EFP水中飞行特性及侵彻间隔靶的仿真与试验研究

王雅君, 李伟兵, 王晓鸣, 李文彬

(南京理工大学智能弹药技术国防重点学科实验室, 江苏 南京 210094)

1 引 言

现代水面舰船甚至潜艇其防护能力均大幅提高,传统爆破式弹药面临严峻的挑战,而经验表明,只靠增大药量并不是解决爆炸威力的根本途径,为增大水中兵器战斗部毁伤能力,国内外科研机构开始探索聚能装药在水下弹药中的应用问题[1]。针对聚能装药在水中兵器的应用,国外,Saroha D R[2-3]、Yaziv D[4]、Max Peters[5]、Xing Shi-long等[6]将多通道闪光摄影仪、X光与高速摄影等试验手段与数值模拟方法相结合,研究了射流对含水夹层靶板的侵彻过程,并由此得到射流侵彻水介质时伴有流体惯性作用,较长杆体具有更强的侵彻能力,但射流在水中衰减较快且易断裂,故炸高较大时难以在水中实现有效侵彻。国内,罗建[7]、李成兵[8]、裴明敬[9]、史进伟等[10]相继研究了射流、串联射流及杆式射流对水夹层间隔靶的侵彻过程,结合准定常侵彻理论和数学归纳法建立了射流侵彻水介质夹层间隔靶理论模型。但是上述研究表明,射流在水中破孔小,且适应性较差。考虑爆炸成型弹丸(Explosively Formed Projectile,EFP)抗干扰能力强,且后效好,破孔大,有利于对靶板的破坏,针对EFP的研究随即展开。王海福等[11-12]通过数值及试验验证研究了药型罩参数对聚能装药水下作用的影响,提出罩形是影响聚能装药水下特性最重要的影响因素,并利用数值仿真手段进一步尝试了双层EFP在水中的飞行侵彻过程。杨莉[13]、曹兵等[14]进一步研究了EFP的水下作用特性,发现水中EFP伴有的冲击波和弹道波,对目标靶的破坏效果明显增强。虽然目前对EFP水中飞行及靶板侵彻已开展一定研究,但由于水介质的阻尼影响,EFP在水中的作用规律与在空气中的飞行及侵彻规律有何区别仍有待深入研究。

为此,本研究利用数值仿真软件LS-DYNA,通过EFP等效模型研究EFP在水中的作用规律,探索了EFP在水中的速度衰减与质量损失规律,并设计EFP水中不同距离下侵彻间隔靶的方案,试验与仿真研究了EFP水中对间隔靶的侵彻规律。

2 仿真模型与研究方案

2.1 EFP成型计算模型

综合考虑仿真精度及计算时间等因素,本研究水中飞行及侵彻仿真分两步完成,首先单独计算EFP的成型,得到等效EFP模型; 随后赋予等效EFP初始速度对水介质进行侵彻,建立EFP水中飞行及侵彻间隔靶的数值仿真模型,仿真计算EFP水中作用规律及对间隔靶的侵彻规律。

本研究药型罩采用弧锥结合形结构,装药直径为40 mm,装药高度取1.0CD(Charge Diameters)。装药采用密度1.69 g·cm-3的8701炸药,起爆方式为中心点爆,EFP成型装药计算模型如图1所示。

图1 EFP成型装药计算模型图

Fig.1 Calculation model of EFP forming charge

考虑到毁伤元成型过程中网格的畸变问题,仿真中对炸药、药型罩、空气应用ALE算法[15]。仿真中各部分的材料模型参数及计算模型见表1。

表1 材料参数及计算模型[16]

Table 1 Material parameters and calumniation models[16]

sectionmaterialsdensity/g·cm-3strengthmodelequationofstateexplosive87011．69High＿explosive＿burnJWLlinerCu8．96Johnson＿cookGruneisenair-1．29×10-3NullGruneisen

