多层变角度反应装甲对聚能射流的干扰作用

王凤英 岳继伟 王志远 阮光光 柴艳军

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多层变角度反应装甲对聚能射流的干扰作用

    作者简介: 王凤英(1955—), 女, 博士, 教授, 主要从事武器系统防护工程研究.E-mail:liulang827@163.com;
  • 基金项目: 国家自然科学基金 11572292

  • 中图分类号: O385

Interference Effect of Multi-Layered Reactive Armor with a Variable Angle on Shaped Charge Jet

  • CLC number: O385

  • 摘要: 基于爆炸式反应装甲与聚能射流的作用机理,致力于设计出对聚能射流干扰能力更强的新型结构的反应装甲,即多层变角度反应装甲。基于ANSYS/LS-DYNA软件,采用数值模拟的方法分析了不同结构的反应装甲对聚能射流的干扰作用,对比了不同夹角的多层变角度反应装甲对聚能射流的干扰作用,以聚能射流在后效板上留下的侵彻痕迹的尺寸为判定不同夹角的多层变角度反应装甲对聚能射流干扰作用的依据。对比分析结果表明:多层变角度反应装甲对聚能射流的干扰作用明显优于V形反应装甲,多层变角度反应装甲中平板装药之间的夹角α=22°时最有利于提高其对聚能射流的干扰能力。
  • 图 1  多层变角度反应装甲

    Figure 1.  Multi-layered reactive armor with a variable angle

    图 2  数值仿真模型

    Figure 2.  Numerical simulation model

    图 3  140 μs时单层平板装药、V形反应装甲和的多层变角度反应装甲与聚能射流的作用效果图

    Figure 3.  Effect of (a) the single-layer plate loaded charge, (b) the V-shaped reactive armor, and (c) the multi-layered reactive armor with a variable angle, on the shaped charge jet at the time of 140 μs

    图 4  140 μs时聚能射流与单层平板装药、V形反应装甲、多层变角度反应装甲作用后聚能射流对后效靶板的作用压力云图

    Figure 4.  Nephogram of the shaped charge jet's effect on the target plate at the time of 140 μs.(a) the single-layer plate loaded charge, (b) the V-shaped reactive armor, (c) the multi-layered reactive armor with a variable angle

    图 5  聚能射流与3种结构的装甲作用过程的动能曲线

    Figure 5.  Kinetic curve of the shaped charge jet's interaction with the three armor structures

    图 6  140 μs时不同夹角的多层变角度反应装甲干扰聚能射流的效果图

    Figure 6.  Shaped charge jet interfered by multi-layered reactive armors with different angles at the time of 140 μs

    图 7  聚能射流被不同夹角的反应装甲干扰后的侵彻后效

    Figure 7.  Penetration effect of the shaped charge jet interferedby the reactive armor with different angles

    图 8  聚能射流被不同夹角多层变角度反应装甲干扰后在后效板上侵彻弹孔的尺寸

    Figure 8.  Size of holes on the penetrated plate resulting from the shaped charge jet interfered by multi-layered reactive armors with different angles

    表 1  平板装药夹层炸药的材料参数

    Table 1.  Material parameters of sandwich explosive

    ρ/(g/cm3) pcj/(GPa) I/(μs-1) G1/(μs·GPa-1) c y λG2,min λig,max
    1.72 27 4.4×10-11 310 0.667 1.0 0 0.3
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-08-03
  • 录用日期:  2016-11-15
  • 刊出日期:  2017-10-25

多层变角度反应装甲对聚能射流的干扰作用

    作者简介:王凤英(1955—), 女, 博士, 教授, 主要从事武器系统防护工程研究.E-mail:liulang827@163.com
  • 中北大学化工与环境学院,山西太原 030051
基金项目:  国家自然科学基金 11572292

摘要: 基于爆炸式反应装甲与聚能射流的作用机理,致力于设计出对聚能射流干扰能力更强的新型结构的反应装甲,即多层变角度反应装甲。基于ANSYS/LS-DYNA软件,采用数值模拟的方法分析了不同结构的反应装甲对聚能射流的干扰作用,对比了不同夹角的多层变角度反应装甲对聚能射流的干扰作用,以聚能射流在后效板上留下的侵彻痕迹的尺寸为判定不同夹角的多层变角度反应装甲对聚能射流干扰作用的依据。对比分析结果表明:多层变角度反应装甲对聚能射流的干扰作用明显优于V形反应装甲,多层变角度反应装甲中平板装药之间的夹角α=22°时最有利于提高其对聚能射流的干扰能力。

