摘 要：本文以聚能戰(zhàn)斗部對(duì)充液防護(hù)結(jié)構(gòu)的毀傷為研究背景，運(yùn)用ANSYS/LS_dyna分析了藥型罩壁厚和材料對(duì)充液防護(hù)結(jié)構(gòu)毀傷效能的影響。結(jié)果表明：藥型罩壁厚在0.04D_k~0.06D_k之間形成的桿流對(duì)充液防護(hù)結(jié)構(gòu)具有較優(yōu)的侵徹性能，δ<0.04D_k，桿流成型結(jié)構(gòu)較差，在水中的動(dòng)能抗衰減性能較低，δ>0.06D_k，桿流初始動(dòng)能低，穿透水層后的剩余能量小，無(wú)法形成較大的后效；藥型罩可采用純鐵、紫銅和鉭3種材料，其中純鐵桿流的侵徹能力最高，鉭射流的水中動(dòng)能抗衰減性能最好，紫銅射流具有較好的綜合性能。

1.前言

多層裝甲與充液艙組合模式是現(xiàn)代常用的防護(hù)結(jié)構(gòu)，常規(guī)的水下爆破戰(zhàn)斗部很難對(duì)其造成致命性的打擊。為了高效打擊水面目標(biāo)，遂采用聚能戰(zhàn)斗部技術(shù)。現(xiàn)目前針對(duì)聚能戰(zhàn)斗部水下作用效應(yīng)的研究較少，本文主要考慮藥型罩結(jié)構(gòu)和材質(zhì)對(duì)聚能射流毀傷充液防護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。

以半球型聚能戰(zhàn)斗部為設(shè)計(jì)依據(jù)，在戰(zhàn)斗部裝藥結(jié)構(gòu)不變的條件下，通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方法研究了不同壁厚、不同罩材的藥型罩對(duì)桿射流成型效果及桿流對(duì)充液防護(hù)結(jié)構(gòu)毀傷效果的影響，得到了有利于侵徹多層充液防護(hù)結(jié)構(gòu)的藥型罩壁厚范圍和材料。

2 桿流侵徹充液防護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值計(jì)算模型

2.1 半球形聚能戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了研究桿式射流對(duì)充液結(jié)構(gòu)的毀傷機(jī)理，文中設(shè)計(jì)了一種半球形聚能裝藥戰(zhàn)斗部，結(jié)構(gòu)如圖 1所示。該戰(zhàn)斗部主裝藥采用B炸藥，裝藥直徑D_k和裝藥高度H均為5cm；藥型罩采用等壁厚的半球形結(jié)構(gòu)，外球面半徑為R，內(nèi)球面半徑為r，壁厚δ為內(nèi)外球面半徑之差，即δ=R-r，材料為紫銅；起爆點(diǎn)位于主裝藥尾部中心位置處。

圖 1 桿式射流聚能戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)

2.2充液防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所研究的充液防護(hù)結(jié)構(gòu)為金屬板和水介質(zhì)組成的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，充液防護(hù)結(jié)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)如圖 2所示。由圖可知，該結(jié)構(gòu)主要由液艙前、后壁面、后效靶、水和空氣組成，其中液艙內(nèi)的水介質(zhì)厚度為30cm，前壁面和后壁面厚度均為0.4cm，后效靶由3塊厚度均為1cm的等間距間隔鋼板組成，后壁面與后效靶之間為空氣介質(zhì)。液艙壁面和后效靶均采用45鋼。

圖 2 充液防護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

2.3數(shù)值計(jì)算模型與材料參數(shù)

運(yùn)用ANSYS/ls-dyna有限元分析軟件建立了聚能戰(zhàn)斗部對(duì)充液防護(hù)結(jié)構(gòu)侵徹的二維數(shù)值計(jì)算模型，如圖 3所示，該數(shù)值計(jì)算模型主要包含了聚能戰(zhàn)斗部、空氣和充液防護(hù)結(jié)構(gòu)，計(jì)算中聚能戰(zhàn)斗部的侵徹炸高保持1倍裝藥直徑不變。采用Euler單元描述水、空氣、炸藥和藥型罩，靶板采用Lagrange算法，Euler單元和Lagrange單元運(yùn)用流固耦合算法進(jìn)行耦合，在空氣計(jì)算域邊界添加2D非反射邊界條件，防止沖擊波在邊界處形成壓力反射現(xiàn)象。模型采用g-cm-μs單位制建立，網(wǎng)格尺寸為0.05cm。

