新型聚能装药球缺药型罩的优化设计

针对现代战场复杂多样的军事目标,提出一种具有多种毁伤模式的新型聚能装药战斗部,根据目标类别可选择地以最佳方式进行毁伤。采用LSDYNA-2D有限元仿真软件,对新型聚能装药进行数值模拟,探究药型罩材料、结构参数(曲率和壁厚)对新型聚能装药性能规律的具体影响,并优化设计球缺药型罩。研究结果表明:数值模拟结果与文献[17]中的试验数据有较好的一致性;新型聚能装药结构中的辅助装置,能使EFP(爆炸成形弹丸)转化成JPC(杆式射流)或JET(射流),实现了毁伤元间的转换;球缺曲率R=2D(装药直径)为新型聚能装药结构形成JPC(杆式射流)或JET(射流)的临界值。当球缺药型罩曲率R<2D(装药直径),新型聚能装药会形成JPC,球缺曲率R≥2D时,则形成JET;优化设计球缺药型罩的材料与结构参数为:球缺曲率R=2.5D、厚度h=0.033D、药型罩材料为铜。此条件下,侵彻深度S达到最大值292.1 mm,约为5倍装药直径。

钨柱破片对装甲钢的侵彻研究

研究典型柱型破片质量、着靶姿态对装甲钢的弹道极限速度(V_(50))的影响规律,可为战斗部毁伤元设计提供有效的参考数据。通过弹道冲击试验获取了长径比为1,质量5 g的钨柱在0°和90°着靶姿态下对10 mm装甲钢的V_(50)。试验得到钨柱破片纵向正侵彻10 mm装甲钢的V_(50)为745 m/s,横向正侵彻10 mm装甲钢的V_(50)为761 m/s,钨柱破片在侵彻过程中,破片被横向镦粗,破片头部受靶板挤压磨蚀,形成不规则蘑菇头状翻边。基于试验数据的单一性,通过数值模拟获取了不同着靶姿态下3种典型钨柱(3 g,5 g,8 g)对10 mm装甲钢板的V_(50),并探索了着靶姿态和破片质量对V_(50)变化的影响规律,对比试验与数值模拟结果,两者相对误差在10%左右。研究发现,不同着靶姿态下,钨柱破片侵彻装甲钢的V_(50)存在波动区间,破片纵向正着靶时V_(50)最小,破片以40°~60°着靶姿态角着靶时V_(50)最大,钨柱破片V_(50)与破片迎风面积大致呈正相关,对于3 g钨柱破片,最大V_(50)比最小V_(50)上升4.98%,5 g破片上升3.51%,8 g破片上升2.62%。随着破片质量的增加,钨柱破片穿透装甲钢的V_(50)对着靶姿态越不敏感,V_(50)波动区间越小。

双曲面陶瓷复合靶抗12.7 mm穿燃弹侵彻性能研究

为研究双曲面陶瓷复合靶抗12.7 mm穿燃弹侵彻性能,基于ANSYS/LS-DYNA动力学软件,当短轴曲率半径R 1取0.43~0.83 m,长轴曲率半径R 2取1.00~1.40 m时,对12.7 mm穿燃弹侵彻双曲面陶瓷复合靶板进行了数值模拟,获取了典型着靶点的弹道极限;着角取15°~60°时,获取了跳弹临界速度。结果表明:弹道极限从靶板中心至边缘近似于指数型提高;在R 1相同的情况下,弹道极限随R 2增大而减小;在R 2相同的情况下,弹道极限随R 1增大而减小;同一着靶点,随着着角增大,跳弹临界速度呈指数型增加;取定R 1、R 2,相同的着角下,沿X负半轴,各着靶点跳弹临界速度逐渐降低,而沿X正半轴则是逐渐增大。