English Abstract

    • 在现代化战争中坦克之所以堪称陆战之王,主要取决于其强大的火力及优越的防护性能。随着大杀伤力武器层出不穷,装甲防护能力成为衡量装甲武器先进程度的重要指标。装甲防护经历了均质装甲到复合装甲再到目前的反应装甲的发展过程。自从1974年Held提出了用反应装甲抵抗聚能射流对坦克前装甲的侵彻[1],1994年,刘北锁等[2]介绍了反应装甲的设计原理即三明治结构——双层金属板中间夹薄层炸药,当聚能射流或者动能弹触发反应装甲,炸药产生爆轰驱动上下金属飞板运动,前方金属板朝着射流飞来方向运动改变聚能射流的形状和速度以及入射角度降低聚能射流的侵彻能力。甄金朋[3]通过理论、数值模拟和实验3种方式研究了平板装药爆轰后驱动飞板的运动规律,在爆轰初始阶段,上板运动的加速度很大,运动速度迅速增长,但随着时间的增加,加速度渐趋于零,运动速度的增长越来越小,上板速度在十几微秒的时间内达到最大值,此后飞板将以恒定速度运动。武海军[4]、夏松林[5]等通过数值模拟及实验的方法研究了平板装药对聚能射流的干扰作用, 研究表明聚能射流侵彻平板装药反应装甲时,上飞板不仅对射流具有切割能力而且上飞板使后续射流发生偏转。以上均为单层平板装药对聚能射流防护作用的研究。刘宏伟等[6-7]通过数值模拟和物理实验的方法研究了V形反应装甲和双层平行反应装甲与聚能射流的作用机理以及影响其防护性能的影响因素。V形反应装甲和双层反应装甲对聚能射流的干扰作用明显优于单层反应装甲。

      简单的平板装药对聚能射流的防护作用有限,面对大口径、双锥罩、带隔板的聚能战斗部简单的平板装药只能有限地削弱聚能射流对主装甲的侵彻能力,聚能射流依然能对主装甲造成严重的破坏。关于多层变角度反应装甲的研究国内外未见报道,本研究致力于设计一款防护能力更强的新结构反应装甲即多层变角度反应装甲。通过数值模拟的方法分析多层变角度反应装甲与聚能射流的作用过程,与单层反应装甲和V形反应装甲的防护能力进行对比,还对比了不同的变角度反应装甲夹角对防护能力的影响。

    • 多层变角度反应装甲是由3块平板装药单元按一定的角度组合,如图 1所示。聚能射流与多层变角度反应装甲的作用过程基本类似于聚能射流与V形反应装甲的作用过程:聚能射流穿透并引爆第1层平板装药,第1层平板装药的上飞板即板1与聚能射流相互作用,剩余的逃逸射流继续侵彻并引爆第2层平板装药。第1层平板装药和第2层平板装药之间有一定距离,所以两者被聚能射流激发存在一个时间差,而且第2层反平板装药的上飞板与第1层平板装药的下飞板有一个碰撞的过程,即板2和板3的碰撞作用,研究认为两飞板的碰撞为完全的塑性碰撞。两块板经过碰撞将会焊接在一起,等效于一块加厚低速运动的板。第3层平板装药与聚能射流的作用与第2层平板装药与聚能射流的作用同理。

      图  1  多层变角度反应装甲

      Figure 1.  Multi-layered reactive armor with a variable angle

      第1层平板装药的下飞板和第2层平板装药的上飞板的碰撞,以及第2层平板装药的下飞板和第3层平板装药的上飞板的碰撞所形成的加厚低速运动板的速度很大程度上决定于多层变角度反应装甲中3块平板装药之间的夹角和射流在反应装甲上的着点。

      爆炸反应装甲引爆后,金属板只受爆轰产物的作用,在爆轰产物冲量的作用下,金属板获得一定的初速度v1, i,根据动量定理

      $ {m_i}({v_{1, i}} - {v_{0, i}}) = {I_{{\rm{p}}, i}} $

      式中:mi为金属板质量,v0, i为爆轰前板的速度,v1, i为金属板初速度,Ip, i为金属板所受冲量,下标i为金属板编号。金属板初速度v1, i

      $ {v_{1, i}} = \frac{{{I_{{\rm{p}}, i}}}}{{{m_i}}} + {v_{0, i}} $

      W形反应装甲的第1块平板装药和第2块平板装药之间夹角为α,第1层平板装药被激发后产生的爆轰产物驱动飞板1和飞板2朝着平板装药的法线方向运动,第2层和第3层平板装药同样如此,但是第1层平板装药的飞板2和第2层平板装药的飞板3相互碰撞后形成的加厚低速运动的飞板, 以及第2层平板装药的飞板4和第3层平板装药的飞板5相互碰撞形成的加厚低速运动的飞板的速度, 根据动量定理和动量矩定理可表示为

