药型罩结构参数对JPC,水下作用效应影响研究

陈兴，卢永刚，程祥珍

（1. 中国工程物理研究院总体工程研究所，四川，绵阳 621900；
2. 中国人民解放军32391 部队, 广东, 广州 510515）

聚能战斗部兼具精确打击和高效毁伤的特点，将聚能战斗部运用于水中兵器是提高战斗部毁伤效能的重要方法，针对聚能装药在水介质环境中的运用，国内外学者开展了聚能射流（shaped charge jet, SCJ）、爆炸成型弹丸（explosively formed projectile, EFP）和杆式射流（jetting projectile charge, JPC）的水中效应研究[1-3].

YAZIV 等[4]结合X 光试验、高速摄影和数值模拟，研究射流对含水靶板的侵彻，得到了射流侵彻水介质的过程伴随着流体惯性效应的结论，射流侵彻能力高于长杆弹，但射流在水中速度衰减较快，且容易断裂，水层较厚时难以形成有效侵彻；
史进伟等[5]结合准定常侵彻理论和数学归纳法建立了射流侵彻水夹层间隔靶理论模型，得到了射流头部速度与侵彻距离之间的关系. 王雅君等[6]开展了EFP 水中飞行及侵彻特性研究，EFP 入水后头部变形破碎，质量急剧下降，水中极限侵彻距离为5 倍装药直径；
另外王雅君等[7]还研究了药型罩材料对EFP 水中运动特性的影响，研究表明材料密度越高，EFP 存速能力越强，密度相近则速度衰减规律相近；
张凯奇[8]针对EFP 水下成型和终点效应进行了研究，结果表明EFP侵彻水介质后，头部速度和质量急剧下降，适当增加药型罩壁厚和曲率半径，能够降低EFP 的能量损耗，提高对双层含液结构的毁伤效能，EFP 水中极限侵彻距离约为5.7 倍装药直径；
孙远翔等[9]运用AUTODYN 研究装药结构参数对EFP 水下成型的影响规律，获得了适用于水下EFP 的设计参数. 王长利等[10]研究JPC 聚能装药水下爆炸对含水复合结构的毁伤机理，结果表明靶板穿孔直径约为装药直径的1/3，水介质对侵彻体的速度和质量具有很强的衰减效果，随着水层厚度的增加，复合结构的毁伤程度降低；
陈兴等[11]基于半球形聚能装药结构，研究JPC 对充液防护结构的毁伤机理，得到了药型罩壁厚和材质对毁伤效能的影响规律.

综合上述研究成果，可知EFP 在水中行进阻力较大，结构容易破碎变形，针对单层壳体结构具有较好的毁伤效果[12]；
SCJ 在水中速度衰减较快且易断裂，侵彻距离较大时难以形成有效侵彻和后效；
而现代舰船多采用空舱加液舱的复合防护结构，其纵向尺寸在4～5 m 之间[13]，JPC 在水中能够产生空腔随进效应，为后续侵彻体提供无损通道，适合对多层含水结构进行侵彻[14]，且具有一定的靶后破坏能力. 目前药型罩结构参数对聚能侵彻体侵彻能力的影响研究主要集中在空气介质中[15-17]，药型罩参数对JPC 水中行进和侵彻效应的影响机理还有待进一步研究.本文以弧锥组合罩为对象，研究药型罩壁厚、圆弧半径和罩锥角三种结构参数对JPC 水下作用效应的影响，确定药型罩结构参数的最佳选取范围；
设计一聚能战斗部并开展JPC 水下作用效应试验.

1.1 聚能战斗部结构设计

本文采用的聚能战斗部结构如图1 所示，其中，主装药为GO-2（HMX 基PBX 炸药），装药直径Dk=11 cm，装药高度H=8.8 cm，壳体为2A12 铝合金，厚度为0.5 cm，起爆点位于主装药尾部中心；
药型罩采用等壁厚弧锥组合罩，紫铜材质，如图2 所示，其中T为药型罩的壁厚，R为顶部圆弧半径，α为罩锥角.

