双层楔形飞板爆炸反应装甲干扰聚能射流的数值模拟

刘迎彬 石军磊 胡晓艳 孙淼 张明 段晓畅

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双层楔形飞板爆炸反应装甲干扰聚能射流的数值模拟

    作者简介: 刘迎彬(1985-), 男, 博士, 讲师, 主要从事弹药毁伤防护与安全工程研究.E-mail:liuyb85@mail.ustc.edu.cn;
    通讯作者: 石军磊; 
  • 基金项目: 国家自然科学基金 11572292

  • 中图分类号: O389;TJ55

Numerical Simulation of Disturbance by Double-Layer Explosive Reactive Armor with Wedged Flying-Plate on Jet

    Corresponding author: SHI Junlei
  • CLC number: O389;TJ55

  • 摘要: 为得到干扰聚能射流能力更好的爆炸反应装甲,在经典爆炸反应装甲的基础上,设计了一种双层楔形飞板爆炸反应装甲。利用ANSYS/LSDYNA-3D仿真软件对3种不同方案进行了模拟计算,分别对各方案中飞板飞行形态、逃逸射流特性、射流的动能变化以及聚能射流对靶板的侵彻深度进行了分析。结果表明:夹层炸药引爆后,楔形飞板在向外飞出的同时具有一定的旋转特征,合理的摆放结构能够增大飞板与射流的作用面积;聚能射流在穿过反应装甲后,动能急剧下降,穿深能力降低,方案二聚能射流侵彻深度最浅,方案三次之,方案一最深,表明方案二具有良好的防护效果。对楔形飞板的研究丰富了爆炸反应装甲的结构设计,为反应装甲的进一步研究提供了理论参考。
  • 图 1  模型示意(1.聚能战斗部;2.第1层ERA;3.第2层ERA;4.靶板)

    Figure 1.  Schematic of model (1.Shaped charge warhead; 2.First layer of ERA; 3.Second layer of ERA; 4.Target)

    图 2  有限元模型

    Figure 2.  Schematic of finite element models

    图 3  ERA尺寸(单位:cm)

    Figure 3.  ERA size (Unit:cm)

    图 4  ERA结构方案

    Figure 4.  ERA structure schemes

    图 5  40 μs时射流、ERA形态

    Figure 5.  Diagram of jet and ERA at 40 μs

    图 6  各方案不同时刻飞板的飞行形态

    Figure 6.  Pattern diagram of flying-plate for each scheme at different times

    图 7  各方案射流动能变化

    Figure 7.  Variation of kinetic energy of jetfor different schemes

    图 8  不同时刻各方案射流前导速度曲线

    Figure 8.  Variation of jet velocity fordifferent schemes at different times

    图 9  不同时刻各方案逃逸射流形态

    Figure 9.  State of escaped jet for different schemes at different times

    图 10  450 μs靶板侵彻深度

    Figure 10.  Depth of penetration of target at 450 μs

    表 1  B炸药材料模型及状态方程参数

    Table 1.  Parameters of material model and equation of state of explosive B

    ρ/(g·cm-3) pCJ/GPa D/(m·s-1) AJWL/GPa BJWL/GPa RJWL1 RJWL2 E0
    1.717 29.5 7 980 524.2 7.678 4.2 1.1 0.085
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    表 2  铜、钢材料模型及状态方程参数

    Table 2.  Parameters of material model and equation of state of copper and steel

    Material ρ/(g·cm-3) G/GPa AJ-C/GPa BJ-C/GPa S1 S2 C/(m·s-1) V0
    Copper 8.96 46 0.09 0.92 1.489 0 3 940 1
    Steel 7.785 77.5 0.175 0.376 1.49 0 4 570 1
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    表 3  夹层炸药的材料模型及状态方程参数

    Table 3.  Parameters of material model and equation of state of sandwich explosive

    ρ/(g·cm-3) G/GPa σY/GPa A/GPa B/GPa R1 R2 R3
    1.712 3.54 0.2 524.2 7.678 778.1 -5.031×10-2 2.223×10-5
    R5 R6 cP/(J·kg-1·K-1) cR/(J·kg-1·K-1) GROW2 AR2 ES1 ES2
    11.3 1.13 10-3 2.487×10-3 300 1 0.222 0.333
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-07-20
  • 录用日期:  2017-08-08
  • 刊出日期:  2018-08-25

