CN106568353A - 一种大开孔双药型罩聚能装药结构 - Google Patents

一种大开孔双药型罩聚能装药结构 Download PDF

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马爱娥
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张韩宇
闪雨
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Abstract

本发明涉及一种大开孔双药型罩聚能装药结构，包括壳体、装药、中心药型罩和环形药型罩，其中壳体为一端封闭的圆筒形结构，圆筒形结构内装填装药，圆筒形结构的另一端设置中心药型罩和环形药型罩，且中心药型罩和环形药型罩将装药密封在壳体内，所述环形药型罩与中心药型罩的纵截面均为圆弧形状，且中心药型罩的环形外边缘与环形药型罩的环形内边缘连接为一个整体，环形药型罩的环形外边缘与壳体的环形端面连接，所述壳体、中心药型罩和环形药型罩均为轴对称结构，该聚能装药装置需要的开孔能量显著减小，可大幅度降低装药质量，提高毁伤能力，经过数值计算和地面试验考核，对目标的开口口径和侵彻能力均达到预期目的。

Description

一种大开孔双药型罩聚能装药结构
技术领域
本发明属于地地弹道导弹弹头技术领域，特别是涉及一种大开孔双药型罩聚能装药结构。
背景技术
在城市巷战中，需要在混凝土或砖墙等障碍物中开辟出适当口径的通道，便于班排战斗人员的进入；采用串联战斗部攻击坚固目标时，其前级装药最好能在前方坚固目标上开出大于后级战斗部直径的通孔，这样才能保证后级战斗部循孔顺利进入目标内部引爆，达到高效毁伤的目的。
目前，大多采用单药型罩中心聚能装药结构来对目标进行开孔，这种传统中心聚能装药结构爆炸后形成中心密实的爆炸成型弹丸(简称EFP，以下同)。在EFP侵彻目标过程中，开孔需要的能量(弹丸动能)与弹坑容积成正比，要形成较大的开孔口径需要弹丸动能很大，相应的装药量就很多，而且传统聚能装药装置开孔口径受其装药直径的限制，一般不大于1倍装药直径。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种大开孔双药型罩聚能装药结构，该装药结构爆炸后形成两种结构形式的EFP对目标进行毁伤，与传统中心聚能装药装置相比，聚能装药装置需要的开孔能量显著减小，可大幅度降低装药质量，提高毁伤能力，经过数值计算和地面试验考核，对目标的开口口径和侵彻能力均达到预期目的。
本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：
一种大开孔双药型罩聚能装药结构，包括壳体、装药、中心药型罩和环形药型罩，其中壳体为一端封闭的圆筒形结构，圆筒形结构内装填装药，圆筒形结构的另一端设置中心药型罩和环形药型罩，且中心药型罩和环形药型罩将装药密封在壳体内，所述环形药型罩与中心药型罩的纵截面均为圆弧形状，且中心药型罩的环形外边缘与环形药型罩的环形内边缘连接为一个整体，环形药型罩的环形外边缘与壳体的环形端面连接，所述壳体、中心药型罩和环形药型罩均为轴对称结构。
在上述大开孔双药型罩聚能装药结构中，壳体的中心对称轴设为第一对称轴，环形药型罩纵截面的中心对称轴设为第二对称轴，第一对称轴与第二对称轴之间的夹角为α，则0°<α<30°。
在上述大开孔双药型罩聚能装药结构中，所述第一对称轴与第二对称轴之间的夹角满足10°<α<20°。
在上述大开孔双药型罩聚能装药结构中，所述环形药型罩纵截面圆弧的弧度为10°～175°；所述中心药型罩纵截面圆弧的弧度为90°～175°。
在上述大开孔双药型罩聚能装药结构中，所述环形药型罩纵截面圆弧的弧度为30°～170°；所述中心药型罩纵截面圆弧的弧度为120°～170°。
