杆式射流对充液防护结构的毁伤机理及影响因素数值仿真研究

摘 要：本文以聚能战斗部对充液防护结构的毁伤为研究背景，运用ANSYS/LS_dyna分析了药型罩壁厚和材料对充液防护结构毁伤效能的影响。结果表明：药型罩壁厚在0.04D_k~0.06D_k之间形成的杆流对充液防护结构具有较优的侵彻性能，δ<0.04D_k，杆流成型结构较差，在水中的动能抗衰减性能较低，δ>0.06D_k，杆流初始动能低，穿透水层后的剩余能量小，无法形成较大的后效；药型罩可采用纯铁、紫铜和钽3种材料，其中纯铁杆流的侵彻能力最高，钽射流的水中动能抗衰减性能最好，紫铜射流具有较好的综合性能。

1.前言

多层装甲与充液舱组合模式是现代常用的防护结构，常规的水下爆破战斗部很难对其造成致命性的打击。为了高效打击水面目标，遂采用聚能战斗部技术。现目前针对聚能战斗部水下作用效应的研究较少，本文主要考虑药型罩结构和材质对聚能射流毁伤充液防护结构的影响。

以半球型聚能战斗部为设计依据，在战斗部装药结构不变的条件下，通过数值计算的方法研究了不同壁厚、不同罩材的药型罩对杆射流成型效果及杆流对充液防护结构毁伤效果的影响，得到了有利于侵彻多层充液防护结构的药型罩壁厚范围和材料。

2 杆流侵彻充液防护结构数值计算模型

2.1 半球形聚能战斗部结构设计

为了研究杆式射流对充液结构的毁伤机理，文中设计了一种半球形聚能装药战斗部，结构如图 1所示。该战斗部主装药采用B炸药，装药直径D_k和装药高度H均为5cm；药型罩采用等壁厚的半球形结构，外球面半径为R，内球面半径为r，壁厚δ为内外球面半径之差，即δ=R-r，材料为紫铜；起爆点位于主装药尾部中心位置处。

图 1 杆式射流聚能战斗部结构

2.2充液防护结构设计

本文所研究的充液防护结构为金属板和水介质组成的多层复合结构，充液防护结构的具体结构如图 2所示。由图可知，该结构主要由液舱前、后壁面、后效靶、水和空气组成，其中液舱内的水介质厚度为30cm，前壁面和后壁面厚度均为0.4cm，后效靶由3块厚度均为1cm的等间距间隔钢板组成，后壁面与后效靶之间为空气介质。液舱壁面和后效靶均采用45钢。

图 2 充液防护结构示意图

2.3数值计算模型与材料参数

运用ANSYS/ls-dyna有限元分析软件建立了聚能战斗部对充液防护结构侵彻的二维数值计算模型，如图 3所示，该数值计算模型主要包含了聚能战斗部、空气和充液防护结构，计算中聚能战斗部的侵彻炸高保持1倍装药直径不变。采用Euler单元描述水、空气、炸药和药型罩，靶板采用Lagrange算法，Euler单元和Lagrange单元运用流固耦合算法进行耦合，在空气计算域边界添加2D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g-cm-μs单位制建立，网格尺寸为0.05cm。

图 3 数值计算模型

采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型和*EOS_JWL状态方程描述B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；采用*MAT_Johnson_Cook模型和*EOS_Gruneisen状态方程描述钢板和药型罩，具体材料参数如表 3所示。

2.4数值计算结果有效性验证

为了验证文中数值计算结果的准确性，进行了EFP水中飞行特性研究试验，利用文中的数值计算方法和材料参数，建立了EFP侵彻水介质间隔靶数值模型，网格尺寸为0.05cm。不同时刻EFP在水中的侵彻过程对比如图 4所示，可知数值计算结果体现了试验中观察到的水中气腔形态的变化过程以及EFP的破碎情况，图 5为EFP在水中的位移时间曲线对比情况，计算误差在11%以内。可见，本文的数值计算方法以及材料模型能够真实反映出聚能侵彻体对充液防护结构的侵彻过程。

