杆式射流冲击屏蔽PBX炸药数值模拟研究

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第41卷 第9期兵器装备工程学报2020年9 月 收稿日期:2019-10-23;修回日期:2019-11-13
作者简介:李世纪(1990—),男,硕士,工程师,主要从事战斗部高效毁伤技术研究,E mail:lishiji@641.com。

【装备理论与装备技术】
doi:10.11809/bqzbgcxb2020.09.025
杆式射流冲击屏蔽PBX炸药数值模拟研究
李世纪,魏 锦
(中国船舶集团有限公司第七一三研究所,郑州 450015)
摘要:通过破片冲击起爆PBX裸炸药的数值模拟,根据Held起爆判据,确定了PBX炸药的起爆阀值。

对比分析了杆
式射流对静止屏蔽PBX炸药和高速动屏蔽PBX炸药的起爆能力。

结果显示:所采用的PBX炸药的起爆阀值v2
d约为61.25mm3/μ
s2;当弹目交汇条件一定时,与冲击静止屏蔽PBX炸药相比,射流冲击高速动屏蔽PBX炸药时,目标高速运动会使射流弯曲变形,降低射流对屏蔽PBX炸药的起爆能力;通过调整弹目交汇条件,能够实现杆式射流对高速动屏蔽P
BX炸药的可靠起爆。

关键词:杆式射流;冲击起爆;屏蔽PBX炸药;起爆阈值
本文引用格式:李世纪,魏锦.杆式射流冲击屏蔽PBX炸药数值模拟研究[J].兵器装备工程学报,2020,41(09):135-138,143.
Citationformat:LIShiji,WEIJin.NumericalSimulationonImpactingInitiationCoveredPBXbyRod TypeJet[J].JournalofOrdnanceEquipmentEngineering,2020,41(09):135-138,143.中图分类号:TJ55
文献标识码:A
文章编号:2096-2304(2020)09-0135-04
NumericalSimulationonImpactingInitiationCoveredPBX
byRod TypeJet
LIShiji,WEIJin
(The713thResearchInstituteofChinaStateShipbuildingCorporationLimited,Zhengzhou450015,China)
Abstract:BasedonHeld’scriterion,theinitiationthresholdofPBXwasobtainedbythenumericalsimulationonimpactinginitiationoffragmenttobarePBX.Theinitiatingabilityoftherod typejetimpactingonstaticcoveredPBXorthehigh speedmovingcoveredPBXwasanalyzed.Theresultsshow
thattheinitiationthresholdofthePBXisabout61.25mm3/μ
s2
.Whentheprojectile targetencounterconditionsarefixed,comparedwithimpactingonstaticcoveredPBX,thetargetmovingatahighspeedcanbendthejet,whichweakenstheinitiatingabilityoftherod typejetimpactingoncoveredPBX.Theinitiatingabilityoftherod typejetimpactingonthehigh speedmovingcoveredPBXcanbeimprovedbyadjustingtheprojectile targetencounterconditions.
Keywords:rod typejet;impactinitiation;coveredPBX;initiationthreshold
现代高技术武器的自身防护能力越来越强,比如美国的
GBU37钻地弹[1]
,战斗部壳体采用高强合金制成,壳体侧壁
厚约为4
5mm,接近地面时存速约为450m/s,而且装药采用了钝感PBX炸药[2]。

利用破片或射弹起爆该种来袭战斗部
难度非常大,将聚能射流作为防空反导战斗部毁伤元已受到
广泛关注[3-4]。

聚能战斗部具有定向高动能和高穿深特性,
利用射流瞬间穿透来袭目标战斗部壳体,依靠射流剩余能量起爆壳体内装药,使来袭目标战斗部起爆解体。

但是现有研
究主要为聚能射流冲击静止带壳装药[
5-6]
,对冲击高速动目标的研究甚少。

杆式射流[7-8]
既有普通聚能射流速度高、侵
彻能力强的特征,也有爆炸成型弹丸的药型罩利用率高、大炸高性能好的特征,因而杆式射流具有良好的应用前景。

本文采用非线性有限元LS DYNA数值仿真软件,模拟研究球缺罩杆式射流对高速动屏蔽PBX炸药的冲击起爆能力,为末端防空反导聚能战斗部设计提供研究依据。

1 有限元模型
各材料之间通过流固耦合算法实现相互作用,其中破片、聚能战斗部壳体、屏蔽板及被发炸药采用拉格朗日算法;聚能战斗部装药、药型罩及空气采用ALE算法。

网格单元选用SOLID164八节点六面体单元,利用TureGrid前处理软件建模。

药型罩以及聚能战斗部壳体材料分别为紫铜和45#钢,主要材料参数如表1所示,材料模型为Johnson Cook模型,状态方程为Gruneisen状态方;破片和屏蔽板材料为45#钢,材料模型为Plastic Kinematic模型;聚能战斗部装药为8701炸药,采用高能炸药燃烧模型和JWL状态方程,密度约1.72
g/cm3
,爆速为8425m/s,爆压为29.95GPa;被引发炸药为
PBX炸药,采用弹塑性力学模型和点火与增长模型作为状态
方程,密度约1.84g/cm3
,数值计算所用参数来自文献[9];
空气材料模型选用N
ull材料模型,状态方程选用LinearPoly nomial,空气密度取1.293×10-3g/cm3。

