Damage of a large-scale reinforced concrete wall caused by an explosively formed projectile(EFP)

To quickly break through a reinforced concrete wall and meet the damage range requirements of rescuers entering the building,the combined damage characteristics of the reinforced concrete wall caused by EFP penetration and explosion shock wave were studied.Based on LS-DYNA finite element software and RHT model with modified parameters,a 3D large-scale numerical model was established for simulation analysis,and the rationality of the material model parameters and numerical simulation algorithm were verified.On this basis,the combined damage effect of EFP penetration and explosion shock wave on reinforced concrete wall was studied,the effect of steel bars on the penetration of EFP was highlighted,and the effect of impact positions on the damage of the reinforced concrete wall was also examined.The results reveal that the designed shaped charge can form a crater with a large diameter and high depth on the reinforced concrete wall.The average crater diameter is greater than 67 cm(5.58 times of charge diameter),and crater depth is greater than 22 cm(1.83 times of charge diameter).The failure of the reinforced concrete wall is mainly caused by EFP penetration.When only EFP penetration is considered,the average diameter and depth of the crater are 54.0 cm(4.50 times of charge diameter)and 23.7 cm(1.98 times of charge diameter),respectively.The effect of explosion shock wave on crater depth is not significant,resulting in a slight increase in crater depth.The average crater depth is 24.5 cm(2.04 times of charge diameter)when the explosion shock wave is considered.The effect of explosion shock wave on the crater diameter is obvious,which can aggravate the damage range of the crater,and the effect gradually decreases with the increase of standoff distance.Compared with the results for a plain concrete wall,the crater diameter and crater depth of the reinforced concrete wall are reduced by 5.94%and 9.96%,respectively.Compared to the case in which the steel bar is not hit,when the EFP hit one steel bar and the intersection of two steel bars,the crater diameter decreases by 1.36%and 5.45%respectively,the crater depth decreases by 4.92%and 14.02%respectively.The EFP will be split by steel bar during the penetration process,resulting in an irregular trajectory.

STUDY ON EFP PENETRATION SIMULATION LAW

This paper analyses the geometrical analogue rules of explosively formed projectile (EFP) penetrating armours with the help of similarity theory, and establishes EFP penetrating armour simulation law. Based on the simulation law established here, prototype experiments and model experiments with the simulation ratio of 1.33 are designed, and the penetrating armour experiments with 45 # carbon steel plates are separately conducted. By means of data processing of experimental results, it is concluded that EFP penetrating armour simulation law established is tenable.

Analysis of the mass of behind-armor debris generated by RHA subjected to normal penetration of variable cross-section EFP

Analyzing the mass of behind-armor debris (BAD) generated by Rolled Homogeneous Armor (RHA) subjected to normal penetration of variable cross-section Explosively Formed Projectile (EFP) is the purpose of this paper. So theoretical analysis, numerical simulation and experimental data are combined to analyze the influence of variable cross-section characteristic on the time history of crater radius. Moreover the relationships between time history of crater radius (as well as mass of BAD) and the thickness of RHA (from 30mm to 70 mm) and the impact velocity of EFP (1650 m/s to 1860 m/s) are also investigated. The results indicate that: 1) being compared to the variable cross-section characteristic is ignored, the theoretical time history of crater radius is in better agreement with the simulation results when the variable cross-section characteristic is considered;2) being compared to the other three conditions of plug, the theoretical mass of BAD is in the best agreement with the simulation results when the shape of plug is frustum of a cone and the angle between generatrix and bottom is 45- and the axial length of mushroom is considered.

偏心药型罩在D型装药中的设计及成型性能研究

为改进整体式多爆炸成型弹丸(Multiple Explosively Formed Projectile,MEFP)战斗部中位于边缘位置处的药型罩口部闭合较差的问题,设计一种沿周向壁厚不同的偏心药型罩。将该药型罩应用于D型装药结构战斗部中,通过理论分析以及数值仿真方法,针对药型罩较厚一侧朝向和偏心距大小对药型罩成型的影响规律进行研究,开展爆炸成型弹丸(Explosively Formed Projectile,EFP)软回收试验。研究结果表明:偏心药型罩较厚侧朝向及偏心距大小对EFP各方向速度基本无影响,对EFP成型效果影响较大;药型罩较厚侧朝向战斗部中心时成型效果最佳;偏心距的大小能够调整药型罩周围微元向中心压合的速度差,改善药型罩口部包合情况;试验中回收到的EFP成型结果与仿真结果吻合度较高;偏心药型罩通过调整药型罩壁厚与爆轰波强度的匹配关系能够改善非对称爆轰下EFP的成型,有效解决D型装药结构MEFP战斗部位于边缘位置处药型罩成型较差的问题,为整体式MEFP战斗部边缘位置处药型罩结构设计提供参考。