      $ {v_y} = \frac{{{I_2}{S_2} + {m_3}{v_3} - ({I_1}{S_1} + {m_2}{v_2})\cos \alpha }}{{{m_2} + {m_3}}} $

      $ {v_x} = \frac{{{I_1}{S_1}\sin \alpha + {m_2}{v_2}\sin \alpha }}{{{m_2} + {m_3}}} $

    • 影响多层变角度反应装甲对聚能射流的干扰能力的因素有很多,比如多层变角度反应装甲各平板装药之间的夹角、各平板装药之间的距离、聚能射流侵彻着点等。本研究主要通过数值仿真模拟,得出平板装药之间的最佳夹角。该仿真模型采用的聚能装药直径为80 mm,装药高度为100 mm;反应装甲盒子的尺寸为120 mm×80 mm×250 mm,内部3层平板装药与水平面分别有一定的夹角,最上一层与水平面的夹角为60°,3块平板装药之间的夹角α相等,平板装药两盖板的厚度为2 mm,炸药厚度为3 mm。夹角α分别为10°、12°、14°、16°、18°、20°、22°、24°,仿真模型如图 2所示。

      图  2  数值仿真模型

      Figure 2.  Numerical simulation model

    • 聚能射流是大拉伸大变形体,在数值仿真中一般采用ALE算法实现,聚能装药、药型罩和空气采用ALE算法,装甲盒盖板和平板装药以及后效靶板均采用Lagrangian算法。但是,平板装药里的夹层炸药被聚能射流激发后会发生大变形,该仿真采用失效方程进行控制,将变形过大的炸药网格删除,使计算顺利进行下去。

      聚能装药选用的是B炸药,药型罩为紫铜,反应装甲盒盖板和平板装药的上下飞板以及后效板均采用603钢,反应装甲的夹层炸药采用弹塑性模型(ELASTIC_PLASTIC_HYDRO)和点火与增长状态方程(IGNITION_GROWTH_OF_REACTION_IN_HE)共同描述。B炸药、紫铜、603钢、空气均为常见材料,平板装药的夹层炸药的材料参数见表 1

      ρ/(g/cm3) pcj/(GPa) I/(μs-1) G1/(μs·GPa-1) c y λG2,min λig,max
      1.72 27 4.4×10-11 310 0.667 1.0 0 0.3

      表 1  平板装药夹层炸药的材料参数

      Table 1.  Material parameters of sandwich explosive

    • 单层的平板装药和V形反应装甲对聚能射流具有有效的干扰作用,但是对于大口径的聚能装药形成的射流防护能力有限,本研究提出的多层变角度反应装甲可有效提升反应装甲对大口径聚能装药形成射流的干扰能力,进一步降低聚能射流对主装甲的侵彻能力。单层平板装药、V形反应装甲以及多层变角度反应装甲在140 μs时的作用效果如图 3所示。

      图  3  140 μs时单层平板装药、V形反应装甲和的多层变角度反应装甲与聚能射流的作用效果图

      Figure 3.  Effect of (a) the single-layer plate loaded charge, (b) the V-shaped reactive armor, and (c) the multi-layered reactive armor with a variable angle, on the shaped charge jet at the time of 140 μs

      根据图 3可知,聚能射流与单层平板装药作用时,由于平板装药上下飞板对聚能射流的阻挡和切割作用,聚能射流发生弯曲和速度降低,最终聚能射流到达后效板并在后效板上留下一定深度的弹坑。聚能射流与V形反应装甲和多层变角度反应装甲的作用原理类似,只是聚能射流的变形程度和速度降低幅度以及聚能射流对后效板的作用效果不同。140 μs时聚能射流与后效板的作用效果如图 4所示。

      图  4  140 μs时聚能射流与单层平板装药、V形反应装甲、多层变角度反应装甲作用后聚能射流对后效靶板的作用压力云图

      Figure 4.  Nephogram of the shaped charge jet's effect on the target plate at the time of 140 μs.(a) the single-layer plate loaded charge, (b) the V-shaped reactive armor, (c) the multi-layered reactive armor with a variable angle

      图 4可知,在140 μs时单层平板装药对聚能射流干扰后,聚能射流仍然在后效板上留下了一个深为14.20 mm、直径为38.04 mm的弹坑;夹角为20°的V形反应装甲干扰聚能射流后,聚能射流在后效板上留下的弹坑深度为11.90 mm,弹坑的直径为28.05 mm;夹角为20°的多层变角度反应装甲干扰聚能射流后,聚能射流在后效板子上留下两个弹坑,第1个弹坑的深度为2.60 mm,直径为17.80 mm,第2个弹坑的深度为1.00 mm,直径为13.23 mm。之所以多层变角度反应装甲干扰射流后留下两个更浅直径更大的弹坑,是因为聚能射流在多层变角度反应装甲飞板的干扰切割下聚能射流严重变形,并严重偏离中轴线。