圖 3 數(shù)值計(jì)算模型

采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型和*EOS_JWL狀態(tài)方程描述B炸藥，其材料參數(shù)如表 1所示；空氣和水均采用*MAT_NULL空白材料模型及*EOS_Gruneisen狀態(tài)方程描述，其材料參數(shù)如表 2所示；采用*MAT_Johnson_Cook模型和*EOS_Gruneisen狀態(tài)方程描述鋼板和藥型罩，具體材料參數(shù)如表 3所示。

2.4數(shù)值計(jì)算結(jié)果有效性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證文中數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了EFP水中飛行特性研究試驗(yàn)，利用文中的數(shù)值計(jì)算方法和材料參數(shù)，建立了EFP侵徹水介質(zhì)間隔靶數(shù)值模型，網(wǎng)格尺寸為0.05cm。不同時(shí)刻EFP在水中的侵徹過(guò)程對(duì)比如圖 4所示，可知數(shù)值計(jì)算結(jié)果體現(xiàn)了試驗(yàn)中觀察到的水中氣腔形態(tài)的變化過(guò)程以及EFP的破碎情況，圖 5為EFP在水中的位移時(shí)間曲線對(duì)比情況，計(jì)算誤差在11%以內(nèi)。可見(jiàn)，本文的數(shù)值計(jì)算方法以及材料模型能夠真實(shí)反映出聚能侵徹體對(duì)充液防護(hù)結(jié)構(gòu)的侵徹過(guò)程。

3 桿流對(duì)充液防護(hù)結(jié)構(gòu)毀傷機(jī)理分析

3.1桿流對(duì)充液防護(hù)結(jié)構(gòu)的侵徹過(guò)程

聚能裝藥起爆后，半球形藥型罩形成了具有一定速度梯度的桿式射流，桿流在速度的驅(qū)動(dòng)下依次對(duì)前壁面、水、后壁面和后效靶進(jìn)行了侵徹。桿流對(duì)充液防護(hù)結(jié)構(gòu)的侵徹過(guò)程中水中的壓力變化情況如圖 4所示，由圖6可知，可將桿流對(duì)充液防護(hù)結(jié)構(gòu)的侵徹過(guò)程分為4個(gè)階段，其中階段Ⅰ為桿流對(duì)前壁面的侵徹，侵徹作用在前壁面中形成了一個(gè)初始應(yīng)力波，并透射進(jìn)水介質(zhì)中；階段Ⅱ?yàn)樗橘|(zhì)侵徹階段，桿流穿透前壁面后對(duì)水介質(zhì)進(jìn)行了侵徹，在水中形成了初始沖擊波，沖擊波以射流頭部與水的接觸點(diǎn)為圓心呈半球形傳播，桿流在水中不斷向前運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，頭部附近的水被推開(kāi)，使得水介質(zhì)沿桿流入射方向的徑向運(yùn)動(dòng)形成氣腔，氣腔形狀隨時(shí)間的變化情況如圖 5所示，在桿流入水初期，氣腔呈對(duì)稱的圓錐形，隨著侵徹距離的增加，氣腔的長(zhǎng)度和直徑逐漸增加，由于桿流在侵徹過(guò)程中逐漸變得細(xì)長(zhǎng)，因此后期形成的氣腔直徑較小；階段Ⅲ為后壁面侵徹階段，此時(shí)桿流主要對(duì)后壁面進(jìn)行侵徹；階段Ⅳ為桿流侵出階段，此階段桿流已經(jīng)完全穿出液艙，并開(kāi)始對(duì)后效靶進(jìn)行侵徹穿孔，在此階段中水中氣腔不斷的膨脹，并擠壓充液結(jié)構(gòu)前后壁面，使得壁面向外側(cè)產(chǎn)生了凸起變形。