单尾裙式EFP超音速气动特性及飞行稳定性研究

飞行稳定性对爆炸成型弹丸(EFP)的存速能力和着靶姿态有直接显著的影响,进而影响EFP远距离飞行后的侵彻威力。为了获得低阻且飞行稳定的EFP构型,针对超音速(马赫数为4~7)飞行的单尾裙式EFP,数值研究了结构参数(尾裙角为0°~25°、尾裙长与总长之比为0.2~0.7、长径比为3~7、实心长与总长之比为0.2~1)对EFP的升力系数、阻力系数、静稳定储备量等气动参数的影响规律。结果表明:升力系数、阻力系数与尾裙角、尾裙长和长径比均呈正相关。静稳定储备量与尾裙角和长径比均呈正相关,随尾裙长的增大,其先增大后减小。实心长对EFP的升力系数、阻力系数和压心位置几乎无影响,但实心长通过改变EFP质心位置进而影响静稳定储备量。当尾裙角为20°、尾裙长与总长比为0.265、实心长与总长比为0.755及长径比为5时,单尾裙EFP结构兼具较低的阻力和良好的飞行稳定性。探究了马赫数和攻角对该型EFP的升阻力系数和静稳定储备量的影响规律,结果表明:马赫数越大,阻力系数越小;攻角越大,阻力系数和静稳定储备量越大。研究结果从空气动力学角度为具有高侵彻性能EFP战斗部的设计提供参考。

杆式EFP侵彻特性及其影响因素研究

针对杆式爆炸成型侵彻体(Explosively formed penetrator, EFP)的侵彻能力问题,利用数值仿真手段开展杆式EFP侵彻特性研究,分析杆式EFP成型形态、着靶速度及材料特性对其侵彻能力的影响,得到杆式EFP成型特征参数在侵彻过程中的影响规律。研究结果表明:杆式EFP在侵彻过程中,除初始阶段(碰撞后)和最后阶段(杆侵蚀后)外,弹体保持恒定速度运动,满足恒速杆假设;稳定侵彻时,随着密实部长度的逐渐减小,中空尾裙部材料不断流入密实部补充其侵蚀损失。增加弹体长度可以在一定程度上提高EFP的侵彻能力,但归一化侵彻深度下降;提高着靶速度和密实部长度可以显著提升杆式EFP侵彻性能。杆式EFP的强度对侵彻的影响有限,但靶体强度不可忽略,弹靶材料密度是影响侵彻体侵彻的主要因素。

形成串联爆炸成型弹丸的组合药型罩结构参数研究

为了提高聚能战斗部对水中目标的毁伤威力,提出形成串联爆炸成型弹丸(Explosively Formed Projectile,EFP)的组合药型罩战斗部结构。利用平板抛掷和圆筒压垮公式建立组合药型罩EFP速度分析模型,并使用AUTODYN-2D软件对EFP成型和入水毁伤过程进行数值模拟,研究组合药型罩结构参数对串联EFP成型的影响,证明其在水中高效的侵彻性能。研究结果表明:理论与数值模拟计算得到的EFP速度基本吻合,最大误差不超过10%;组合药型罩分离形成串联EFP是由于内外罩不同的材料和结构组合使罩微元从接触面处开始形成较大的速度差所引起的;随着内罩直径的增大,内外罩形成的EFP速度同时减小,长径比分别增大与减小;单独增大内外罩外曲率半径与罩顶壁厚,对应罩成型的EFP性能变化规律和单一药型罩相同,但另一罩成型EFP的长径比均减小或分别减小与增大,速度变化幅度较小;组合药型罩串联EFP侵彻4倍装药直径的水后,动能衰减率较双层药型罩降低21.55%,剩余速度提高5.77%,且随着侵彻距离的增加该差距进一步扩大。