表1 紫铜和45#钢的主要材料参数材料紫铜45#钢密度/(g·cm-3)8.967.83剪切模量/GPa47.781.8屈服强度/GPa
0.12
0.335
2 仿真结果及分析
2.1 PBX炸药起爆阈值研究
对于裸装炸药的冲击起爆,国内外学者进行了大量研
究,其中较著名的是Held起爆判据v2d=Gk
[10-12]
,式中:v和d分别表示破片的速度和直径;Gk为起爆临界作用的特征值,主要与炸药性质有关。

当破片的条件满足该临界判据,表示被发炸药达到了起爆的临界条件。

本文首先通过破片冲击起爆PBX炸药数值模拟研究,确定所采用的PBX炸药的起爆阀值,为下文研究做铺垫。

数值模型如图1所示,破片材料为45#钢,柱状平头:直径20mm,长度20mm。

破片速度及计算结果如表2
所示。

图1 破片冲击起爆仿真数值模型示意图表2 不同速度的破片冲击PBX炸药仿真结果破片速度v2d/(mm3·μs-2

炸药响应150045.00未爆162552.81未爆168856.99未爆1720
59.17未爆173560.20未爆175061.25爆炸2000
80.00
爆炸
在破片冲击PBX炸药过程中,选取观测点以观测冲击起爆过程中炸药内部的压力变化情况,如图2所示。

当破片以1735m/s速度冲击PBX炸药时,炸药内部最大压力远低于PBX炸药爆轰压力;当破片速度大于1750m/s时,炸药内部压力峰值接近30GPa。

图2 炸药内部观测点部位压力变化曲线
图3、图4分别为破片以不同速度冲击PBX炸药时炸药压力云图和爆轰波传播速度云图,从图中可以看出压力峰值分布在波阵面上且从起爆点向外扩张,当破片以1750m/s速度冲击被发炸药,炸药压力峰值为27.96GPa,爆轰波传播速度达到了7960m/s,均大于文献[9]中提到的PBX炸药的爆轰压力和爆轰波传播速度,显然此时P
BX
炸药已被起爆。

图3 PBX炸药的压力云图

31兵器装备工程学报http://scbg.qks.cqut.edu.cn/
图4 PBX炸药爆轰波传播速度云图
通过上述分析,得到了仿真所采用的PBX炸药的起爆
阀值v2d约为61.25mm3/μ
s2。

2.2 球缺罩杆式射流冲击屏蔽PBX炸药研究
本文以GBU37钻地弹为假想目标,研究杆式射流对GBU37钻地弹的冲击起爆特性,数值模拟时采用45#屏蔽板+PBX炸药的组合来模拟GBU37钻地弹战斗部装药结构。

由于钻地弹头部壁厚远大于侧壁厚度,因而对来袭钻地弹目标进行侧向攻击是更为可行的毁伤方式。

数值模型如图5所示,由聚能战斗部、空气、屏蔽板和被发PBX炸药组成。

模型几何尺寸为:聚能战斗部药柱直径为6
6mm,装药高度为132mm;球缺罩口部直径为66mm,罩高为3
8mm;炸高为330mm;聚能装药采用后端中心单点起爆。

根据公式:h=h0δ0δ(其中h为等效靶板厚度,h0为原靶板厚度,δ0为原靶板的强度极限,δ0为等效靶板的强度极限。

)GBU37钻地弹壳体厚度45mm,抗拉强度为1380MPa,
45#钢抗拉强度极限为685MPa[1],计算得等效45#钢屏蔽板
厚度为90mm。

图5 球缺罩杆式射流冲击屏蔽PBX炸药数值模型2.2.1 球缺罩杆式射流冲击静止屏蔽PBX炸药研究
为与冲击高速动屏蔽PBX炸药做对比,首先模拟了杆式射流垂直冲击静止屏蔽PBX炸药的过程,如图6所示。

从图6可以看出,射流垂直穿过屏蔽板,穿孔竖直,并且PBX炸药出现了明显爆轰现象。

测算得射流穿透屏蔽板后
头部速度约为16
90m/s,头部直径约为31mm,则v2
d约为88.54mm3/μ
s2
,大于该PBX
炸药的起爆阀值。

图6 射流垂直冲击静止屏蔽PBX炸药过程示意图
图7为PBX炸药压力云图和爆轰波传播速度云图,可以看出炸药内部压力达到了40.4GPa,爆轰波传播速度达到了7192m/s,印证了PBX
炸药被起爆。