一种异形罩多尾翼EFP成型及其侵彻效能研究

为获得具有良好气动外形和毁伤效果的爆炸成型弹丸(EFP),基于EFP的成型理论,提出一种可形成多尾翼EFP的异形药型罩,并通过控制变量法研究其结构参数对EFP成型形态、威力特性和气动特性的影响规律。仿真结果表明:异形罩能可靠形成尾翼EFP;对于尾翼EFP的成型,半径比影响弹丸形态的转化;厚度比影响尾翼的形成位置和大小;圆弧半径比影响翼尖位置。通过因素影响程度分析可知,对于弹丸威力特性,厚度比为主要影响因素;对于弹丸气动特性,圆弧半径比为主要影响因素。对比靶板侵彻结果,异型侵彻体对靶板的通径提高19.24%,可产生更多靶后破片。研究结论可为尾翼EFP设计提供参考依据。

双层壳体内壳外刻槽对破片成型的影响

针对破片杀伤弹内层壳体外刻槽的双层壳体结构,利用LS-DYNA有限元分析软件对比分析了内壳刻槽参数对外壳破裂成型的影响。结果表明,同种工况下,U形刻槽和梯形刻槽内壳聚能装药结构外层壳体破碎成型优于V形槽,且在刻槽角度为45°和50°工况下,内壳梯形刻槽结构使外层壳体破片总动能最大;内壳的厚度、相对刻槽深度和刻槽角度均会影响该结构外层壳体破片成型,且内壳厚度影响最大,刻槽角度次之,相对刻槽深度最小;内壳厚度在1 mm~3 mm区间内,装药结构外层壳体破碎成型效果存在最优值,且装药直径为40 mm时,内壳最佳厚度为2 mm。

立方体预制破片战斗部破片初速计算模型

为了建立立方体破片的初速计算模型,运用AUTODYN软件分析已有试验的爆炸驱动过程,将其分为爆炸产物不泄露和泄露两阶段,基于系列假设、冲量定理和修正的爆炸产物压强公式建立了全过程的立方体破片速度计算模型。该模型给出的破片初速值与试验结果吻合较好,并反映出立方体预制破片的初速还与周向破片数量及驱动过程中破片的最大周向形变量有关。

12.7 mm动能弹侵彻装甲钢板的结构响应特性研究

开展了12.7 mm制式穿燃弹冲击装甲钢板靶试验并建立数值仿真模型对试验工况进行分析计算。结果表明:由于装甲钢板的抗侵彻作用,子弹的破坏过程主要分为钢芯及弹头壳的断裂侵蚀和弹性变形2个阶段。冲击速度的变化导致应力波场的性质及作用区域发生变化,子弹钢芯破坏形态发生转变。低速冲击下,钢芯受轴向拉伸波作用场作用导致钢芯断裂;高速冲击下,钢芯受轴向冲击应力波及侧向稀疏波作用场作用导致钢芯头部断裂侵蚀,处于弹性变形阶段的钢芯局部形态较为完整。

罩顶药高影响药型罩的射流转化特性

为了给射流形成机理的深入分析及高效聚能装药结构的研究提供参考,基于分段药型罩形成射流时的杵体水回收实验,应用非线性动力学有限元软件LS-DYNA及动态示踪点处理方法研究药型罩形成射流时的材料分配关系。在数值模拟与实验结果对比有较好一致性的前提下,重点研究了无壳装药结构罩顶药高对锥形药型罩形成射流时的材料分配规律。结果表明,罩顶药高在0.2~2.0倍装药直径范围内时,等壁厚锥形药型罩形成射流时的材料分配规律均为自顶向底成指数分布。装药高度增加时,药型罩壁厚方向有更多比例的材料形成射流,而在轴向方向的材料比例不受影响。罩顶药高大于1.6倍装药直径时,射流转化率及对钢靶板穿深增幅均不明显。