爆炸成型弹丸侵彻不同材料靶板后效破片特性试验研究

为研究靶板材料性能对爆炸成型弹丸(Explosively Formed Projectile,EFP)侵彻靶后破片特性的影响,开展EFP侵彻不同材料靶板(Q235钢、45号钢、装甲钢、2A12铝)后效破片特性试验,采用X光摄影方法观测靶后破片云形态及膨胀尺寸,通过布置多层纤维板获得破片散布特性,并对靶后破片进行回收。研究结果表明:在靶板密度一定的情况下,靶板强度主要影响破片云轴向膨胀能力,对径向膨胀能力影响很小;靶后破片环形毁伤区的飞散角位于20°~25°范围内差别不大,但是靶板背面出口崩落会造成靶后破片飞散角出现极大值,随着钢靶强度的增大,靶后破片径向散布增强,破片总数减小,但是大质量段钢破片数量增多;不同强度钢靶产生的钢破片平均尺寸满足Kipp等提出的基于材料流动应力的碎片尺寸模型。

多弹丸协同冲击下柱壳装药响应特性数值模拟及试验

为探究多弹目交汇条件下多爆炸成形弹丸(Multiple Explosively Formed Projectiles, MEFP)协同冲击柱壳装药响应特性,在冲击起爆试验基础上,采用理论计算和数值仿真相结合的方式,开展不同密集度MEFP群束协同冲击柱壳装药的响应特性分析研究。实验结果表明:MEFP群束密集度λ及柱壳壁厚h均会对响应特性产生影响;当λ相同时起爆用时t随h增大而同步增加,3种壁厚起爆用时分别增大2.00、2.50、1.88倍,当λ为8和5.33时,起爆用时t随h呈线性增长规律;当h相同时起爆用时t随λ减小同步增加,4种密集度MEFP群束起爆用时分别增大2.66、3.60、3.25、2.50倍,且当柱壳壁厚h为13 mm时起爆用时t随λ同样呈线性变化规律。MEFP群束对柱壳装药的协同增强作用在h为13 mm时发生分化,当λ为16和8时,MEFP群束对目标的冲击起爆用时均早于任意单EFP作用,最多分别提前约41.22%、8.61%,协同增强作用明显;当λ为4时,MEFP群束对柱壳装药起爆能力逐渐与单EFP趋同,协同增强作用减弱。

侵彻弹体尖卵形头部形状对偏转力矩的影响

针对尖卵形头部弹体斜侵彻多层靶时弹道发生偏转的问题,建立了着重分析尖卵形头部形状系数对头部侵彻时产生的偏转力矩影响的理论计算模型和试验研究方法,提出了头部侵彻阻心位置,计算了头部偏转力矩在一定侵彻条件下随头部形状系数的变化规律。结果表明,偏转力矩随形状系数变化存在拐点,拐点前偏转力矩随形状系数增大而增大,拐点后偏转力矩随形状系数增大而减小;弹体半径和着角增大,偏转力矩随形状系数变化的幅度上升;侵彻速度增大,偏转力矩随形状系数变化的幅度下降;弹体头部侵彻仰靶时产生“抬头”偏转力矩,侵彻俯靶时产生“低头”偏转力矩。

聚能装药水下爆炸冲击波和侵彻体载荷作用时序研究

聚能装药水下爆炸过程中会产生高速聚能侵彻体和强间断冲击波等多种毁伤元。由于聚能侵彻体和冲击波的作用时间接近,且聚能装药水下爆炸作用时序的理论并不完善,因而认识两者的作用时序对聚能型战斗部作用下舰船结构的毁伤研究具有重要意义。首先,基于接触爆炸理论和牛顿第二定律,推导药型罩压垮后加速度和速度公式的基本形式。随后,基于欧拉控制方程,建立聚能装药空中和水下爆炸数值模型,得到装药和药型罩交界面处压力时程曲线,定量地确定药型罩压垮的加速度和速度公式,通过理论公式可解决不同炸高下聚能侵彻体和直达冲击波先后到达目标的问题。为了验证理论公式的可靠性,讨论了空气域长度为5倍装药半径时的复杂工况,数值模拟结果和理论推导结果基本一致:当空气域长度为5倍装药半径时,炸高在3倍装药半径之外,冲击波先于侵彻体。提出了药型罩压垮的加速度和速度理论公式的形式和求解聚能侵彻体和冲击波作用时序问题的思路,为分析聚能装药水下爆炸聚能侵彻体和冲击波的作用时序提供了理论依据。