3 杆流对充液防护结构毁伤机理分析

3.1杆流对充液防护结构的侵彻过程

聚能装药起爆后，半球形药型罩形成了具有一定速度梯度的杆式射流，杆流在速度的驱动下依次对前壁面、水、后壁面和后效靶进行了侵彻。杆流对充液防护结构的侵彻过程中水中的压力变化情况如图 4所示，由图6可知，可将杆流对充液防护结构的侵彻过程分为4个阶段，其中阶段Ⅰ为杆流对前壁面的侵彻，侵彻作用在前壁面中形成了一个初始应力波，并透射进水介质中；阶段Ⅱ为水介质侵彻阶段，杆流穿透前壁面后对水介质进行了侵彻，在水中形成了初始冲击波，冲击波以射流头部与水的接触点为圆心呈半球形传播，杆流在水中不断向前运动的同时，头部附近的水被推开，使得水介质沿杆流入射方向的径向运动形成气腔，气腔形状随时间的变化情况如图 5所示，在杆流入水初期，气腔呈对称的圆锥形，随着侵彻距离的增加，气腔的长度和直径逐渐增加，由于杆流在侵彻过程中逐渐变得细长，因此后期形成的气腔直径较小；阶段Ⅲ为后壁面侵彻阶段，此时杆流主要对后壁面进行侵彻；阶段Ⅳ为杆流侵出阶段，此阶段杆流已经完全穿出液舱，并开始对后效靶进行侵彻穿孔，在此阶段中水中气腔不断的膨胀，并挤压充液结构前后壁面，使得壁面向外侧产生了凸起变形。

3.2杆流形态变化与动能衰减分析

图 6为不同时刻杆流的形态对比，可知杆流入水后在速度梯度的驱动下逐渐拉伸变长，同时由于水介质的阻碍作用，杆流头部发生了质量侵蚀现象；在185μs时杆流的杆体和杵体发生了断裂，随着侵彻距离的增加，前级杆体被不断侵蚀，长度逐渐减小，但是杵体在前级杆体开辟的水中空腔中行进，因此其形态和速度均未发生明显的变化。

在侵彻过程中杆流的质量和速度是动态变化的，因此选择整体动能作为杆流侵彻能力的考核指标，杆流侵彻充液防护结构过程中动能随时间的变化曲线如图 7所示。由图可知，杆流在30μs时以7.6kJ的初始动能侵彻液舱前面板，随着时间的增加，杆流的动能逐渐衰减，杆流穿透液舱后壁面后的剩余动能为1.7kJ，随后杆流以1.7kJ的动能对后效靶进行了侵彻，最终在900μs动能衰减为0。对杆流在水介质中的动能衰减曲线进行拟合，可知杆流在水介质中运动其动能近似呈指数形式衰减。

表 4为杆流在不同侵彻阶段的动能衰减统计结果，可知杆流在前壁面侵彻阶段动能衰减速率最高，为0.1×106/kJ·s-1，分别是水介质和后壁面侵彻阶段的5.85倍和8.85倍，由于水介质层的厚度最大，杆流在水介质侵彻阶段的动能衰减量占初始动能的59.6%，可见水介质对杆流侵彻能力有很强的衰减作用。

3.3充液防护结构壁面载荷及毁伤分析

在液舱前、后壁面与水接触一侧取压力载荷监测点，测点距杆流侵彻中心点的距离分别为2、3和4cm，壁面的压力载荷时间曲线分别如图 8、图 9所示。从图中可以看出，前壁面上的压力具有很明显的冲击载荷特性，射流开始侵彻前壁面时，压力迅速上升到峰值，随后压力又逐渐下降；而后壁面的压力载荷曲线存在着多个压力脉冲，其中第一个压力峰值是（100μs左右）初始冲击波传播形成的，经过反射波和后续入射波的叠加又形成了数个峰值压力，大约在250μs压力又逐渐增加，这是因为此时杆流已经运动至后壁面附近，由于后壁面的阻挡作用，使得压力载荷增加；当杆流穿出后壁面后，壁面的压力载荷迅速降低。进一步研究发现壁面的压力载荷具有明显局部效应并且前壁面载荷高于后壁面，例如前壁面中距侵彻中心2cm位置处的压力峰值是4cm处压力峰值的5.7倍，在距侵彻中心2cm处，前壁面的压力峰值是后壁面压力峰值的7.7倍。

图 10为前后壁面的整体位移响应曲线，当杆流和冲击波运动至液舱壁面时，壁面在较短时间内产生位移响应，随着侵彻时间的增加，位移也逐渐增加，最终趋于稳定。在整个位移响应期间，壁面的位移主要发生在杆流穿出后壁面之后的阶段，即Ⅳ阶段，此阶段主要是水中气腔的膨胀响应。可见，气腔的膨胀是造成壁面变形的主要原因。

