EFP水下成型影响因素的数值模拟

孙远翔; 胡皓亮; 张之凡

doi:10.11858/gywlxb.20200557

EFP水下成型影响因素的数值模拟

doi: 10.11858/gywlxb.20200557

孙远翔^1,,
胡皓亮¹,
张之凡^2,*, ,

1.
北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京　100081
2.
大连理工大学船舶工程学院，辽宁大连　116024

基金项目: 国家自然科学基金青年科学基金（11802025）；爆炸科学与技术国家重点实验室自主研究课题（YBKT17-08）

详细信息

作者简介:
孙远翔（1967－），男，博士，副教授，主要从事爆轰理论研究. E-mail：sunyuanxiang002@126.com

通讯作者:
张之凡（1990－），女，博士，副教授，主要从事水下聚能装药研究. E-mail：zzf84952823@126.com

中图分类号: O389
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出版历程
- 收稿日期: 2020-05-13
- 修回日期: 2020-06-03
- 发布日期: 2020-10-25

Simulation Study on Influential Factors of EFP Underwater Forming

1.
State Key Laboratory of Explosion Science and Technology, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China
2.
School of Naval Architecture & Ocean Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, Liaoning, China

摘要

摘要: 由于密度、压力等物理量存在差异，爆炸成型弹丸（EFP）在空气和水中的成型过程差别较大。为了优化水下EFP的设计方案，利用AUTODYN有限元软件开展仿真研究，详细讨论了装药、药型罩及弹前空气域3部分共7个变量对EFP水下成型过程的影响，最终得出适合水下EFP装药的设计参数。根据仿真结果，总质量为1 kg的EFP装药优化后的设计参数：炸药长径比为1.5，炸药种类选择爆速较高的HMX，药型罩材料为紫铜，切向锥角$\alpha $为145°，壁厚$\delta $为2 mm，弹前空气域长度为3倍装药半径，起爆半径r为0.4倍装药半径。该方案对优化EFP速度、长径比及动能等有较好的效果。
- 爆炸成型弹丸 /
- 水下爆炸 /
- 数值模拟；优化设计
Abstract: Due to the difference in physical quantities such as density and pressure, the forming process of explosive formed projectile(EFP) in air and water is quite different. In order to optimize the design scheme of underwater EFP, the simulation study was carried out using AUTODYN finite element software and the specific effects of the seven variables of the charge were discussed in detail. A set of design parameters suitable for underwater EFP charge is produced. According to the simulation results, the optimized design parameters of the EFP charge with a total mass of 1 kg are: the aspect ratio of the explosive is 1.5, the type of explosive is HMX with a higher detonation speed, the material of the liner structure is copper, and the tangential cone angle is 145°, the wall thickness $\delta $ is 2 mm, the length of the air field is 3 times the charge radius, and the initiation radius r is 0.4 times the charge radius. This scheme has a good effect on optimizing EFP speed,aspect ratio and kinetic energy.
- explosive formed projectiles /
- underwater explosion /
- numerical simulation; optimized design

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图 1 总体1/2模型

Figure 1. Overall 1/2 model

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图 2 EFP装药结构

Figure 2. EFP charge structure

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图 3 不同工况单位计算量用时

Figure 3. Unit calculation time for different conditions

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图 4 不同装药长径比EFP的速度时间曲线

Figure 4. t-v curves of EFP with different L/D charges

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图 5 长径比与EFP最大速度的关系

Figure 5. Variation of L/D with v_max of EFP

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图 6 不同类型装药EFP的速度-时间曲线

Figure 6. v-t curves of EFP with different charge types

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图 7 装药种类与EFP最大速度的关系

Figure 7. Variation of v_max of EFP with charge types

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图 8 不同药型罩材料EFP的速度-时间曲线

Figure 8. v-t curves of EFP with different liner material

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图 9 药型罩材料与EFP最大速度的关系

Figure 9. Variation of v_max of EFP with liner material

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图 10 不同α值EFP的速度-时间曲线

Figure 10. v-t curves of EFP with different $\alpha $ values

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图 11 $\alpha $值与EFP最大速度的关系

Figure 11. Variation of $\alpha $ values with v_max of EFP

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图 12 不同$\alpha $值对应的EFP形状

Figure 12. EFP shapes corresponding to different $\alpha$ values

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图 13 不同$\delta $值EFP的速度-时间曲线

Figure 13. v-t curves of EFP with different $\delta $ values

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图 14 $\delta $值与EFP最大速度的关系

Figure 14. Variation of $\delta $ values with v_max of EFP

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图 15 不同L_cavity/R值EFP的速度-时间曲线

