作品賞析（4）| 桿式射流對充液防護結構的毀傷機理及影響因素數值仿真研究

[ 摘 要 ]   本文以聚能戰斗部對充液防護結構的毀傷為研究背景，運用Ansys LS-dyna分析了藥型罩壁厚和材料對充液防護結構毀傷效能的影響。結果表明：藥型罩壁厚在0.04Dk~0.06Dk之間形成的桿流對充液防護結構具有較優的侵徹性能，δ<0.04Dk，桿流成型結構較差，在水中的動能抗衰減性能較低，δ>0.06Dk，桿流初始動能低，穿透水層后的剩余能量小，無法形成較大的后效；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，鉭射流的水中動能抗衰減性能最好，紫銅射流具有較好的綜合性能。

多層裝甲與充液艙組合模式是現代常用的防護結構，常規的水下爆破戰斗部很難對其造成致命性的打擊。為了高效打擊水面目標，遂采用聚能戰斗部技術。現目前針對聚能戰斗部水下作用效應的研究較少，本文主要考慮藥型罩結構和材質對聚能射流毀傷充液防護結構的影響。以半球型聚能戰斗部為設計依據，在戰斗部裝藥結構不變的條件下，通過數值計算的方法研究了不同壁厚、不同罩材的藥型罩對桿射流成型效果及桿流對充液防護結構毀傷效果的影響，得到了有利于侵徹多層充液防護結構的藥型罩壁厚范圍和材料。

2.1數值計算模型

為了研究桿式射流對充液結構的毀傷機理，文中設計了一種半球形聚能裝藥戰斗部，結構如圖 1所示。該戰斗部主裝藥采用B炸藥，裝藥直徑Dk和裝藥高度H均為5cm；藥型罩采用等壁厚的半球形結構，外球面半徑為R，內球面半徑為r，壁厚δ為內外球面半徑之差，即δ=R-r，材料為紫銅；起爆點位于主裝藥尾部中心位置處。

圖 1 桿式射流聚能戰斗部結構

本文所研究的充液防護結構為金屬板和水介質組成的多層復合結構，充液防護結構的具體結構如圖 2所示。由圖可知，該結構主要由液艙前、后壁面、后效靶、水和空氣組成，其中液艙內的水介質厚度為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。液艙壁面和后效靶均采用45鋼。

圖 2 充液防護結構示意圖

運用Ansys LS-dyna有限元分析軟件建立了聚能戰斗部對充液防護結構侵徹的二維數值計算模型，如圖 3所示，該數值計算模型主要包含了聚能戰斗部、空氣和充液防護結構，計算中聚能戰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單元運用流固耦合算法進行耦合，在空氣計算域邊界添加2D非反射邊界條件，防止沖擊波在邊界處形成壓力反射現象。模型采用g-cm-μs單位制建立，網格尺寸為0.05cm。

圖 3 數值計算模型

采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型和*EOS_JWL狀態方程描述B炸藥；空氣和水均采用*MAT_NULL空白材料模型及*EOS_Gruneisen狀態方程描述；采用*MAT_Johnson_Cook模型和*EOS_Gruneisen狀態方程描述鋼板和藥型罩。

2.2計算結果準確性驗證

為了驗證文中數值計算結果的準確性，進行了EFP水中飛行特性研究試驗，利用文中的數值計算方法和材料參數，建立了EFP侵徹水介質間隔靶數值模型，網格尺寸為0.05cm。不同時刻EFP在水中的侵徹過程對比如圖 4所示，可知數值計算結果體現了試驗中觀察到的水中氣腔形態的變化過程以及EFP的破碎情況，圖 5為EFP在水中的位移時間曲線對比情況，計算誤差在11%以內。可見，本文的數值計算方法以及材料模型能夠真實反映出聚能侵徹體對充液防護結構的侵徹過程。