在上述大开孔双药型罩聚能装药结构中，所述中心药型罩和环形药型罩的罩厚度为装药最大直径的0.02～0.15倍；优选为0.04～0.1倍。
在上述大开孔双药型罩聚能装药结构中，所述壳体的内壁面为斜坡设计；所述壳体的底部厚度为装药最大直径的0.01～0.15倍；优选0.03～0.08倍。
在上述大开孔双药型罩聚能装药结构中，所述聚能装药结构爆炸后形成两种结构形式的EFP，分别为中心EFP和环形EFP，中心EFP首先穿透前方的导引头，随后对目标进行侵彻穿孔；环形EFP遇到目标后在其上打通一环形通道，与中心EFP一起在目标上切割出一带中心孔的圆环。
在上述大开孔双药型罩聚能装药结构中，所述聚能装药结构对目标的开孔直径大于装药最大直径；且开孔直径为装药最大直径的1.1～4.0倍。
在上述大开孔双药型罩聚能装药结构中，所述环形药型罩的环形外边缘向外延伸形成与壳体底面平行的环形搭接边，通过搭接边与壳体的环形上端面通过螺钉连接固定。
在上述大开孔双药型罩聚能装药结构中，所述中心药型罩和环形药型罩的材料为铜、铝或铁，装药为炸药，壳体的材料为钢或铝。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)、本发明对聚能装药结构进行了创新设计，装药结构包括中心药型罩和带倾角的环形药型罩，通过调节环形药型罩的倾角或炸高的大小可以实现对目标的大尺寸开口，对目标开孔口径不受装药直径限制，该装置可用于破墙或打击各类装甲目标；
(2)、本发明大开孔双药型罩聚能装药结构爆炸后形成两种结构形式的EFP：中心EFP和环形EFP，中心EFP首先穿透前方的导引头等结构，随后对目标进行侵彻穿孔；环形EFP遇到目标后在其上打通一环形通道，与中心EFP一起在目标上切割出一带中心孔的圆环，与传统中心聚能装药装置相比，聚能装药装置需要的开孔能量显著减小，可大幅度降低装药质量，经过数值计算和地面试验考核，对目标的开口口径和侵彻能力均达到预期目的；
(3)、本发明装药装置与传统中心聚能装药装置相比，在达到相同开口口径的情况下，本发明装药装置需要的装药量大大减少，进一步降低装药爆炸对后级弹体速度、姿态、装药安定性以及爆炸引起的电磁效应对后级弹体引信发火可靠性的影响；
(4)大量计算和实验表明，当环形药型罩的中心对称轴和装药的中心对称轴之间的夹角为0°<α<30°，更优选10°<α<20°，对目标的穿透效果较佳，角度加大后对目标的开孔口径变大，但形成的环形EFP容易断裂，穿透能力也下降很多；
(5)、本发明通过对装药结构各组成部分，尤其是中心药型罩和带倾角的环形药型罩的结构形式、形状、比例尺寸等的优化设计，进一步增强了聚能装药结构对目标的侵彻能力；
(6)、本发明装药装置中的中心药型罩形成的中心EFP侵彻能力较强，可连续穿透等效导引头和目标靶等多个间隔靶。本发明回收装置经过地面试验考核，对目标的毁伤效果达到预期目的。
附图说明
图1为本发明装药装置结构三维剖示图；
图2为本发明装药结构的纵向剖面图；
图3为本发明计算采用的二维轴对称模型；
图4为本发明二维轴对称模型计算出的中心EFP和环形EFP形成过程图；
图5为本发明映射成三维模型后的中心EFP和环形EFP结构形式图；
图6为本发明大开孔双药型罩聚能装药结构对目标的侵彻计算结果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
如图1所示为本发明装药装置结构示意图，图2所示为本发明装药结构的纵向剖面图，由图可知本发明大开孔双药型罩聚能装药结构具体包括壳体1、装药2、中心药型罩3和环形药型罩4，其中壳体1为一端封闭的圆筒形结构，圆筒形结构内装填装药2，圆筒形结构的另一端设置中心药型罩3和环形药型罩4，且中心药型罩3和环形药型罩4将装药2密封在壳体1内，所述环形药型罩4与中心药型罩3的纵截面均为圆弧形状(中心药型罩3为球缺结构)，且中心药型罩3的环形外边缘与环形药型罩4的环形内边缘连接为一个整体，环形药型罩4的环形外边缘向外延伸形成与壳体1底面平行的环形搭接边，通过搭接边与壳体1的环形端面通过螺钉连接固定。壳体1、中心药型罩3和环形药型罩4均为轴对称结构。