2.2 EFP等效模型及水中作用计算方案

考虑空气中EFP成型变化较小,且EFP水中侵彻间隔靶过程数值仿真计算量较大,为解决网格畸变等原因造成的计算精度下降的问题,将成型后的EFP进行简化,建立等效模型模拟EFP水中侵彻间隔靶过程,EFP成型仿真计算结果及相应的EFP等效模型如图2所示。由于本研究成型装药结构所形成的EFP在实际成型过程中尾翼易发生断裂脱离主体的现象,故EFP等效模型中不考虑裙尾结构。EFP等效模型选择密度8.96 g·cm-3的紫铜,根据EFP具体成型条件,对部分参数进行修正,得到EFP等效模型参数为半径7.3 mm,全长27.3 mm,尾翼内径5.7 mm,长15.3 mm,飞行速度1700 m·s-1。

a. simulation generated image b. equivalent model

图2 EFP成型仿真计算结果与等效模型

Fig.2 Simulated results of EFP formation and the equivalent model

EFP水中飞行及侵彻间隔靶数值仿真模型如图3所示,图中L1、L2分别为前后两靶板距EFP入水处距离。为了进一步研究EFP水下对不同距离下间隔靶的侵彻情况,设计了5种不同距离下EFP侵彻间隔靶的方案,其中方案1、2、3为间隔靶布置; 考虑随距离的增长EFP侵彻能力下降明显,方案4、5为单靶板布置。方案中靶板厚度均为5 mm,采用密度7.83 g·cm-3的45钢,方案设置见表2。

图3 水中飞行及EFP侵彻仿真计算模型

Fig.3 Simulation model of the flight and penetration of EFP in water

表2 数值仿真方案

Table 2 Numerical simulation scheme

test12345L1/mm1．25CD2．50CD3．75CD5．00CD6．25CDL2/mm2．50CD3．75CD5．00CD--

仿真模型为1/4三维数值计算模型,选用实体solid164单元,采用ALE耦合算法[15]。等效弹丸及靶板均采用拉格朗日网格建模,材料本构关系选用JOHNSON_COOK模型; 水介质及空气采用欧拉网格建模,四周为无反射扰动的透射传播边界,空物质材料本构模型,状态方程采用GRUNEISEN模型,状态方程形式如下:

式中,p为压力,GPa;C为冲击波速度-质点速度曲线的截距,km·s-1;γ0为GRUNEISEN常数;α为γ0和μ的体积修正量;E0为单位体积初始能量,GPa;s1,s2,s3,为材料特性参数; 体积变化率μ=ρ/ρ0-1,ρ、ρ0分别为材料密度、材料初始密度,g·cm-3。材料具体参数见表3。

表3 材料参数

Table 3 Material parameters

materialsρ/g·cm-3C/km·s-1s1s2s3γ0αE0/GPaair1．29×10-30．3440001．400water0．9981．4841．752000．2800

3 仿真计算结果及分析

3.1 EFP水中速度衰减规律

EFP的速度和质量是影响EFP水中侵彻能力的重要参数。根据2.2节数值仿真模型计算无靶板条件下EFP水中侵彻过程,得到如图4所示EFP水中侵彻过程。

图4 EFP水中侵彻过程

Fig.4 The penetration process of EFP in water

EFP最初与水接触时,首先会产生对水的撞击作用。此时将产生一个短暂的、以近似于水中声速辐射出去的高速激波[17]。由于撞击持续时间短,撞击力对其水中弹道影响较小,但仍会改变EFP的速度并产生喷溅。根据图4所示EFP侵彻水介质过程可知,撞击后,水从弹体流开,空泡形成,产生空腔现象。空泡在水面处与大气相通,随着EFP沿着轨道前进,空泡进一步加长,气体填充到弹体后面的空带里,形成一个空泡,其中部分是气体,部分是水蒸气。由于EFP前进时,仅头部与水接触,尾部未与空泡壁发生作用,EFP水中弹道近似于空中轨道延长线的直线。根据仿真结果标定不同距离下EFP的飞行速度,可获得EFP水中速度变化曲线,结果如图5所示。

由图5可见,EFP与水介质产生的撞击力对EFP的速度影响较大,EFP在水介质中速度衰减明显。EFP刚进入水中速度则由1700 m·s-1迅速减少至1570 m·s-1。在入水仅2CD的距离内,因头部形状变化显著,EFP的速度随即下降至1070 m·s-1,降幅达到500 m·s-1,且速度衰减具有一定线性规律。而随着EFP形状逐渐趋于稳定,EFP速度衰减过程呈现指数规律,速度趋近于400 m·s-1。此后随着速度持续下降,EFP基本不具备水中侵彻能力。