为衡量前壁面、后壁面的变形程度，以壁面中心为原点，厚度方向为Y轴，宽度方向为X轴，测量壁面不同位置处的变形量。充液结构前后壁面的变形量如图 11所示，由变形曲线可以看出，在杆流侵彻、水中压力和气腔膨胀的共同作用下，壁面发生了穿孔和变形，前壁面的最大变形量为2.7cm，孔径为1.4cm，后壁面的最大变形量为3.7cm，穿孔直径为1.2cm。在距原点5.5cm半径外的区域，壁面都向外侧凸起变形，且前后壁面变形量相差不大；在半径5.5cm范围内，壁面在杆流侵彻作用下产生了破孔，但是破孔边缘的翻转方向不同，前壁面破孔边缘是向着充液结构内侧翻转，而后壁面破孔边缘是向着充液结构外侧翻转。

4药型罩壁厚和材料对充液防护结构毁伤效果的影响

4.1药型罩壁厚的影响

在药型罩外球面半径R=0.5Dk和装药结构不变的条件下，通过改变药型罩内球面半径r的大小，使药型罩壁厚δ在0.02~0.1Dk（以0.02Dk为增量）之间变化，研究不同壁厚条件下，杆流对充液防护结构毁伤效果的影响。

为了对比分析杆流在侵彻过程中形态的变化，将杆流与液舱前壁面外侧的接触点作为侵彻原点，对比杆流在侵彻距离Dp分别为0、15、30cm时刻的形态变化。不同壁厚条件下，杆流（为了方便表述，将图中不同形态的聚能侵彻体统称为杆流）在侵彻充液防护结构时的形态变化如表 5所示，从表中可以看出随着壁厚δ由0.02Dk增加至0.1Dk，杆流头部初速度逐渐降低；当药型罩壁厚为0.02Dk时，杆流结构呈封闭中空状，在侵彻过程中杆流头部出现了分叉现象，当侵彻了30cm后，杆流的杆体部分被完全侵蚀，只剩下尾部杵体；壁厚为0.04Dk和0.06Dk时，杆流成型效果较好，在侵彻过程中，杆流被充分拉伸，当侵彻了30cm后，杆流杆体和杵体所剩质量较多；壁厚为0.08Dk和0.1Dk时，杆流在侵彻过程中过早断裂，且杵体所占质量比较大。

不同厚度药型罩形成的杆流在穿水过程中的动能衰减情况如图 12所示，从图中可以看出不同壁厚条件下，杆流在水中的动能衰减程度不同，药型罩厚度越小，杆流初始动能越高，动能衰减越快；药型罩壁厚度越大，杆流动能越低，动能衰减越缓慢。可见，在装药结构不变的情况下，适当增加药型罩厚度，能够提高杆流在水中的动能抗衰减能力。

不同药型罩壁厚条件下，充液防护结构前后壁面的变形量如13所示。由壁面变形量可以看出，在相同的药型罩壁厚条件下，充液结构后壁面的变形量均大于前壁面。随着药型罩壁厚的增加，前壁面、后壁面的最大变形量都逐渐降低，当δ=0.02D_k时，前、后壁面的最大变形量分别为3.9cm、4.5cm，是δ=0.1D_k时前、后壁面最大变形量的2.3倍和1.5倍。主要由于药型罩壁厚度越小，形成杆流的速度越大，气腔获得的能量越大，因此气腔对壁面的挤压作用越强。由此可见，在装药结构不变的情况下，选择壁厚较小的药型罩，能够提高充液结构壁面的最大变形量。

表 6为杆流对壁面造成的穿孔直径和后效穿深统计结果。由表7可知，增加药型罩壁厚能够提高前壁面的穿孔直径，当药型罩壁厚δ由0.02D_k增加至0.1D_k时，前壁面的破孔直径由0.252D_k增加至1.11D_k；当壁厚δ在0.02D_k~0.06D_k时，后壁面的穿孔直径变化不大，直径在0.146D_k~0.206D_k之间，δ为0.08D_k和0.1D_k时，杆流在穿过水层后已经无法对后壁面造成穿孔破坏；通过后效靶穿深情况分析，只有δ=0.04D_k时，穿透后壁面的剩余杆流对后效靶造成0.2D_k的穿深。

综合分析了不同壁厚条件下杆流成型效果和对充液防护结构的毁伤效能，可知药型罩壁厚δ在0.04D_k~0.06D_k之间形成的杆流具有较好的侵彻性能；当δ<0.04D_k，形成的杆流结构较差，在水中的动能抗衰减能力较低，当δ>0.06D_k时，杆流初始动能较低，穿透水层后的剩余能量小，无法形成较大的后效。