双层楔形飞板爆炸反应装甲干扰聚能射流的数值模拟

    作者简介:刘迎彬(1985-), 男, 博士, 讲师, 主要从事弹药毁伤防护与安全工程研究.E-mail:liuyb85@mail.ustc.edu.cn
    通讯作者: 石军磊; 
  • 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: 为得到干扰聚能射流能力更好的爆炸反应装甲,在经典爆炸反应装甲的基础上,设计了一种双层楔形飞板爆炸反应装甲。利用ANSYS/LSDYNA-3D仿真软件对3种不同方案进行了模拟计算,分别对各方案中飞板飞行形态、逃逸射流特性、射流的动能变化以及聚能射流对靶板的侵彻深度进行了分析。结果表明:夹层炸药引爆后,楔形飞板在向外飞出的同时具有一定的旋转特征,合理的摆放结构能够增大飞板与射流的作用面积;聚能射流在穿过反应装甲后,动能急剧下降,穿深能力降低,方案二聚能射流侵彻深度最浅,方案三次之,方案一最深,表明方案二具有良好的防护效果。对楔形飞板的研究丰富了爆炸反应装甲的结构设计,为反应装甲的进一步研究提供了理论参考。

English Abstract

  • 爆炸反应装甲(Explosive Reactive Armor, ERA)自问世以来,在坦克和装甲车上得到了广泛应用,并且表现出很好的防护效果。基于ERA重量轻、体积小、防护效果佳等优点[1-5],诸多学者从不同方面对ERA展开了大量研究。

    目前,对单层爆炸反应装甲的研究主要包括含能材料对ERA防护性能的影响,多层反应装甲的研究主要集中于不同ERA结构对抗弹性能的影响。黄鹤等[6]提出了爆炸反应装甲专用炸药新思路,并对HNIW和HMX炸药的部分性能进行了比较,结果表明,夹层炸药填充HNIW后防护效果明显优于HMX装药。毛东方等[7]采用三维有限元程序LS-DYNA模拟了射流侵彻有V型夹层炸药靶板的过程,并与无V型夹层炸药的情况进行了对比分析,表明V型夹层炸药结构对射流具有良好的干扰作用,且干扰程度随入射角度的增大而呈递增趋势。刘宏伟等[8]通过理论分析和数值模拟计算,得到了V形反应装甲与射流作用的基本物理过程。吴成等[9]采用Lagrange Autodyn-2D程序和试验,对实际尺寸的一代爆炸反应装甲盒在起爆后各飞板的运动规律以及相互作用的特点进行了数值模拟,结果表明,上、下飞板和面板的速度一致,上飞板与面板碰撞后断裂。Paik等[10]利用数值模拟和实验相结合的方法研究了金属飞板对杆式侵彻体的干扰作用。Mayseless[11]对ERA的结构参数进行了系统分析,进一步阐述了结构参数对ERA防护效果的影响。

    本研究在之前对反应装甲研究的基础上,通过改变ERA飞板的形状,提出一种非平板装药ERA。利用ANSYS-LSDYNA 3D模拟软件,对双层楔形板ERA的飞板运动规律以及干扰射流的特性进行数值计算,并改变组合结构,探讨不同结构对ERA防护性能的影响;同时,与没有ERA干扰情况下射流的侵彻深度进行对比,定性分析不同结构ERA的防护效果。

    • 模型主要由聚能战斗部、双层楔形飞板ERA和靶板组成,如图 1所示。有限元模型如图 2所示,其中添加了没有ERA的射流侵彻模型。战斗部包括主装药和药型罩:药型罩材料为铜,壁厚0.1 cm,锥角60°,罩口直径7 cm;装药高度为8 cm,起爆方式为中心点起爆。ERA有两层,均由楔形面板、夹层炸药和楔形背板组成的“三明治”构成,长、宽分别为10 cm和8 cm,炸药层厚度为0.3 cm,基本尺寸如图 3所示。聚能战斗部模型包括炸药、铜和空气,采用流固耦合算法,ERA材料为钢板和夹层炸药,采用拉格朗日算法进行模拟仿真。设计3种模拟方案,每种方案炸高均为15 cm,两层ERA之间的距离为2.4 cm,模拟方案如图 4所示。