3.2桿流形態(tài)變化與動(dòng)能衰減分析

圖 6為不同時(shí)刻桿流的形態(tài)對(duì)比，可知桿流入水后在速度梯度的驅(qū)動(dòng)下逐漸拉伸變長(zhǎng)，同時(shí)由于水介質(zhì)的阻礙作用，桿流頭部發(fā)生了質(zhì)量侵蝕現(xiàn)象；在185μs時(shí)桿流的桿體和杵體發(fā)生了斷裂，隨著侵徹距離的增加，前級(jí)桿體被不斷侵蝕，長(zhǎng)度逐漸減小，但是杵體在前級(jí)桿體開(kāi)辟的水中空腔中行進(jìn)，因此其形態(tài)和速度均未發(fā)生明顯的變化。

在侵徹過(guò)程中桿流的質(zhì)量和速度是動(dòng)態(tài)變化的，因此選擇整體動(dòng)能作為桿流侵徹能力的考核指標(biāo)，桿流侵徹充液防護(hù)結(jié)構(gòu)過(guò)程中動(dòng)能隨時(shí)間的變化曲線如圖 7所示。由圖可知，桿流在30μs時(shí)以7.6kJ的初始動(dòng)能侵徹液艙前面板，隨著時(shí)間的增加，桿流的動(dòng)能逐漸衰減，桿流穿透液艙后壁面后的剩余動(dòng)能為1.7kJ，隨后桿流以1.7kJ的動(dòng)能對(duì)后效靶進(jìn)行了侵徹，最終在900μs動(dòng)能衰減為0。對(duì)桿流在水介質(zhì)中的動(dòng)能衰減曲線進(jìn)行擬合，可知桿流在水介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)其動(dòng)能近似呈指數(shù)形式衰減。

表 4為桿流在不同侵徹階段的動(dòng)能衰減統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可知桿流在前壁面侵徹階段動(dòng)能衰減速率最高，為0.1×106/kJ·s-1，分別是水介質(zhì)和后壁面侵徹階段的5.85倍和8.85倍，由于水介質(zhì)層的厚度最大，桿流在水介質(zhì)侵徹階段的動(dòng)能衰減量占初始動(dòng)能的59.6%，可見(jiàn)水介質(zhì)對(duì)桿流侵徹能力有很強(qiáng)的衰減作用。

3.3充液防護(hù)結(jié)構(gòu)壁面載荷及毀傷分析

在液艙前、后壁面與水接觸一側(cè)取壓力載荷監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)距桿流侵徹中心點(diǎn)的距離分別為2、3和4cm，壁面的壓力載荷時(shí)間曲線分別如圖 8、圖 9所示。從圖中可以看出，前壁面上的壓力具有很明顯的沖擊載荷特性，射流開(kāi)始侵徹前壁面時(shí)，壓力迅速上升到峰值，隨后壓力又逐漸下降；而后壁面的壓力載荷曲線存在著多個(gè)壓力脈沖，其中第一個(gè)壓力峰值是（100μs左右）初始沖擊波傳播形成的，經(jīng)過(guò)反射波和后續(xù)入射波的疊加又形成了數(shù)個(gè)峰值壓力，大約在250μs壓力又逐漸增加，這是因?yàn)榇藭r(shí)桿流已經(jīng)運(yùn)動(dòng)至后壁面附近，由于后壁面的阻擋作用，使得壓力載荷增加；當(dāng)桿流穿出后壁面后，壁面的壓力載荷迅速降低。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)壁面的壓力載荷具有明顯局部效應(yīng)并且前壁面載荷高于后壁面，例如前壁面中距侵徹中心2cm位置處的壓力峰值是4cm處壓力峰值的5.7倍，在距侵徹中心2cm處，前壁面的壓力峰值是后壁面壓力峰值的7.7倍。