图1 聚能战斗部结构示意图Fig. 1 Structural diagram of shaped charge warhead

图2 弧锥组合罩结构及参数Fig. 2 Structure and parameters of ace-cone liner

1.2 数值计算模型

运用LS-DYNA 有限元软件建立二维计算模型，如图3 所示. 模型中战斗部布置在空气介质中，水介质左端面为0.3 cm 厚的铝合金板，与战斗部右端面间隔8 cm；
在铝合金板和间隔靶之间填充60 cm 厚的水介质，间隔靶由3 层厚度均为1 cm 的45 钢板组成，靶板间距为5 cm，边缘采用全约束方式进行固定.

图3 数值计算模型Fig. 3 Numerical calculation model

采用Euler 算法描述水、空气、炸药和药型罩，间隔靶、壳体和铝合金板采用Lagrange 算法，Euler单元和Lagrange 单元采用流固耦合算法进行耦合，在空气和水介质的计算域边界添加非反射边界条件，防止冲击波在边界处形成压力反射现象. 模型采用gcm-μs 单位制建立，网格尺寸为0.1 cm.

1.3 材料模型与参数

采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN 材料模型和*EOS_JWL 状态方程描述炸药，其材料参数如表1所示；
空气和水均采用*MAT_NULL 空白材料模型及*EOS_GRUNEISEN 状态方程描述，其材料参数如表2 所示[11]；
采用*MAT_JOHNSON_COOK 模型和*EOS_GRUNEISEN 状态方程描述45 钢、紫铜和2A12铝合金，具体材料参数如表3 所示[11].

表1 炸药材料参数Tab. 1 Material parameters of GO-2

表2 空气、水材料参数Tab. 2 Material parameters of air and water

表3 金属材料参数Tab. 3 Material parameters of metals

1.4 数值计算结果有效性验证

为了验证数值计算结果的准确性，分别对文献[6]和[18]中的侵彻体成型和水中行进过程进行数值计算. 杆流成型形态对比如图4 所示，可知杆流成型形态与试验吻合度较好，杆流长度最大误差为7%；
EFP 侵彻水介质过程对比如图5 所示，可知数值计算结果体现了水中空腔形态的变化过程以及EFP 的破碎情况[11]，图6 为EFP 在水中的行进距离时间曲线对比情况，误差在11%以内. 可见，通过数值计算能够很好地模拟侵彻体的成型和水中行进过程.

图4 JPC 成型形态对比（t=40 μs）Fig. 4 Comparison of JPC formation（t=40 μs）

图5 不同时刻EFP 在水中侵彻过程Fig. 5 Images of EFP penetration in water at different time

图6 EFP 在水中侵彻距离对比Fig. 6 Comparison of EFP penetration distance in water

研究弧锥组合罩壁厚、圆弧半径和罩锥角3 种结构参数对JPC 水下作用效应的影响，具体研究方案见表4. 由表4 可知，药型罩壁厚T的取值范围为2～6 mm（间隔0.01Dk），圆弧半径R的取值范围为33～77 mm（0.05Dk），罩锥角α的取值范围为120°～140°（间隔为5°），在对单一因素进行研究时，保持战斗部其余参数不变. JPC 对靶板的侵彻效果主要取决于侵彻体在穿透水介质后的剩余速度、质量和形态，因此文中主要分析药型罩结构参数变化对侵彻体形态、水中速度衰减和毁伤效能的影响.

表4 研究方案与药型罩参数Tab. 4 Research scheme and liner parameters

2.1 药型罩壁厚的影响

不同药型罩壁厚条件下，杆流在侵彻水介质过程中形态和长度的变化情况分别如表5 和图7 所示.由表5 可知，当药型罩壁厚为2 mm 和3 mm 时，杆流呈细长结构，行进过程中头部侵蚀严重；
罩壁厚由4 mm 增加到6 mm 时，杆流直径逐渐增大，杆体、杵体和尾部结构明显，杵体质量逐渐增加. 从图7 中可知，入水初期杆流处于成型阶段，长度Ls先增加，当增长速度小于头部侵蚀速度后，杆流长度逐渐降低；
当罩壁厚小于3 mm 时，杆流长度较其余壁厚条件小，且进入长度衰减阶段也越早；
当罩壁厚大于4 mm 时，杆流长度变化规律逐渐趋于一致，贯穿水介质后剩余长度约为5 cm.