图5 EFP水中不同距离下的速度变化曲线

Fig.5 The change curve of EFP velocity at different distance in water

3.2 EFP水中质量变化规律

EFP外形和质量的变化对EFP水中弹道及速度衰减规律均会产生明显的影响。对EFP水中侵彻过程进行仿真计算,得到EFP在侵彻水介质过程中的变形情况,结果如图6所示。

图6 EFP侵彻水介质过程形状变化

Fig.6 The shaped change of EFP in the process of penetrating into water medium

由图6可知,EFP侵彻水介质时变形损耗明显。EFP入水过程,由于持续时间短暂,流体的粘性、重力及表面张力均可忽略。但EFP侵彻水介质时,受水的密度、可压缩性和粘滞性影响较大。EFP侵入水介质后,受到惯性阻力、压差阻力、粘滞阻力等影响,发生明显磨损变形,导致EFP质量降低、形状改变,并直接影响到EFP的侵彻能力。根据仿真结果标定不同距离下EFP的剩余质量,得到EFP水中质量变化曲线,结果如图7所示。

图7 EFP水中不同距离下的质量变化曲线

Fig.7 The change curves of EFP mass at different distance in water

由图7可见,EFP入水后质量急剧减小,随着水中飞行距离的增加,运动速度减慢,剩余质量进一步减小,侵彻能力随之减弱。EFP在水中运动距离达到2CD时,剩余质量已不足初始质量一半,最后基本稳定在初始质量的1/3。当水中设置靶板时,由于靶板对冲击波的影响,EFP质量损失更为明显: 2.5CD距离处设置靶板,最后剩余质量约为初始质量的1/4; 1.25CD距离处设置靶板,最后剩余质量仅为初始质量的1/5。

3.3 EFP水中侵彻间隔靶规律

为研究EFP水中侵彻间隔靶规律,对表2方案进行仿真,结果见表4。

表4 EFP水中侵彻靶板仿真结果

Table 4 Simulated results ofpenetrating targets of EFP in water

testtarget1L1/mmresultstarget2L2/mmresults11．25CDperforationd≈0．8CD2．50CDconcavityP≈0．9CD22．50CDperforationd≈0．5CD3．75CDfailtocontact-33．75CDconcavityP≈0．7CD5．00CDfailtocontact-45．00CDconcavityP≈0．5CD--56．25CDfailtocontact---

Note:dis the penetration diameter, andPis the penetration depth.

由表4可见,EFP可轻松穿过1.25CD处前靶板并形成直径约0.8CD的弹孔,并且在2.5CD处后靶板上侵彻得到一个深约0.9CD的弹坑。在飞行2.5CD的距离后,EFP仍可穿透前靶板形成直径约0.5CD的弹孔,但对后靶板侵彻效果不明显,表明EFP穿透前靶板后剩余质量与剩余速度都大幅下降。EFP到达3.75CD处靶板时,虽然仍具有一定侵彻能力但并不能穿透靶板,弹坑深度约0.7CD。随着飞行距离的增加,EFP侵彻能力进一步下降,对置于5CD处的靶板,仅能造成一个深度不足0.5CD的弹坑; 对置于6.25CD处的靶板,未能造成损伤。

根据仿真结果,该结构成型装药形成的EFP在水中飞行1.25CD距离时,可直接贯穿前靶板并将后靶板冲塞变形; 在水中飞行2.5CD距离时,仍可穿透前靶板; 在水中飞行3.75CD时,即难以穿透薄靶板; 而在水中飞行超过5CD时EFP已不具有侵彻能力。

4 试验验证

4.1 试验设计

对应于表2 所示间隔板布置方案,设计5组EFP水中飞行及侵彻试验,对仿真结果进行验证,具体参数与仿真保持一致。距EFP战斗部水平距离0.5 m处,布置参数为500 mm×500 mm×300 mm的水缸,并注水。合理布设高速摄影仪器,拍摄EFP穿越水箱及侵彻靶板的作用过程,曝光速度设置为50000 fps,即每张照片相隔时间为20 μs,试验场地布置如图8所示。