      图  1  模型示意(1.聚能战斗部;2.第1层ERA;3.第2层ERA;4.靶板)

      Figure 1.  Schematic of model (1.Shaped charge warhead; 2.First layer of ERA; 3.Second layer of ERA; 4.Target)

      图  2  有限元模型

      Figure 2.  Schematic of finite element models

      图  3  ERA尺寸(单位:cm)

      Figure 3.  ERA size (Unit:cm)

      图  4  ERA结构方案

      Figure 4.  ERA structure schemes

      以上3种方案采用不同组合方式,由于飞板两端质量不同,在爆轰压力作用下,飞板运动过程中将发生旋转。方案一和方案二的第1层ERA结构相同,旋转方向相同;而第2层ERA结构相反,旋转方向亦相反。方案二和方案三的第1层ERA结构相反,第2层结构相同,呈现不同的旋转方式,从而对射流产生不同效果的干扰。夹层炸药引爆后,爆轰波沿法线方向作用于楔形飞板,由于飞板形状特性导致其质量不均匀,所以受到爆轰波的作用有所差异,质量小的一端飞出速度高于质量大的一端。

    • 模型主要包括聚能战斗部主装药、药型罩、空气、双层楔形飞板ERA(每层3种材料)以及靶板,共10个Part,采用g-cm-μs单位制。由于模型具有对称性质,为了节省计算时间和减少工作量,利用LS-DYNA建立三维1/2模型,单元类型选择3D-164六面体结构。主装药炸药选用B炸药,采用高能炸药燃烧模型(HIGH_EXPLOSIVE_BURN)和JWL状态方程,该方程能精确地描述爆轰气体产物的体积、压力、能量等特性。材料铜和钢均采用Johnson-Cook模型和Grüneisen状态方程进行描述。夹层炸药材料参数参考文献[7],采用弹塑性模型(ELASTIC_PLASTIC_HYDRO)和点火增长状态方程(IGNITION_GROWTH_OF_REACTION_IN_HE)进行模拟,并添加失效模型,用于控制炸药作用机理。各材料具体参数如表 1~表 3所示[12-13],其中:ρ代表材料密度,G为材料剪切模量;表 1中,pCJ为炸药的爆压,D为炸药爆速,AJWLBJWLRJWL1RJWL2E0为JWL状态方程参数;表 2中,AJ-CBJ-C是材料J-C模型参数,S1S2C是Grüneisen状态方程参数,V0表示材料的初始相对体积;表 3中,σY表示材料的屈服应力,cRcP分别表示反应物和产物的比热容,其余均为状态方程参数。

      ρ/(g·cm-3) pCJ/GPa D/(m·s-1) AJWL/GPa BJWL/GPa RJWL1 RJWL2 E0
      1.717 29.5 7 980 524.2 7.678 4.2 1.1 0.085

      表 1  B炸药材料模型及状态方程参数

      Table 1.  Parameters of material model and equation of state of explosive B

      Material ρ/(g·cm-3) G/GPa AJ-C/GPa BJ-C/GPa S1 S2 C/(m·s-1) V0
      Copper 8.96 46 0.09 0.92 1.489 0 3 940 1
      Steel 7.785 77.5 0.175 0.376 1.49 0 4 570 1

      表 2  铜、钢材料模型及状态方程参数

      Table 2.  Parameters of material model and equation of state of copper and steel

      ρ/(g·cm-3) G/GPa σY/GPa A/GPa B/GPa R1 R2 R3
      1.712 3.54 0.2 524.2 7.678 778.1 -5.031×10-2 2.223×10-5
      R5 R6 cP/(J·kg-1·K-1) cR/(J·kg-1·K-1) GROW2 AR2 ES1 ES2
      11.3 1.13 10-3 2.487×10-3 300 1 0.222 0.333

      表 3  夹层炸药的材料模型及状态方程参数

      Table 3.  Parameters of material model and equation of state of sandwich explosive

    • 分别对3种不同方案进行数值模拟,分析双层ERA在受到射流作用起爆后面板、背板的飞行状态,并探究飞板对射流的干扰作用;通过逃逸射流在靶板上的穿深对不同方案双层楔形飞板ERA的防护效果进行比较,得出防护效果最好的一种结构。