活性/金属串联爆炸成型弹丸侵爆耦合毁伤行为

为提升爆炸成型弹丸(EFP)对目标的综合毁伤效应,提出一种活性/金属复合球缺药型罩聚能装药结构,其复合药型罩包括内层紫铜药型罩和外层活性药型罩,外层活性药型罩由质量配比73.5%/26.5%的聚四氟乙烯(PTFE)/Al含能粉体经冷压、烧结制备而成。采用静爆实验研究活性/金属串联EFP对间隔靶的侵爆耦合毁伤行为。研究结果表明:活性/金属串联EFP对间隔靶既产生了有效的侵彻作用,也能在靶间发生类爆轰反应,提高对间隔靶的毁伤效应;活性/金属串联EFP对间隔靶的侵彻层数和开孔直径显著受厚度影响,随间隔靶前两层厚度从10 mm增加至20 mm,贯穿总层数从6层降至3层,开孔直径也明显减小;采用SPH算法,仿真发现活性/金属复合药型罩在聚能作用下形成了紫铜EFP在前,活性EFP部分嵌入前驱紫铜EFP内的复合侵彻体;通过反应延迟时间引入和材料模型转换,数值模拟进一步揭示了尾随活性EFP类爆轰反应引发前驱紫铜EFP膨胀,导致开孔直径扩大而侵彻能力下降的作用机理。

两种结构药型罩对MLEFP成型及毁伤效能的影响研究

为提高爆炸成型弹丸(EFP)的毁伤效能与拦截概率,衍生了一种新型破甲战斗部—线性周向爆炸成型弹丸(MLEFP),为提高药型罩的毁伤效能,对药型罩进行结构优化,设计出变壁厚球缺形药型罩与变壁厚大锥角形药型罩。利用Autodyn软件对两种结构的药型罩的成型过程进行数值模拟,并通过试验验证变壁厚大锥角形药型罩的毁伤能力。结果表明,在爆炸载荷的作用下,周向MLEFP装药结构可以形成具有一定速度和长度的闭合的线性爆炸成型弹丸,可以实现近距离拦截和引爆来袭导弹、毁伤轻型装甲的目的;当药型罩采用大锥角形结构时,其头部速度明显高于球缺形结构,毁伤效能更好。

侵彻单层靶时着靶姿态对装药损伤的影响规律研究

为研究着靶姿态对高速侵彻弹装药损伤的影响,依据实际战斗部的结构尺寸设计了小尺寸模型试验弹,在125 mm口径的滑膛炮发射平台上开展了试验弹以不同攻角斜侵彻单层钢靶试验。通过理论计算得到着靶姿态对侵彻过程能量损失的影响。利用CT扫描无损检测技术观测不同着靶姿态下试验弹内部的损伤情况。运用LS-DYNA对试验弹侵彻钢靶过程中装药的力学响应过程进行模拟计算。结果表明:在斜侵彻单层钢靶的过程中,着角一定时,能量损耗与攻角呈指数关系;试验弹的倾角越大,装药尾部受到的应力波拉伸压缩反复作用越明显,装药在侵彻过程中长度变化越大,更易出现深度裂纹、塌边等损伤;壳体外形变化会引起装药受到的压缩应力阻碍微裂纹的扩展和滑移,减少宏观损伤的出现。

EFP构型对其气动特性和侵彻性能影响分析

为综合分析爆炸成型弹丸(explosively formed projectile,EFP)的构型对其气动特性和侵彻性能的影响,实现兼具良好气动特性和侵彻性能的EFP设计。开展了EFP的成型和飞行试验,在试验验证数值有效性的基础上,基于任意拉格朗日欧拉(arbitrary Lagrange-Euler,ALE)算法分析了后翻型EFP的三种典型构型(实心杆状、小空腔状、大空腔状)的成型过程及气动特性,并进一步开展了三种构型EFP侵彻半无限厚45#钢的数值模拟。结果表明:EFP小空腔结构提高了其飞行稳定性;空腔的增大降低了EFP的存速能力,实心、小空腔、大空腔三种构型的EFP炸高在1000倍弹径(30 m)时平均速度降分别为158 m/s,172 m/s,210 m/s;随着EFP空腔的增大,靶板开坑形貌由漏斗状逐渐转为等直径状。从工程实践角度设计EFP构型时:对于近距离目标应选取实心型;对于远距离目标应选取小空腔型。