圖 10為前后壁面的整體位移響應(yīng)曲線，當(dāng)桿流和沖擊波運(yùn)動(dòng)至液艙壁面時(shí)，壁面在較短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生位移響應(yīng)，隨著侵徹時(shí)間的增加，位移也逐漸增加，最終趨于穩(wěn)定。在整個(gè)位移響應(yīng)期間，壁面的位移主要發(fā)生在桿流穿出后壁面之后的階段，即Ⅳ階段，此階段主要是水中氣腔的膨脹響應(yīng)。可見(jiàn)，氣腔的膨脹是造成壁面變形的主要原因。

為衡量前壁面、后壁面的變形程度，以壁面中心為原點(diǎn)，厚度方向?yàn)閅軸，寬度方向?yàn)閄軸，測(cè)量壁面不同位置處的變形量。充液結(jié)構(gòu)前后壁面的變形量如圖 11所示，由變形曲線可以看出，在桿流侵徹、水中壓力和氣腔膨脹的共同作用下，壁面發(fā)生了穿孔和變形，前壁面的最大變形量為2.7cm，孔徑為1.4cm，后壁面的最大變形量為3.7cm，穿孔直徑為1.2cm。在距原點(diǎn)5.5cm半徑外的區(qū)域，壁面都向外側(cè)凸起變形，且前后壁面變形量相差不大；在半徑5.5cm范圍內(nèi)，壁面在桿流侵徹作用下產(chǎn)生了破孔，但是破孔邊緣的翻轉(zhuǎn)方向不同，前壁面破孔邊緣是向著充液結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)翻轉(zhuǎn)，而后壁面破孔邊緣是向著充液結(jié)構(gòu)外側(cè)翻轉(zhuǎn)。

4藥型罩壁厚和材料對(duì)充液防護(hù)結(jié)構(gòu)毀傷效果的影響

4.1藥型罩壁厚的影響

在藥型罩外球面半徑R=0.5Dk和裝藥結(jié)構(gòu)不變的條件下，通過(guò)改變藥型罩內(nèi)球面半徑r的大小，使藥型罩壁厚δ在0.02~0.1Dk（以0.02Dk為增量）之間變化，研究不同壁厚條件下，桿流對(duì)充液防護(hù)結(jié)構(gòu)毀傷效果的影響。

為了對(duì)比分析桿流在侵徹過(guò)程中形態(tài)的變化，將桿流與液艙前壁面外側(cè)的接觸點(diǎn)作為侵徹原點(diǎn)，對(duì)比桿流在侵徹距離Dp分別為0、15、30cm時(shí)刻的形態(tài)變化。不同壁厚條件下，桿流（為了方便表述，將圖中不同形態(tài)的聚能侵徹體統(tǒng)稱為桿流）在侵徹充液防護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)的形態(tài)變化如表 5所示，從表中可以看出隨著壁厚δ由0.02Dk增加至0.1Dk，桿流頭部初速度逐漸降低；當(dāng)藥型罩壁厚為0.02Dk時(shí)，桿流結(jié)構(gòu)呈封閉中空狀，在侵徹過(guò)程中桿流頭部出現(xiàn)了分叉現(xiàn)象，當(dāng)侵徹了30cm后，桿流的桿體部分被完全侵蝕，只剩下尾部杵體；壁厚為0.04Dk和0.06Dk時(shí)，桿流成型效果較好，在侵徹過(guò)程中，桿流被充分拉伸，當(dāng)侵徹了30cm后，桿流桿體和杵體所剩質(zhì)量較多；壁厚為0.08Dk和0.1Dk時(shí)，桿流在侵徹過(guò)程中過(guò)早斷裂，且杵體所占質(zhì)量比較大。

不同厚度藥型罩形成的桿流在穿水過(guò)程中的動(dòng)能衰減情況如圖 12所示，從圖中可以看出不同壁厚條件下，桿流在水中的動(dòng)能衰減程度不同，藥型罩厚度越小，桿流初始動(dòng)能越高，動(dòng)能衰減越快；藥型罩壁厚度越大，桿流動(dòng)能越低，動(dòng)能衰減越緩慢。可見(jiàn)，在裝藥結(jié)構(gòu)不變的情況下，適當(dāng)增加藥型罩厚度，能夠提高桿流在水中的動(dòng)能抗衰減能力。