      由于聚能射流过度拉伸140 μs以后网格变形过大,容易出现负体积。根据140 μs时聚能射流的动能可准确定性判断聚能射流最终的侵彻能力,因为同种材料药型罩形成的射流动能越大侵彻能力越强,聚能射流与单层平板装药、V形反应装甲、多层变角度反应装甲作用过程的动能变化如图 5所示。

      图  5  聚能射流与3种结构的装甲作用过程的动能曲线

      Figure 5.  Kinetic curve of the shaped charge jet's interaction with the three armor structures

      根据图 5可知,140 μs时聚能射流与3种结构的反应装甲作用后,聚能射流的动能相差不多,大约为3.8 kJ。因此,3种聚能射流剩余侵彻能力相似,根据140 μs时聚能射流对后效靶板的侵彻效果可知,多层变角度反应装甲的防护能力最佳。

      对于众多影响多层变角度反应装甲的因素,采用控制变量法讨论多层变角度反应装甲3块平板装药之间夹角对其防护能力的影响。通过数值模拟可以分析140 μs内聚能射流与不同夹角的多层变角度反应装甲的作用情况和聚射流的形态及速度情况,从而确定最有利于提升防护能力的平板装药夹角。本研究采用的多层变角度反应装甲的夹角为10°到24°,以2°梯度递增,不同夹角的多层变角度反应装甲与聚能射流的作用效果如图 6所示。

      图  6  140 μs时不同夹角的多层变角度反应装甲干扰聚能射流的效果图

      Figure 6.  Shaped charge jet interfered by multi-layered reactive armors with different angles at the time of 140 μs

      根据图 6可知,聚能射流和不同夹角的多层变角度反应装甲作用后,聚能射流发生严重的变形和偏转。但是随着多层变角度反应装甲夹角的变化,聚能射流的弯曲及偏转程度各不相同,聚能射流变形偏转越严重,侵彻能力损失越多,即反应装甲的防护效果越好。

      多层变角度反应装甲的各平板装药的上下飞板对聚能射流干扰后,聚能射流速度降低并且发生偏转和弯曲。反应装甲干扰聚能射流的能力还表现在聚能射流对后效靶板的作用效果。在不同夹角反应装甲的干扰下聚能射流对后效板的作用效果如图 7所示。

      图  7  聚能射流被不同夹角的反应装甲干扰后的侵彻后效

      Figure 7.  Penetration effect of the shaped charge jet interferedby the reactive armor with different angles

      根据图 7可以定量地对比不同夹角的反应装甲对聚能射流的干扰能力,判断的依据就是聚能射流在后效靶板留下弹坑的直径和深度。通过Lsprepost后处理软件对后效靶板上留下的弹坑进行测量,具体弹坑的直径和深度相对于多层变角度反应装甲夹角的关系如图 8所示。

      图  8  聚能射流被不同夹角多层变角度反应装甲干扰后在后效板上侵彻弹孔的尺寸

      Figure 8.  Size of holes on the penetrated plate resulting from the shaped charge jet interfered by multi-layered reactive armors with different angles

      结合图 7图 8可知,在不同夹角的多层变角度反应装甲的干扰作用下,聚能射流在后效靶板上留下的侵彻痕迹尺寸变化范围较大,α=14°、16°、18°、20°、22°时聚能射流在后效靶板上留下两个侵彻痕迹,原因是聚能射流在反应装甲的干扰下发生严重的弯曲和偏转,部分逃逸射流偏离中轴线,射流着靶点增至两个或者更多。由图 8可知,当α=22°时聚能射流在后效靶板上留下的侵彻痕迹最浅,侵彻痕迹的直径却最大,此时聚能射流的能量最为分散,聚能射流的弯曲偏转程度最大,因此α=22°时多层变角度反应装甲的防护能力最佳。

    • 根据仿真结果的对比与分析,可得出以下结论:

      (1) 多层变角度反应装甲对聚能射流干扰作用明显优于单层平板装药和V形反应装甲。

      (2) 随着多层反应装甲中平板装药夹角的增大,聚能射流对后效靶板侵彻的弹痕深度呈先增大再减小再增大的过程,而弹痕直径的变化趋势正好相反。

      (3) 聚能射流在多层变角度反应装甲的干扰作用下,逃逸射流发生变形和偏转,变形偏转越严重,聚能射流能量越分散,即聚能射流在后效靶板上留下的弹痕越浅,但是弹痕的直径越大。多层变角度反应装甲中平板装药的夹角α=22°时,聚能射流在后效靶板上留下的弹痕深度最浅,弹痕直径最大。因此,α=22°时多层变角度反应装甲对聚能射流的干扰能力最强。

参考文献 (7)

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