4.2 EFP水中运动过程研究

a. schematic of experimental setup

b. photograph of experimental setup

图8 EFP水中侵彻试验布置图

Fig.8 Photographs of the high-speed photography text stand

图9 高速摄影下EFP水中飞行图像

Fig.9 High-speed photographic images of EFP traveling in water

该成型装药形成的EFP在空气中飞行速度为1700 m·s-1左右,观察高速摄影图像,从EFP进入水箱开始计时,记录每张照片中EFP位置,分别作时间-位移与位移-速度曲线,对比数值仿真结果,得到对比曲线如图10所示。由图10可见,时间-位移对比曲线趋势一致,最大误差为5.7%; 位移-速度对比曲线前半段由于试验中EFP入水过程复杂,速度受钢制水箱壁及冲击波影响较大,而数值仿真为理想状态且无钢制水箱壁,故误差较大,2.25CD处误差达到10.5%; 随着冲击波影响逐渐减小,误差减小,随后曲线逐渐趋于一致,而3.25CD处误差仅3.4%,故可以认为吻合程度较好。

a. change curves of displacement at different time

b. change curves of velocity at different distance

图10 EFP水中飞行试验仿真对比曲线

Fig.10 Comparative curves of the simulation and experiment of EFP traveling in water

4.3 EFP水中侵彻仿真与试验对比

对5组验证试验间隔板进行回收分析,得到仿真与试验数据的对比情况,结果见表5。由表5可知,EFP水中侵彻间隔靶的试验与仿真结果吻合较好。方案1中前靶板穿孔直径为31.56 mm,与仿真结果32.83 mm误差仅为4%。方案2中EFP产生碎裂,靶板上有一处较深弹坑以及两个不相连的弹孔,两弹孔相距17.22 mm,大孔直径11.96 mm,小孔直径8.34 mm,弹坑直径11.34 mm。考虑方案2出现两处弹坑,本文将两孔侵彻面积之和与仿真穿孔面积进行对比,误差为5.8%。方案3与方案4中,试验测得弹坑深度分别为26.38 mm与17.21 mm,与仿真结果相较,误差分别为7.4%与10.1%。值得注意的是,仅方案1中EFP成型完整,其他几组试验中,EFP均发生了不同程度的碎裂。

EFP在水介质侵彻间隔靶的试验表明,由于水中阻力的影响,EFP在水中会产生断裂与分离,形态不稳定,EFP在水中侵彻能力有所下降,速度衰减与质量损失明显。该结构EFP在水中仅飞行3.75CD距离时即难以穿透5 mm薄钢靶,且超过5CD距离时已不具备侵彻能力。

表5 仿真结果与试验结果对比

Table 5 Comparison of the simulation results and experimental ones

type12345simulationresultsd=32．83mmd=19mmP=28．32mmP=20．06mm-experimentresultsd=31．56mmd1=11．96mmd2=8．34mmP=26．38mmP=17．21mm-

Note:dis the penetration diameter, andPis the penetration depth.

4 结 论

针对本研究战斗部所形成的EFP,采用数值模拟与试验验证相结合的手段,探讨了EFP在水中的速度衰减与质量损失规律,得到了EFP对水中间隔靶的侵彻规律。

(1) 获得了EFP水中速度和质量衰减规律,EFP在水中速度先是线性衰减后呈指数规律变化,EFP入水后磨损变形明显甚至碎裂,质量急剧减少,随着在水中飞行距离的增加质量逐渐趋于稳定,此时EFP剩余质量约为初始质量的1/3～1/5。

(2) 获得了EFP水中侵彻间隔靶的作用规律,EFP在水中飞行1.25CD时,EFP可穿透前靶板并形成直径约0.8CD的弹孔,并对第二块靶板造成深约0.9CD的冲塞变形; 在水中飞行2.5倍装药直径的距离时,仍可穿透薄靶板并形成0.5CD的弹孔; 在水中飞行3.75倍装药直径的距离时即难以穿透薄靶板; 在水中飞行超过5倍装药直径的距离时已不具备侵彻能力。

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首先确定二级潜水泵的选择原则，通常有恒压恒量供水、恒压变量供水、变压变量供水3种方式。为了管理方便，本工程采用恒压变量供水方式，即在供水压力一定的情况下保证用户的水量。泵池内安装4台200QGW360-40-75潜水泵及2台250QGW420-40-90潜水泵，根据供水压力和流量控制水泵运行。其安装方式均为自动耦合式装置，泵与耦合装置相连，耦合底座固定于泵坑底部，泵可在导轨（导杆）中上下移动，当泵放下时，耦合装置自动与耦合底座耦合，而提升时泵与耦合底座自动脱落。所有水泵附件全套安装完毕。

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