图7 JPC 长度随距离变化曲线Fig. 7 Length of JPC changing with distance

表5 杆流侵水过程形态变化Tab. 5 Morphological changes of JPC in water

杆流在水中的相对速度时间变化曲线如图8 所示. 由图可知，药型罩壁厚与杆流存速能力呈正相关，T越大，存速能力越强，且随着侵彻距离的增加，存速能力的差异性越大. 因为随着T的增加，射流入水速度越低，较低的速度能够降低速度的衰减率. 靶板穿孔直径Dh随壁厚的变化关系如图9 所示，随着药型罩壁厚T的增加，孔径整体呈上升趋势. 对于第1层靶板，当药型罩壁厚由2 mm 增加至3 mm，孔径提高了72%，随后T的变化对孔径影响不大；
在T=2 mm 时，剩余杆流无法穿透第2、3 层靶板，其余壁厚条件下杆流均能穿透后2 层靶板；
在侵彻过程中，侵彻体直径会变大，因此出现了后2 层靶板穿孔直径较第1 层靶板大的情况，在图9 和图15 中也有相似的情况.

图8 JPC 水中相对速度时间曲线Fig. 8 Relative velocity curve of JPC in water

图9 药型罩壁厚对靶板穿孔直径的影响Fig. 9 The change of target perforation diameter with T

因此，选择壁厚较大的药型罩能够提高杆流水中的存速性能和侵彻能力. 综合考虑，药型罩壁厚T的选取范围为4～6 mm，即0.036Dk～0.055Dk.

2.2 圆弧半径的影响

表6 列出了部分圆弧半径条件下杆流水中形态变化，随着圆弧半径的增加，杆流变得短粗，质量逐渐集中在杆体；
当R为77 mm 时，杆流整体形态很差，在侵彻靶板前，杆体几乎被水介质完全侵蚀；
杆流长度变化如图10 所示，随着圆弧半径的增加杆流长度逐渐降低，并且越早进入长度衰减阶段（R分别为71.5，77.0 mm 时，杆流断裂，使得杆流长度在侵水后期值较大）. 因为药型罩顶部圆弧部分主要形成杆流前段杆体，随着圆弧半径的增加，罩顶部逐渐平坦，聚能效应减弱，使得罩顶相邻微元速度差降低，杆体速度梯度越小，轴向拉伸程度减弱，导致杆流呈短粗状，质量逐渐集中在杆体[19].

表6 杆流侵水过程形态变化（ΔR=0.1 Dk）Tab. 6 Morphological changes of JPC in water (ΔR=0.1 Dk)

图10 杆流长度随距离变化曲线Fig. 10 Length of JPC changing with distance

图11 为杆流相对速度随时间的变化曲线. 由图可知，在速度衰减到初速的60%之前，速度衰减具有较好的一致性；
随后圆弧半径越大，杆流速度衰减越快. 这是由于入水初期杆流速度和头部形态相近，使得水中行进阻力相似，而随着侵彻距离的增加，圆弧半径带来的形态差异逐渐明显，R越小，杆流拉伸越充分，头部直径越小，水中所受阻力越小，速度衰减速率也越小. 由图12 可知，在所研究的R变化范围内，杆流均穿透第1、2 层靶板，随着圆弧半径的增加，第1 层靶板孔径先增加后减小，在R=60.5 mm 时达到最大值；
第2 层靶板孔径则变化不大；
当R＜49.5 mm 时，杆流能穿透3 层靶板.

图11 JPC 入水后相对速度曲线Fig. 11 Relative velocity curve of JPC in water

图12 圆弧半径对靶板穿孔直径的影响Fig. 12 The change of target perforation diameter with R

因此，降低药型罩的圆弧半径能够提高杆流的轴向拉伸能力，增强杆流在水中的侵彻能力和存速性能，综合考虑，圆弧半径R的选取范围为33.0～49.5 mm，即0.30Dk～0.45Dk.

