(603装甲钢及铝)的跳弹过程。观察了其侵彻及跳弹的过程。结果表明,所得模拟结果与试验数据吻合。当射流头部速度为6500 m·s~(-1)时,603装甲钢的跳弹临界入射角为6°~7°,铝的跳弹临界入射角为5°~6°,随着靶板强度增大,射流跳弹角减小。射流跳弹有两个阶段,首先射流接触靶板时,射流头部发生跳弹,射流其他部分进入靶板内部;然后射流前端在靶板非对称阻力影响下运动方向发生偏转,最终跳出靶板,射流后续部分随之跳出靶板。603装甲钢跳弹与未跳弹开坑深度之比为0.389,低于铝靶的0.795,证明在跳弹情况下,随着靶板强度的提高,射流消耗在侵彻靶板、扩展弹坑上的能量减少。     

截顶装药结构的成型特性研究

截顶结构超聚能装药较常规聚能装药具有更加优异的综合毁伤能力,即侵彻深度和侵彻口径可以大幅度提升.为了提高大锥角聚能装药结构的侵彻深度和侵彻口径,对大锥角聚能装药进行了截顶结构设计,通过调整附加装置结构及材料,并对药型罩的结构进行调整,初步设计了6组方案,利用AUTODYN-2D软件对不同聚能装药结构的成型特性进行数值仿...     

起爆点位置对网栅切割式MEFP成型的影响

为了研究起爆点位置对圆环形网栅切割式MEFP成型的影响,利用LS-DYNA动力有限元程序,采用流固耦合方法,对圆环形网栅切割式MEFP的形成过程进行了数值模拟。结果表明,该装药结构能形成5个具有一定质量和方向性、速度达到1600～2400 m.s-1的子EFP。在网栅距离固定的前提下,随着起爆点与药型罩顶点距离的增加,MEFP的速度逐渐增大,发散角逐渐减小。起爆点距离在0.56 Dk(Dk为装药口径)到0.89 Dk范围内能形成理想的子EFP,且在0.78 Dk时成型最好。     

用连续爆速法测定工业炸药爆速

采用电测法和连续速度探针法分别测量了粉状乳化炸药和乳化炸药的平均爆速和连续爆速.结果表明,粉状乳化炸药在装药密度为850 kg·m-3和820 kg·m-3时,平均爆速分别为4526 m·s-1和4020 m·s-1; 稳定爆轰时连续爆速范围分别为4300～4600 m·s-1和4000～4300 m·s-1.乳化炸药在装药密度为900 kg·m-3和840 kg·m-3时,平均爆速分别为4384 m·s-1和2345 m·s-1; 连续爆速范围分别为3370～4592 m·s-1和2871～3420 m·s-1.显然,平均爆速测试结果与连续爆速的测试结果吻合很好,且连续速度探针法能满足准确测量工业炸药在装药结构中爆速连续变化的要求.     

聚能射流对厚壁移动靶的侵彻理论与数值模拟分析

为有效拦截摧毁来袭大壁厚高速运动的导弹和钻地弹,提出了一种采用破甲战斗部的攻击模式。基于虚拟源点理论并采用微元法,将射流微元与厚壁移动靶板的相互作用过程分为两个阶段： 第一阶段,射流微元在侵彻过程中不受靶板侧向力干扰,分析了该过程侵彻深度和孔径的变化规律;第二阶段,射流在侵彻过程中受到靶板的侧向干扰,建立了射流受干扰时的横向漂移速度及受干扰射流的侵彻深度等理论模型。为验证理论模型的正确性,设计了一种40 mm口径聚能装药,通过有限元软件LS-DYNA分析了聚能射流垂直侵彻不同移动速度靶板（0~600 m/s）的侵彻深度及孔径变化规律,同时结合Marmor等^\[17\]的试验数据,与所建理论模型计算结果进行对比。结果表明：破甲战斗部是对付高速运动厚壁战斗部的有效手段,所建理论模型可精确地计算出射流微元在各个阶段的运动状态,从而获得总侵彻深度随靶板运动速度变化的规律;靶板运动速度越高,无干扰侵彻阶段经历时间越短,射流受干扰程度越明显,破甲深度与扩孔孔径也越小。     

超聚能射流形成过程机理研究

提出一种超聚能射流形成的理论计算方法,给出了附加装置材料密度、厚度和药型罩锥角、密度、厚度与超聚能射流速度、有效质量之间的关系。基于非线性显式动力学分析软件AUTODYN,进行了超聚能射流形成过程数值模拟,其结果与理论计算结果基本一致。通过超聚能射流侵彻试验,证明试验结果与数值模拟结果吻合较好。研究表明：在一定范围内,随着药型罩锥角的增大,超聚能射流速度逐渐减小、质量逐渐增大;超聚能射流速度、有效质量及侵彻能力远大于传统聚能射流。