图7 PBX炸药压力云图和爆轰波传播速度云图2.2.2 球缺罩杆式射流垂直冲击高速动屏蔽PBX炸药研究
由于GBU37钻地弹接近地面时存速约为450m/s,所以针对该目标,本文将屏蔽板和PBX炸药的速度设定为450m/s进行研究。

杆式射流垂直冲击高速动屏蔽PBX炸药的过程如图8
所示。

图8 射流垂直冲击高速动屏蔽PBX炸药过程示意图 从图8可以看出射流在侵彻屏蔽板过程中,屏蔽板横向

31李世纪,等:杆式射流冲击屏蔽PBX炸药数值模拟研究
运动对射流产生了切割作用,射流穿透屏蔽板后未出现PBX炸药爆轰现象。

通过测算得射流穿透屏蔽板后头部速度约
为1370m/s,头部直径约为18mm,则v2d约为33.78mm3/μ
s2
,小于P
BX炸药的起爆阀值。

而且从图9可以得到PBX炸药内部压力仅为108.7MPa,未到达PBX炸药爆轰压力。

所以射流垂直冲击高速动屏蔽P
BX炸药时不能起爆PBX
炸药。

图9 射流垂直冲击高速动屏蔽PBX炸药的压力云图2.2.3 球缺罩杆式射流斜向冲击高速动屏蔽PBX炸药研究
由上述分析可知目标横向高速运动会严重影响射流的毁伤能力,射流垂直冲击目标时,受目标横向运动影响最为严重,那么在其他弹目交汇条件下,该聚能战斗部对高速动屏蔽PBX炸药的起爆效果又如何呢?在此,选取射流与目标运动方向夹角分为60°和120°两种弹目交汇条件时,进行射流冲击高速动屏蔽PBX炸药研究,冲击过程如图10
所示。

图10 射流斜向冲击高速动屏蔽PBX炸药过程示意图 由图10可得,射流与目标运动方向夹角为60°时,射流穿透屏蔽板后未出现PBX炸药爆轰现象,且测算得射流穿透屏蔽板后头部速度约为1149m/s,头部直径约为24mm,则v2
d约为31.68mm3
/μs2
,小于该PBX炸药起爆阀值,不能起爆PBX炸药;而射流与目标运动方向夹角为120°时,射流穿透屏蔽板后出现了明显的PBX炸药爆轰现象,且测算得射流穿透屏蔽板后头部速度约为1
748m/s,头部直径约为18mm,因为此时射流与目标为相向碰撞,相互冲击时存在速度叠加,所以射流冲击PBX炸药的速度应为射流头部速度与目标速度在射流运动方向上分量之和,速度值约为
1973m/s,则v2d约为70.1mm3/μ
s2
,大于该PBX炸药起爆阀值,PBX炸药能被起爆。

图1
1为PBX炸药内部压力云图和爆轰波传播速度云图,可以看出:射流与目标运动方向夹角为60°时,PBX炸药内部压力仅为133.9MPa;射流与目标运动方向夹角为120°时,炸药内部压力达到了39.9GPa,爆轰波传播速度达到了7267m/s,印证了PBX
炸药被起爆。

图11 PBX炸药压力云图和爆轰波传播速度云图
3 结论
1)采用非线性有限元LS DYNA软件进行数值模拟,根据Held起爆判据,通过破片冲击起爆PBX裸炸药,确定了仿
真所采用PBX炸药的起爆阀值v2d约为61.25mm3/μ
s2。

2)在一定的弹目交汇条件下,与冲击静止屏蔽PBX炸药相比,射流冲击高速动屏蔽PBX炸药时,目标高速运动会切割射流,使射流弯曲变形,降低了射流对屏蔽PBX炸药的起爆能力。

3)通过调整弹目交汇条件,能够实现杆式射流对高速动屏蔽PBX炸药的可靠起爆。

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(下转第143页)

31兵器装备工程学报http://scbg.qks.cqut.edu.cn/
后的曲线槽(即正弦型加速度凸轮曲线)其闩体滚轮与曲线槽接触力的大小和自动机驱动功耗的大小显著降低,动力学性能得到明显改善。

4 结论
在已知约束条件下建立了正弦型加速度优化凸轮曲线方程;利用多刚体动力学理论和动力学仿真软件对航炮实际曲线槽进行动力学性能对比,可以看出相比于自动机实物样机的曲线槽,正弦型加速度凸轮曲线槽显著降低自动机的驱动力矩的大小、滚轮与上下曲线槽的接触力大小,使自动机的动力学性能得到明显改善,为后续航炮自动机的研发提供理论支持。

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科学编辑 杨洋博士(北京航空航天大学博导)
责任编辑 
檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶
周江川
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科学编辑 魏继锋博士(北京理工大学副教授)
责任编辑 周江川



李 利,等:自动机凸轮曲线动力学性能改进。

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