多层球形预制破片战斗部破片初速场的计算模型

为描述多层球形预制破片战斗部破片的初速分布,针对典型的柱形装药的多层球形破片结构,用AUTODYN软件对其爆炸驱动过程进行数值模拟,发现每层破片的初速周向规律性波动;每层破片的平均初速外层大于内层,其差异随破片层数的增多和周向破片数的减少而增大;基于Gurney假设和冲量定理进行理论推导,结合数值模拟结果,建立了破片初速场的计算模型。该模型通过给出各层破片的平均初速及初速场的速度极值来表征初速场,其计算值与实验结果吻合较好。

对破片飞散参量计算模型的分析和评价

为确立柱形战斗部破片侧向飞散参量的可靠计算模型,结合试验数据对现有破片初速和抛射角模型进行分析和评价;总结了战斗部长径比、壳体破裂半径、空心装药结构、破片种类和偏心起爆等因素对破片初速的影响;对比了三类常用的初速轴向分布模型,表明修正的冲量模型有最好的表征效果;总结并分析了破片抛射角的三种模型,基于周培基模型构建了一种新的精度较高的破片抛射角模型。

局部复合药型罩威力性能数值模拟研究

为了探究杆式聚能射流侵彻威力的变化规律,研究基于双层复合药型罩结构,设计了一种局部双层复合药型罩结构,采用试验验证与数值模拟相结合的方法,研究了局部双层复合球缺罩结构参数对成型射流侵彻威力的影响规律。研究结果表明,局部双层复合聚能装药结构较单层药型罩可有效提高成型射流对钢锭的侵彻深度。其实质是在不改变原装药结构的前提下,根据战斗部威力指标,通过调整辅罩壁厚、圆心角结构参数改善射流整体成型形态和提高射流成型速度,可在提高侵彻深度的前提下,兼顾开孔孔径的威力要求。研究结论可为战斗部结构威力设计提供参考依据。

一种计算柱形装药壳体初速度的新方法

为了研究柱形装药爆炸驱动破片速度变化,提出了一种新的计算破片初速度的方法;运用AUTODYN软件对典型炸药不同的装填比开展爆炸力学数值模拟研究,提取其数值模拟数据并基于冲量定理进行力学分析,将推导构建出一种计算柱形装药壳体速度的新模型与斯坦诺维奇理论模型进行对比分析;研究结果表明:提出的新模型考虑到材料属性,能更好地表征壳体的速度变化,对破片初速计算研究有一定的参考意义。

低侵彻陶瓷枪弹对航空有机玻璃的侵彻性能分析

为了改善常规枪弹杀伤过剩,在9 mm手枪基础上使用陶瓷枪弹进行试验,研究了陶瓷枪弹侵彻航空玻璃,并进行了结果分析。运用LS_DYNA有限元软件,对不同速度的低侵彻陶瓷枪弹侵彻航空有机玻璃进行数值模拟,对比弹头的破碎效果和对航空有机玻璃的毁伤效果,分析低侵彻陶瓷枪弹的破碎性能和对航空有机玻璃的侵彻威力。研究结果表明:低侵彻陶瓷枪弹具有良好的破碎性能,速度对低侵彻陶瓷枪弹侵彻航空有机玻璃的毁伤效果影响很大,存在充分发挥低侵彻陶瓷枪弹能力的速度区间。

一种破片侧向飞散参量的工程计算模型

为建立柱形战斗部破片飞散参量的计算模型,考虑长径比和破片类型的影响修正Gurney公式构建了战斗部破片初速的轴向分布模型,修正Shapiro公式构建了精度较高的破片偏转角模型,所建模型计算值与实验结果吻合较好,优于现有计算模型。

数值模拟中战斗部离散化模型的快速建模

为实现战斗部离散化模型的快速生成,提出将战斗部结构分解为5类特征,用轴截面母线特征点参数化描述特征形状,自主构建相应的以代数方法为主的网格生成算法并用C++语言编制成程序,程序读取格式文件获取参数后即可快速自动生成适用于AUTODYN或LS-DYNA软件的离散化模型的网格文件。该程序作为战斗部离散化建模的专用程序在参数化建模的能力和效率上均优于TRUEGRID等通用建模软件。