不同藥型罩壁厚條件下，充液防護(hù)結(jié)構(gòu)前后壁面的變形量如13所示。由壁面變形量可以看出，在相同的藥型罩壁厚條件下，充液結(jié)構(gòu)后壁面的變形量均大于前壁面。隨著藥型罩壁厚的增加，前壁面、后壁面的最大變形量都逐漸降低，當(dāng)δ=0.02D_k時(shí)，前、后壁面的最大變形量分別為3.9cm、4.5cm，是δ=0.1D_k時(shí)前、后壁面最大變形量的2.3倍和1.5倍。主要由于藥型罩壁厚度越小，形成桿流的速度越大，氣腔獲得的能量越大，因此氣腔對(duì)壁面的擠壓作用越強(qiáng)。由此可見(jiàn)，在裝藥結(jié)構(gòu)不變的情況下，選擇壁厚較小的藥型罩，能夠提高充液結(jié)構(gòu)壁面的最大變形量。

表 6為桿流對(duì)壁面造成的穿孔直徑和后效穿深統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由表7可知，增加藥型罩壁厚能夠提高前壁面的穿孔直徑，當(dāng)藥型罩壁厚δ由0.02D_k增加至0.1D_k時(shí)，前壁面的破孔直徑由0.252D_k增加至1.11D_k；當(dāng)壁厚δ在0.02D_k~0.06D_k時(shí)，后壁面的穿孔直徑變化不大，直徑在0.146D_k~0.206D_k之間，δ為0.08D_k和0.1D_k時(shí)，桿流在穿過(guò)水層后已經(jīng)無(wú)法對(duì)后壁面造成穿孔破壞；通過(guò)后效靶穿深情況分析，只有δ=0.04D_k時(shí)，穿透后壁面的剩余桿流對(duì)后效靶造成0.2D_k的穿深。

綜合分析了不同壁厚條件下桿流成型效果和對(duì)充液防護(hù)結(jié)構(gòu)的毀傷效能，可知藥型罩壁厚δ在0.04D_k~0.06D_k之間形成的桿流具有較好的侵徹性能；當(dāng)δ<0.04D_k，形成的桿流結(jié)構(gòu)較差，在水中的動(dòng)能抗衰減能力較低，當(dāng)δ>0.06D_k時(shí)，桿流初始動(dòng)能較低，穿透水層后的剩余能量小，無(wú)法形成較大的后效。

4.2藥型罩材料的影響

在藥型罩壁厚為0.04Dk和裝藥結(jié)構(gòu)不變的情況下，藥型罩選用鋁、純鐵、紫銅、鉭和鎢5種材料，研究藥型罩材料對(duì)桿流成型效果以及桿流對(duì)充液防護(hù)結(jié)構(gòu)毀傷性能的影響。

不同材質(zhì)的桿流在侵徹相同距離后的形態(tài)對(duì)比情況如表 7所示，可知鋁藥型罩形成的桿流頭部密實(shí)、尾部呈空心狀結(jié)構(gòu)，鋁桿流的初速雖然較其余桿流高，但在侵徹了越10cm后就完全破碎，失去了侵徹能力；純鐵、紫銅、鉭3種藥型罩形成的桿流初始形態(tài)相近，由于純鐵的延展性較好，因此在侵徹了較遠(yuǎn)距離后，桿流的形態(tài)依舊完整；鎢藥型罩形成了頭部密實(shí)帶有大錐角尾翼的EFP，隨著侵徹距離的增加，尾翼和頭部脫離，密實(shí)的侵徹體在侵徹過(guò)程中其形態(tài)變化較小。

不同材料藥型罩形成的桿流在侵徹水介質(zhì)期間的動(dòng)能衰減時(shí)間曲線如圖 14所示，從圖中可知，隨著侵徹時(shí)間的增加，桿流動(dòng)能逐漸降低，在各自的侵徹后期，射流動(dòng)能衰減幅度均放緩。鋁射流的入水動(dòng)能最高，但是動(dòng)能衰減曲線下降速度最快；鎢射流的動(dòng)能衰減曲線斜率最低，說(shuō)明鎢射流在水中動(dòng)能抗衰減性能最好。

