不同结构参数对组合药型罩水中毁伤元的影响.docx

? ? 不同结构参数对组合药型罩水中毁伤元的影响 ? ? 徐鹤峰，焦志刚*，黄维平，邢存震 （1.沈阳理工大学 装备工程学院，辽宁 沈阳 110059；2.辽沈集团有限公司，辽宁 沈阳 110045） 由于海上的资源非常丰富，海上竞争在未来各国战略部署中的地位逐步提高，近些年，舰艇反导弹防御系统正在进行多方位地完善与提高，在水线附近或飞行甲板等一些关键部位，舰艇具备强大的处理水面以上对其威胁的能力，但在水下的防御能力有待加强。现代舰艇为了提高它的抗击打能力，其结构大都是采用高强度钢或其他合金材料制成[1]，舰艇壳体大多设计成双层壳体，两层壳体之间拥有长距离的水介质，很多潜艇也是采用多密封舱室、复合装甲、倾斜装甲等结构，使其抗冲击抗破坏能力得到了很大的提高，科研人员进行了多次的试验与探索，提出多种不同的新型聚能战斗部[2]，通过改变聚能战斗部的结构来提高对装甲的侵彻能力[3-4]，锥-球组合药型罩即是新型聚能装药战斗部中的一种。周方毅等[5]人提出了一种圆锥、球缺组合药型罩的结构，采用LS-DYNA有限元软件建立有限元模型并计算，将数值模拟出的仿真结果与试验数据作对比，验证了数值模拟的正确性，同时采用正交设计方法优化出圆锥、球缺聚能战斗部的结构参数，为下一步工作提供了参考。姜鑫圣[6]探究了水介质与空气中2种介质的情况下爆炸成型弹丸的成形以及侵彻性能的差异，赵飞扬[7]使用有限元分析软件Autodyn-2D对组合药型罩不同结构参数、材料的选择以及隔板的参数进行大量仿真，数值模拟确定了最佳战斗部的结构参数。R.Tosello[8]提出了由于现代舰艇的防御能力不断提高，世界各国大多采用了多级串联战斗部的方法来增强鱼雷战斗部的毁伤效应。 1 组合药型罩结构设计及数值模拟 1.1 几何模型及参数 锥-球组合药型罩几何模型如图1所示，其中战斗部由炸药、锥形药型罩、球缺药型罩、空气与水域构成。聚能装药长径比为1.5，装药直径D=60 mm，装药高度L=90 mm，锥-球组合药型罩壁厚n均为2 mm，锥形药型罩角度α为60°，球缺罩内外表面曲率半径R2=33.5 mm、R1=35.5 mm，锥-球组合药型罩高度h=38 mm。 图1 几何模型 1.2 有限元模型建立 使用Autodyn软件对组合药型罩进行仿真计算，采用拉格朗日与欧拉耦合算法，由于模型是关于X轴对称，建立二维轴对称有限元模型，设置边界条件，模拟无限空间，防止材料在边界反射使得仿真结果失真，保证仿真的可靠性。有限元模型如图2所示，网格划分为均匀划分，每个网格尺寸为0.25 mm×0.25 mm。 图2 有限元模型 数值模拟的材料都选自Autodyn的材料库，聚能装药选用B炸药，爆速为7 980 m/s，爆压为2.95×107kPa[9]，其余材料模型见表1。 表1 材料模型 2 不同结构参数对水中毁伤元的影响 2.1 装药长径比对水中毁伤元的影响 当炸药被起爆后，产生的爆轰波压垮锥-球组合药型罩形成了水中毁伤元，因此聚能装药的长径比是一个重要因素，长径比不宜过大与过小，为探究聚能装药长径比对组合药型罩形成水中毁伤元性能的影响规律，设计的结构参数为锥角60°，锥-球组合药型罩的壁厚均为2 mm，装药直径为60 mm，锥-球药型罩材料为铜，取聚能装药长径比分别为1.2、1.3、1.4、1.5、1.6，对其毁伤元性能进行分析对比，50μs时不同长径比形成的水中毁伤元如图3所示。 图3 不同长径比下的水中毁伤元 不同长径比下锥-球组合药型罩形成水中毁伤元的动能随时间的变化情况如图4所示，毁伤元头部速度随长径比的变化情况如图5所示，毁伤元长度与头部直径随长径比的变化情况如图6所示。 图4 不同长径比水中毁伤元动能随时间的变化 由图4可以看出，不同长径比下的水中毁伤元动能随时间的变化曲线，在炸药爆轰开始，长径比最小的先传递到锥-球组合药型罩表面，在同一时刻聚能装药长径比最小的，其形成的毁伤元动能最大，但随着作用时间的增加，15μs时，各个长径比下产生的毁伤元动能大小基本一致，经过15μs时，大的长径比形成的水中毁伤元动能相比于长径比较短的形成的动能整体偏大。 由图5可以看出，随着长径比的增加，其水中毁伤元的头部速度也在增加，但长径比超过1.4时，其水中毁伤元的头部速度基本保持稳定。 图5 不同长径比下水中毁伤元的头部速度 由图6可以看出，随着长径比的增加，水中毁伤元的长度大致相同，长径比为1.4时，水中毁伤元长度略有减小，水中毁伤元头部直径在长径比1.6时是较小的，由于聚能装药长径比增大，水对毁伤元的阻碍相对更强，所以导致毁伤元的头部直径较小。综上所述，聚能装药长径比在1.5时水中毁伤元的性能更好。 图6 不同长径比下水中毁伤元的长度及头部直径 2.2 锥罩壁厚对毁伤元的影响 本节主