复合杆式射流成型及威力性能的数值模拟及试验验证

为了阐明复合杆式射流的性能,设计了8种不同材料的复合球缺罩,包括聚乙烯/铜、铝/铜、钛/铜、铁/铜、铜/铜、钼/铜、钽/铜、钨/铜材料,并采用LS-DYNA软件对其杆式射流的成型过程进行三维数值模拟,分析了杆式射流威力性能,通过静破甲试验验证了数值模拟结果。结果表明,在保持内罩材料为紫铜的条件下,随着外罩材料密度的增大,射流整体速度减小,射流动能随外罩材料密度的增大而减小;在外罩为金属材料时,外罩材料冲击阻抗越大,内罩所受爆轰波透射压力越小,射流整体速度、射流动能随外罩冲击阻抗增大而减小;经对比发现,聚乙烯/铜复合杆式射流整体速度最高,动能最大,破甲威力较佳,铝/铜复合杆式射流次之。静破甲试验结果表明,聚乙烯/铜复合杆式射流对钢靶侵彻深度较铝/铜复合杆式射流有一定提高,与数值模拟结果一致。

着靶攻角对尾翼稳定脱壳穿甲弹侵彻性能的影响

为研究着靶攻角对尾翼稳定脱壳穿甲弹侵彻性能的影响,利用非线性动力学分析软件对脱壳穿甲弹高速斜侵彻匀质钢靶进行数值模拟,验证了脱壳穿甲弹斜侵彻半无限靶板不同阶段的作用过程。理论计算和数值模拟表明:脱壳穿甲弹以非零攻角侵彻靶板时,开坑阶段压力降低少;着靶攻角为正时,弹体向有利于穿透的一侧偏转;攻角δ等于+2°左右时,穿甲效果最佳。

包覆式双层EFP成型数值模拟

为提高爆炸成型弹丸(EFP)对目标的毁伤效应,针对典型双层球缺型药型罩EFP,运用数值模拟与理论分析的方法,对铜-铁复合双层EFP成型过程及影响包覆效果的因素进行分析。结果表明:球缺罩结构内罩采用顶厚边薄结构,外罩采用顶薄边厚结构时,可实现对内罩较好的包覆效果;所得结论:壳体厚度取值在(0.04~0.07)D之间,内、外罩曲径比取值在(1.75~2.75)D之间,装药高度取值在H>1.6D时,双层EFP速度梯度最小,包覆效果较好。

TC动能弹斜侵彻复合装甲的数值模拟分析

基于典型7. 62 mm制式弹结构,在其弹头部采用非金属TC材料,采用ANSYS/AUTODYN软件中SPH算法对陶瓷复合靶板侵彻过程进行数值模拟,分析复合装甲斜置角度对弹丸毁伤效能的影响。相比于制式弹,采用ZrO_2增韧陶瓷作为弹头材料可有效保护钢芯完整度并能提高对陶瓷复合靶的侵彻威力;随着复合靶板斜置角度的增加,TC动能弹侵彻威力及弹道准直性均优于制式弹; TC动能弹与制式弹对复合靶的弹道极限随靶板斜置角度的增加均呈指数型增加,且TC动能弹增加速率低于制式弹。

不同材料双层球缺罩侵彻特性的研究

采用数值模拟及钢靶侵彻试验两种方法研究了单层钛合金球缺罩、钛合金/铜、铝合金/铜双层球缺罩形成的3种杆式射流对45#钢锭靶板侵彻深度和开孔的问题。研究结果表明:不同材料的双层球缺罩形成的杆式射流对45#钢锭靶板的开孔孔径和侵彻深度大小均有直接影响,且钛合金/铜双层罩杆式射流破甲深度相对于铝合金/铜双层罩有一定提高,其开孔孔径明显增大。而单层钛合金药型罩杆式射流整体速度最大,开孔孔径较钛合金/铜、铝合金/铜双层罩杆式射流有明显提高,但破甲能力较低。研究结果对于武器战斗部设计具有一定的指导作用。