4.2药型罩材料的影响

在药型罩壁厚为0.04Dk和装药结构不变的情况下，药型罩选用铝、纯铁、紫铜、钽和钨5种材料，研究药型罩材料对杆流成型效果以及杆流对充液防护结构毁伤性能的影响。

不同材质的杆流在侵彻相同距离后的形态对比情况如表 7所示，可知铝药型罩形成的杆流头部密实、尾部呈空心状结构，铝杆流的初速虽然较其余杆流高，但在侵彻了越10cm后就完全破碎，失去了侵彻能力；纯铁、紫铜、钽3种药型罩形成的杆流初始形态相近，由于纯铁的延展性较好，因此在侵彻了较远距离后，杆流的形态依旧完整；钨药型罩形成了头部密实带有大锥角尾翼的EFP，随着侵彻距离的增加，尾翼和头部脱离，密实的侵彻体在侵彻过程中其形态变化较小。

不同材料药型罩形成的杆流在侵彻水介质期间的动能衰减时间曲线如图 14所示，从图中可知，随着侵彻时间的增加，杆流动能逐渐降低，在各自的侵彻后期，射流动能衰减幅度均放缓。铝射流的入水动能最高，但是动能衰减曲线下降速度最快；钨射流的动能衰减曲线斜率最低，说明钨射流在水中动能抗衰减性能最好。

图 15为不同材质的杆流对充液防护结构侵彻后前、后壁面的变形量对比情况，由图可知，铝杆流侵彻充液结构后，前壁面的变形量为3.7cm，是钨杆流侵彻时的2.96倍；而铝杆流对后壁面造成的最大变形量最小，变形量为2.3cm，其余杆流对后壁面造成的变形量相差不大，在3.8~4.1cm之间。

不同材质的杆流对壁面形成的穿孔直径和后效靶穿深统计结果如表 8所示，从表中可以看出杆流对前壁面造成的穿孔直径均大于后壁面，其中钨杆流对前壁面造成穿孔直径最大，为0.892D_k，其次为铝杆流，前壁面穿孔直径为0.418D_k，纯铁、紫铜和钽3种杆流对前壁面造成的穿孔直径相当，平均孔径为0.25D_k；除了铝杆流未对后壁面造成穿孔外，其余射流对后壁面造成的穿孔直径相差不大，穿孔直径在0.098D_k~0.162D_k之间。纯铁和紫铜材质的杆流在穿透后壁面后对后效靶任然具有0.6D_k和0.2D_k的侵彻穿深能力，说明该两种材质的杆流在侵彻完防护结构后任然具有一定的毁伤能力。

通过对5种材质药型罩成型的杆流效果与侵彻性能分析，选用纯铁、紫铜和钽3种材料的药型罩，其杆流成型效果较好，在穿透充液防护结构后任然具有一定的毁伤效能，可对舰船的内部结构造成毁伤。

5结论

本文基于ANSYS/ls_dyna有限元分析软件，研究了半球形聚能战斗部对充液防护结构的侵彻机理，并探讨了药型罩壁厚和材料对充液防护结构毁伤效果的影响，得到了如下主要结论：

（1）由于水介质的高阻性，杆式射流在水介质运动过程中形态和动能都不断发生变化，杆流头部发生了质量侵蚀现象，杆体长度不断降低，其动能在水中呈指数形式衰减。

（2）杆流侵彻充液防护结构时，壁面压力具有明显的局部载荷特性，并且前壁面压力载荷高于后壁面；杆流对壁面主要造成了穿孔破坏，水中气腔的膨胀是前、后壁面向外侧凸起变形的主要原因。

（3）在装药结构和药型罩材质不变的条件下，药型罩壁厚在0.04Dk~0.06Dk之间，形成的杆流具有较好的侵彻性能，当δ<0.04Dk时，形成的杆流结构较差，在水中的动能抗衰减性能较差，当δ>0.06Dk时，杆流初始动能较低，穿透水层后的剩余动能小，侵彻后效低。

（4）当装药结构和药型罩壁厚不变时，药型罩可选用纯铁、紫铜和钽3种材料，杆流的成型效果较好，其中铁射流的穿深后效最大，钽射流在水中的动能抗衰减能力最好，紫铜射流具有良好的综合性能。