Figure 15. v-t curves of EFP with different L_cavity/R values

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图 16 L_cavity/R值与EFP最大速度的关系

Figure 16. Variation of L_cavity/R values with v_max of EFP

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图 17 不同r/R值EFP的速度-时间曲线

Figure 17. t-v curves of EFP with different r/R values

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图 18 r/R值与EFP最大速度的关系

Figure 18. Variation of r/R values with v_max of EFP

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图 19 不同r值对应的EFP形状

Figure 19. EFP shapes corresponding to different r values

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表 1 原始模型参数

Table 1. Original model parameters

Type	Material	L/D	$\alpha $/(°)	$\delta $/mm	L_cavity/R	r/R
TNT	Copper	0.5	120	2	2	0

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表 2 Polynomial方程的主要参数

Table 2. Main parameters of Polynomial equation

A₁/GPa	A₂/GPa	A₃/GPa	B₀	B₁	T₁/GPa	T₂/GPa
2.20	9.54	14.57	0.28	0.28	2.20	0

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表 3 JWL方程主要参数

Table 3. Main parameters of Polynomial equation

Type	A/GPa	B/GPa	R₁	R₂	$\omega $	$\,\rho$/kg·m⁻³	D_CJ/(m·s⁻¹)	E/(GJ·m⁻³)	p_CJ/GPa
TNT	373.77	3.75	4.15	0.90	0.35	1630	6930	6.0	21.0
B	524.23	7.68	4.20	1.10	0.34	1717	7980	8.5	29.5
PBX	581.45	6.80	4.10	1.00	0.35	1787	8390	9.0	34.0
H6	758.07	8.51	4.90	1.10	0.20	1760	7470	10.3	24.0
HMX	778.28	7.07	4.20	1.00	0.30	1891	9110	10.5	42.0

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表 4 Johnson-Cook方程的主要参数

Table 4. Main parameters of Johnson-Cook equation

Material	A/MPa	B/MPa	n	C	m
Steel	792	510	0.26	0.014	1.03
Copper	90	292	0.31	0.025	1.09
Tungsten alloy	1506	177	0.12	0.016	1.00
Tantalum	142	164	0.31	0.057	0.88

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表 5 试算工况

Table 5. Conditions of trial calculation

Case No.	Computational domain/（mm × mm）	Grid size/ （mm × mm）	Grid quantity	Case No.	Computational domain/（mm × mm）	Grid size/ （mm × mm）	Grid quantity
1	1000 × 400	0.5 × 0.5	1600000	8	600 × 240	0.2 × 0.2	3600000
2	800 × 320	0.5 × 0.5	1024000	9	600 × 240	0.3 × 0.3	1600000
3	600 × 240	0.5 × 0.5	576000	10	600 × 240	0.4 × 0.4	900000
4	500 × 200	0.5 × 0.5	400000	11	600 × 240	0.5 × 0.5	576000
5	400 × 160	0.5 × 0.5	256000	12	600 × 240	0.6 × 0.6	400000
6	300 × 120	0.5 × 0.5	144000	13	600 × 240	0.7 × 0.7	293878
7	200 × 80	0.5 × 0.5	64000	14	600 × 240	0.8 × 0.8	225000

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表 6 变量取值情况

Table 6. Summary of variable values

L/D	Type	Material	$\alpha $/(°)	$\delta $/mm	L_cavity/R	r/R
0.5–3($\varDelta $ = 0.5)	TNT	Copper	120	2	2	0
1.5	TNT/B/H6/HMX	Copper	120	2	2	0
1.5	HMX	Steel/Copper/Tantalum/Tungsten	145	2	2	0
1.5	HMX	Copper	120–160($\varDelta$ = 5)	2	2	0
1.5	HMX	Copper	145	2–6($\varDelta $ = 0.5)	2	0
1.5	HMX	Copper	145	2-6	1–4($\varDelta$ = 0.5)	0
1.5	HMX	Copper	145	2-6	2	0–0.8($\varDelta$ = 0.2)

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表 7 优化后的EFP参数

Table 7. Optimized EFP parameters

L/D	Type	Material	$\alpha $/（°）	$\delta $/mm	L_cavity/R	r/R
1.5	HMX	Copper	145	2	3	0.4

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表 8 优化前后效果对比

Table 8. Effect comparison before and after optimization

Comparison	v/(m·s⁻¹)	L/D	E_k/J	EFP shape
Before optimization	1947.7	0.39	1.50 × 10⁵
After optimization	3204.6	0.73	3.64 × 10⁵
Previous achievements^[2]	1 935.0	0.76

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