      双层反应装甲作用过程比较复杂,涉及飞板运动变形和碰撞、炸药爆轰等力学问题。为更准确地探究飞板在夹层炸药引爆后的运动规律,做以下假设[14]:(1)夹层炸药为瞬时爆轰,飞板初始速度垂直于飞板表面;(2)夹层炸药爆轰后,只考虑爆轰产物压力,飞板的加速度由爆轰产物压力提供;(3)飞板加速到最大速度后稳定飞行;(4)上、下两层ERA的飞板作用为完全塑性碰撞,且瞬时完成。

    • 聚能战斗部形成的聚能射流头部速度一般不低于6 km/s。射流接触ERA后,在射流前部冲击以及足够能量的作用下,ERA夹层炸药被引爆,爆轰波驱动钢板沿炸药法线方向运动。由射流侵彻双层楔形ERA的模拟结果可知,在40 μs时,射流接触ERA,此时速度为6.2 km/s,如图 5所示。

      图  5  40 μs时射流、ERA形态

      Figure 5.  Diagram of jet and ERA at 40 μs

      图 6为3种方案在聚能战斗部起爆后不同时刻ERA的变化形态。可以看出,各方案在60 μs之前,第2层反应装甲均未开始起爆。方案一和方案二中第1层反应装甲结构相同,被射流引爆后,楔形飞板在爆轰波作用下向外飞出的同时,沿逆时针方向有一定的旋转,两种方案飞板的飞行状态相似。方案三中,第1层反应装甲结构与前两种方案相反,飞板沿顺时针方向有一定的旋转,并且第1层背板已经接触第2层楔形反应装甲。

      图  6  各方案不同时刻飞板的飞行形态

      Figure 6.  Pattern diagram of flying-plate for each scheme at different times

      80 μs时,方案一和方案二中,第2层反应装甲仍然未被引爆,射流头部出现少量堆积现象,两种方案中第1层反应装甲的飞板飞行状态基本一致。方案三中,第2层反应装甲已经被引爆,并且其面板与第1层的背板相互作用,碰撞在一起,使飞板对射流作用的面积和厚度有所增加。

      120 μs时,方案一和方案二中,第1、2层反应装甲的上、下楔形飞板旋转方向均相反,第1层的背板与第2层的面板相互作用,碰撞到一起,使射流穿过的飞板厚度更大。方案一的第2层反应装甲背板对射流失去作用,第2层的面板与第1层的背板碰撞在一起,并且第1层面板的厚端旋转后作用于射流的杵体部分。方案二中,第1层反应装甲面板厚端作用于射流杵体部分,第1层背板和第2层面板碰撞在一起共同干扰射流,射流穿过后被截断,方向发生偏离。方案三中,第1层背板和第2层面板碰撞后一段时间,变形比较严重,射流穿过飞板碰撞区后被打散,方向发生明显偏离。

      综上所述,不同结构组合的双层楔形飞板ERA在引爆后,各飞板呈现不同的运动状态和作用方式,并且第2层ERA被引爆的时间不同。由于飞板两端质量不同,在受到爆轰波作用后向外飞出的速度不同,质量轻的一端高于质量重的一端,导致飞板产生一定的旋转。射流穿过ERA后,飞板沿法线方向飞出并旋转干扰射流,使射流断裂,运动方向发生较大偏移。

    • ERA飞板的运动规律对射流的防护作用具有很大的影响。由图 6射流形态可知:方案一和方案二在初始阶段对射流的作用相同,射流穿过第1层ERA后特性相似;方案三中,射流穿过第1层面板后,背板通过转动使射流沿背板内表面运动,射流消耗较大。第2层ERA成功引爆后:方案一中的射流穿过第2层面板时被截断,并且射流方向沿飞板旋转方向稍微偏离;方案三中,射流连续受到飞板厚端的作用,射流穿过第1层背板和第2层面板碰撞区后,方向明显向上偏离。120 μs时:方案一的射流前部已经被打散,断裂比较严重;方案二射流被明显分成3段,并且方向变化明显;方案三中,射流穿过第2层ERA背板,但是在第1层ERA面板的作用下,射流前部和后部明显被分割,方向发生较大的偏离。