2.3 药型罩锥角的影响

不同罩锥角条件下，杆流在水中行进过程中形态变化如表7 所示，随着锥角的增加，药型罩锥部的聚能效果逐渐减弱，导致侵彻体尾部的径向收缩能力减弱[19]，因此，锥角越大，杆流尾裙的张角和质量越大，杆体所占质量比例越少. 图13 给出了杆流长度随锥角的变化规律，由图可知罩锥角越大，杆流长度和长度增长速率越小，增长阶段所占比例越小. 当α＜125°时，杆流在水中行进过程中断裂形成多级侵彻体，前驱侵彻体可在水中形成空腔效应，为后续随进侵彻体提供低损耗通道，提高杆流的整体侵彻能力.

表7 杆流侵水过程形态变化Tab. 7 Morphological changes of JPC in water

图13 杆流长度变化曲线Fig. 13 Length of JPC changing with distance

杆流相对速度随时间的变化曲线如图14 所示，当锥角大于135°时，杆流在水中速度衰减较快，侵靶速度约为初速的40%；
其余锥角条件下，杆流水中速度衰减规律相似，侵靶速度约为初速的55%. 图15 为靶板的穿孔孔径随罩锥角的变化规律，可知第1 层靶板穿孔直径随着药型罩夹角的增加而增加；
第2层和第3 层靶板穿孔直径先增加后降低，在锥角为125°和130°时达到最大值，夹角为140°时，杆流未穿透后2 层靶板.

图14 JPC 入水后相对速度曲线Fig. 14 Relative velocity curve of JPC in water

图15 药型罩夹角对靶板穿孔直径的影响Fig. 15 The change of target perforation diameter with α

因此，药型罩锥角α的选取范围为120°～130°之间较为合适，α＜120°时，杆流侵彻威力较小；
α＞130°后，杆流形态较差，水中存速性能较低.

3.1 试验方法

结合参数分析结果，药型罩结构参数选取如下：壁厚T=4.4 mm（0.04Dk）、圆弧半径R=44 mm（0.4Dk）、锥角α=130°，战斗部其余结构不变，试验布置、战斗部结构以及试验靶标如图16 所示. 试验时将战斗部置于“V”型弹架上，与水箱中心线重合，水箱前面板为一块0.3 cm 厚的铝合金板，距战斗部端面8 cm；
试验靶标为3 层间隔靶，材质为45 钢；
水箱前面板和靶标之间填充水介质. 共进行了2 发试验，水层厚度分别为60 cm 和100 cm.

图16 JPC 水中侵彻试验系统布置Fig. 16 Arrangement of JPC underwater penetration experiment system

3.2 试验结果与分析

试验后，靶标毁伤结果如图17 所示. 第1 发试验水层厚度为60 cm，杆流对3 层靶板的穿孔直径分别为6.50，6.20，4.96 cm，平均穿孔直径为0.54Dk，穿孔背面表现出明显的翻转扩孔特性，孔边沿周向分布着裂纹；
第2 发试验水层厚度为100 cm，杆流穿透水层后仅对第1 层靶板造成了一个直径约为4.5 cm 的侵彻凹坑；
沿凹坑对称面切开，测量得到前2 层靶板的最大变形量分别为7.5，2.3 cm. 试验结果表明，水层厚度对杆流动能具有很强的衰减能力.

图17 JPC 水下作用效应试验结果Fig. 17 Experimental results of JPC underwater penetration

通过数值计算和试验研究了弧锥组合罩结构参数对杆流水下作用效应的影响，得到了如下主要结论：

①揭示了药型罩结构参数对杆流成型的影响规律，壁厚影响杆流的入水初速，圆弧半径和罩锥角分别影响杆流的轴向拉伸和径向收缩能力，影响杆流形态和质量分布；
适当增加药型罩壁厚、减小圆弧半径和罩锥角均能增强杆流的水下作用效应；

②综合考虑杆流成型、存速性能和毁伤能力，得到了杆流水下作用效应较佳的药型罩结构参数，其中药型罩壁厚T为0.036Dk～0.055Dk，圆弧半径R为0.30Dk～0.45Dk，罩锥角α为120°～130°；

③进行了杆流水下作用效应试验，结果表明水层厚度对杆流动能具有很强的衰减作用，设计的战斗部在水层厚度为60 cm 时，杆流对靶板的平均穿孔直径为0.54Dk.