圖 15為不同材質(zhì)的桿流對(duì)充液防護(hù)結(jié)構(gòu)侵徹后前、后壁面的變形量對(duì)比情況，由圖可知，鋁桿流侵徹充液結(jié)構(gòu)后，前壁面的變形量為3.7cm，是鎢桿流侵徹時(shí)的2.96倍；而鋁桿流對(duì)后壁面造成的最大變形量最小，變形量為2.3cm，其余桿流對(duì)后壁面造成的變形量相差不大，在3.8~4.1cm之間。

不同材質(zhì)的桿流對(duì)壁面形成的穿孔直徑和后效靶穿深統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表 8所示，從表中可以看出桿流對(duì)前壁面造成的穿孔直徑均大于后壁面，其中鎢桿流對(duì)前壁面造成穿孔直徑最大，為0.892D_k，其次為鋁桿流，前壁面穿孔直徑為0.418D_k，純鐵、紫銅和鉭3種桿流對(duì)前壁面造成的穿孔直徑相當(dāng)，平均孔徑為0.25D_k；除了鋁桿流未對(duì)后壁面造成穿孔外，其余射流對(duì)后壁面造成的穿孔直徑相差不大，穿孔直徑在0.098D_k~0.162D_k之間。純鐵和紫銅材質(zhì)的桿流在穿透后壁面后對(duì)后效靶任然具有0.6D_k和0.2D_k的侵徹穿深能力，說(shuō)明該兩種材質(zhì)的桿流在侵徹完防護(hù)結(jié)構(gòu)后任然具有一定的毀傷能力。

通過(guò)對(duì)5種材質(zhì)藥型罩成型的桿流效果與侵徹性能分析，選用純鐵、紫銅和鉭3種材料的藥型罩，其桿流成型效果較好，在穿透充液防護(hù)結(jié)構(gòu)后任然具有一定的毀傷效能，可對(duì)艦船的內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成毀傷。

5結(jié)論

本文基于ANSYS/ls_dyna有限元分析軟件，研究了半球形聚能戰(zhàn)斗部對(duì)充液防護(hù)結(jié)構(gòu)的侵徹機(jī)理，并探討了藥型罩壁厚和材料對(duì)充液防護(hù)結(jié)構(gòu)毀傷效果的影響，得到了如下主要結(jié)論：

（1）由于水介質(zhì)的高阻性，桿式射流在水介質(zhì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中形態(tài)和動(dòng)能都不斷發(fā)生變化，桿流頭部發(fā)生了質(zhì)量侵蝕現(xiàn)象，桿體長(zhǎng)度不斷降低，其動(dòng)能在水中呈指數(shù)形式衰減。

（2）桿流侵徹充液防護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，壁面壓力具有明顯的局部載荷特性，并且前壁面壓力載荷高于后壁面；桿流對(duì)壁面主要造成了穿孔破壞，水中氣腔的膨脹是前、后壁面向外側(cè)凸起變形的主要原因。

（3）在裝藥結(jié)構(gòu)和藥型罩材質(zhì)不變的條件下，藥型罩壁厚在0.04Dk~0.06Dk之間，形成的桿流具有較好的侵徹性能，當(dāng)δ<0.04Dk時(shí)，形成的桿流結(jié)構(gòu)較差，在水中的動(dòng)能抗衰減性能較差，當(dāng)δ>0.06Dk時(shí)，桿流初始動(dòng)能較低，穿透水層后的剩余動(dòng)能小，侵徹后效低。

（4）當(dāng)裝藥結(jié)構(gòu)和藥型罩壁厚不變時(shí)，藥型罩可選用純鐵、紫銅和鉭3種材料，桿流的成型效果較好，其中鐵射流的穿深后效最大，鉭射流在水中的動(dòng)能抗衰減能力最好，紫銅射流具有良好的綜合性能。