      图 7为各方案战斗部起爆后至150 μs期间,聚能射流通过双层楔形飞板ERA后的动能变化过程。由图 7可知,50 μs之前,各方案射流动能变化几乎相同。50 μs之后一段时间,方案三射流受到第1层ERA作用的面积较大,动能下降较快。60~100 μs,方案一和方案二射流的动能下降速率相对稳定,在接触第2层ERA前受到飞板作用相同,所以动能变化相同;方案三射流动能在70 μs之前下降较快,在第1层ERA背板作用后下降速率相对较慢。120 μs时,方案二射流的动能最小,方案三最高。之后,在飞板旋转作用下,方案三射流动能以较快速率下降。

      图  7  各方案射流动能变化

      Figure 7.  Variation of kinetic energy of jetfor different schemes

      图 8为不同时刻、不同方案射流的前导速度变化曲线,其变化趋势与射流动能变化趋势一致。在飞板的影响下,前导射流速度从开始的6.2 km/s降低到1.5 km/s左右。

      图  8  不同时刻各方案射流前导速度曲线

      Figure 8.  Variation of jet velocity fordifferent schemes at different times

    • 射流穿过双层楔形飞板ERA后,受到干扰,运动形态发生改变。图 9为3种方案在160、200、260 μs时的逃逸射流形态图。

      图  9  不同时刻各方案逃逸射流形态

      Figure 9.  State of escaped jet for different schemes at different times

      图 9可知,160 μs时:方案一和方案二射流断裂比较严重,并且在穿过第2层ERA后,射流头部出现聚集现象,射流明显变粗;而方案三射流没有明显断裂,但是射流头部同样出现聚集现象。

      200 μs时:受到飞板旋转的作用,方案一和方案二射流的杵体部分方向发生严重偏移,逃逸射流出现弯曲和断裂;方案三中,逃逸射流已经接触到靶板,并且连续性相对完整。

      260 μs时:各方案射流都不同程度地对靶板进行了侵彻;方案一和方案二中射流前部已经完全进入靶板,在一定深度出现堆积现象;方案三中,逃逸射流能量较低,杵体部分还未完全穿过装甲,射流前部在靶板上开孔直径比较大。

      图 10为起爆450 μs后各方案射流对靶板侵彻深度的效果图,以无ERA干扰情况作为对照。

      图  10  450 μs靶板侵彻深度

      Figure 10.  Depth of penetration of target at 450 μs

      图 10可看出,在没有ERA干扰情况下,射流将10 cm靶板穿透。ERA干扰射流后,各方案射流均偏离装药轴线方向,其中:方案一射流侵彻靶板最深;方案三次之,但是开孔直径较大,并且开口凸起明显;方案二侵彻深度最浅。

      综上所述,双层楔形飞板ERA具有较好的防护效果。3种设计方案中,方案二的装甲结构对射流防护效果最好。聚能射流在飞板旋转的作用下,其运动方向沿旋转方向会有一定的偏移,而合理的结构能够较大程度地消耗射流能量,使射流动能及速度下降,导致其侵彻能力下降,从而干扰射流,对靶板进行防护。

    • 在典型平板装药“三明治”结构ERA的基础上,通过改变飞板的形状,设计了一种楔形飞板ERA,并设计3种方案进行数值模拟。通过分析模拟过程中飞板运动形态、逃逸射流特性以及侵彻靶板深度,得出以下结论。

      (1) 双层楔形飞板ERA在被聚能射流引爆后,由于两端质量不同,受到的爆轰波作用存在差异,在飞出的同时具有一定的旋转速度,不同旋转方式对射流阻碍效果不同。

      (2) 射流穿过ERA后,3种方案的逃逸射流表现出不同的运动情况。方案一和方案二的逃逸射流断裂严重,射流头部出现聚集现象;方案三射流没有明显被截断,但是射流方向偏移并且动能变化明显,侵彻能力下降。

      (3) 由于楔形飞板ERA的防护作用,射流对靶板的侵彻能力严重降低。方案二中射流侵彻深度最小,方案三次之,方案一中射流侵彻深度最大。

参考文献 (14)

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