球缺型EFP毁伤混凝土墙试验与数值仿真研究

为深入研究混凝土类目标在聚能装药作用下的侵彻效应和毁伤机理,设计一种大口径Φ120 mm球缺型EFP聚能装药,开展不同炸高下毁伤大尺寸混凝土墙试验。基于修正参数的RHT模型进行数值仿真,仿真结果与试验数据的最大相对误差为9.8%,表明RHT模型的修正效果较好,数值模型可靠。在此基础上,分析炸高对毁伤效果的影响,并对EFP侵彻体与爆炸冲击波的联合毁伤元特性进行研究。结果表明:所设计的EFP聚能装药毁伤混凝土墙时,能够形成具有较大直径和深度的漏斗坑;炸高为20~60 cm时,随着炸高的增大,漏斗坑直径逐渐减小,漏斗坑深度呈先减小再增大再减小,并逐渐稳定的趋势;炸高为20 cm(1.67倍装药直径)时,能够获得直径和深度都较大的漏斗坑,此时漏斗坑直径为6.83倍装药直径,漏斗坑深度为2.30倍装药直径;EFP侵彻对漏斗坑的形成起主导作用,在一定炸高范围内,爆炸冲击波对漏斗坑直径有增大作用,其与EFP侵彻体的耦合能够在一定程度上提高漏斗坑深度。

杆式射流侵彻45钢靶数值分析及试验研究

杆式射流的毁伤效能与侵彻穿深和侵彻孔径紧密相关.为解决大穿深小孔径而导致后效毁伤下降的问题,采用LS-DYNA对战斗部威力进行数值仿真,以药型罩壁厚和罩高为主要变量对聚能装药战斗部结构进行一次优化,综合考虑典型装甲目标防护能力,选出一个最优的穿深和孔径匹配方案,并以此方案为基准方案进行二次优化,得到一种等壁厚球缺紫铜药型罩优化方案,并进行静爆试验对最终优化方案的仿真精度进行验证.实验结果表明,最终优化方案的杆式射流侵彻体对45钢的侵彻深度为121 mm,入孔直径为26.3 mm,出孔直径为21.8 mm,后效靶毁伤严重,杆式射流侵彻体和靶体二次破片能够引燃柴油油盒、木箱和棉被等易燃物,数值仿真结果与试验数据误差较小.该研究方法和结论可为聚能杆式射流战斗部的结构设计及优化提供参考.

基于BP神经网络预测炸药JWL状态方程参数对EFP速度的影响

为达成快速精准预测爆炸成型弹丸(explosively formed projectile,EFP)速度以及检验校准JWL状态方程参数等目的,使用LS-DYNA有限元软件建立Φ65 mm EFP的数值模型,研究JWL状态方程各参数对EFP速度的影响规律。在此基础上,拟合建立基于JWL状态方程参数的EFP速度计算公式,构建EFP速度的BP神经网络预测模型,生成学习样本对网络模型进行训练。结果表明,JWL状态方程参数对EFP速度存在显著影响,参数R_(1)影响最大,各参数影响的大小顺序为R_(1)、A、B、R_(2)、E_(0)、ω;计算公式和网络模型均能够精准预测EFP速度,网络模型的预测精度优于计算公式,其中计算公式的结果误差绝大部分能够控制在10%以内,网络模型的预测误差均不超过5%。

药型罩壁厚对EFP成型性能影响试验

为了得到EFP成型性能与药型罩壁厚之间的关系,进行了不同药型罩壁厚的EFP侵彻钢靶板实爆试验。通过网靶测速、EFP对40 mm钢靶板的破孔深度和大小试验,获得了大量EFP速度、破孔深度和大小等数据。试验结果表明:药型罩壁厚对EFP速度和侵彻能力的影响很大,在适当的壁厚条件下EFP能穿透40mm钢靶板。在试验数据分析基础上,得到了药型罩壁厚与EFP的速度和侵彻深度之间的关系和σ/Dk

弹体高速侵彻混凝土的效应实验

利用高速侵彻设备进行了不同条件下弹体高速侵彻混凝土系列实验,探讨了高速撞击条件下弹体侵彻能力、弹体侵彻稳定性、弹体变形和破坏等问题,揭示了混凝土中半流体侵彻阶段的典型特征:刚体侵彻深度上限和对应的刚体侵彻初速上限、弹道弯曲、弹体严重侵蚀且伴随弯曲/断裂等。