如图2所示，壳体1的中心对称轴设为第一对称轴6，环形药型罩4纵截面的中心对称轴设为第二对称轴5，第一对称轴6与第二对称轴5之间的夹角为α，则0°<α<30°，更优选10°<α<20°。倾角越大，环形EFP的开口口径越大，但在飞行过程中更容易断裂，侵彻能力也随之降低。
环形药型罩4纵截面圆弧的弧度为10°～175°，优选范围30°～170°，中心药型罩3纵截面圆弧的弧度为90°～175°，优选范围120°～170°。
中心药型罩3和环形药型罩4的罩厚度为装药最大直径的0.02～0.15倍，优选范围0.04～0.1倍。壳体1的底部厚度为装药最大直径的0.01～0.15倍，优选范围0.03～0.08倍，如图2所示，壳体1的内壁面为斜坡设计。中心药型罩3和环形药型罩4的材料均为为铜、铝或铁，装药2为炸药，壳体1的材料为钢或铝。
聚能装药结构爆炸后形成两种结构形式的EFP，分别为中心EFP和环形EFP，中心EFP首先穿透前方的导引头，随后对目标进行侵彻穿孔；环形EFP遇到目标后在其上打通一环形通道，与中心EFP一起在目标上切割出一带中心孔的圆环。聚能装药结构对目标的开孔直径大于装药最大直径，且开孔直径为装药最大直径的1.1～4.0倍。
实施例1
下面介绍一种倾角12.9度(即α＝12.9°)的大开孔双药型罩聚能装药结构的计算和实验结果，中心药型罩3纵截面圆弧的弧度为150°，环形药型罩4纵截面圆弧的弧度为160°。
1、数值计算模型及计算结果
根据对称性，采用二维轴对称模型(见图3)计算环形EFP的形成和对靶板的侵彻。采用有限差分程序AUTODYN进行模拟，其中壳体、装药、中心药型罩、环形药形罩等采用多物质EULER算法，导引头等效铝板和目标靶板采用拉格朗日算法，它们之间的相互作用通过流固耦合算法来模拟。
中心药型罩3和环形药形罩4的材料为延展性较好的T2紫铜，装药采用OCTOL炸药，壳体材料为45钢，导引头结构用间隔为22mm、厚度18mm、高200mm的4块的5A06铝合金板等效，靶板材料为921A船用钢，靶板厚度为60mm。
1.1网格划分
EULER区域中心网格细密，尺寸为2mm，然后由细到粗朝两边逐渐过渡。拉格朗日区域中心网格尺寸为3mm。
1.2材料模型和状态方程
装药爆炸产物中的压力用JWL状态方程来描述：
式中:E为单位质量内能；V为比容；A、B、R1、R2、ω为常数。
空气密度为1.225kg/m3，采用理想气体状态方程，γ＝1.4。空气中初始压力为1个大气压(比内能为101332/(γ-1)/1.225＝2.068E5J/kg)。
爆炸作用下结构动态响应涉及大变形和高应变率，在本发明中，壳体、药形罩、导引头等效铝板、靶板采用Johnson-Cook强度模型，该模型可考虑应变硬化、应变率硬化和温度软化对材料性能的影响，材料动态屈服应力由此可表示为：
其中，A为材料静态屈服极限，B、n为应变硬化参数，C为与应变率相关的参数，εp为有效塑性应变，为归一化的有效应变率，m为温度软化参数，若室温为TRoom，熔点温度为TMelt，则相对温度TH的定义为：
TH＝(T-TRoom)/(TMelt-TRoom) (3)
壳体、药形罩、导引头等效铝板、靶板的状态方程为Linear：
P＝Ku (4)
这里，u＝ρ/ρ0-1，K是材料的体积模量。
1.3边界条件
流体外围施加压力流出边界条件(FLOW-OUT)来模拟无限空气域，防止冲击波从模型边界处反射回来干扰内部计算结果。
1.4数值模拟结果
装药起爆后，中心药型罩3和环形药形罩4在爆轰波的压力下压垮，分别在第一对称轴6处形成中心EFP，在第二对称轴5处形成环形EFP，高速飞行的中心EFP和环形EFP对前方目标进行侵彻穿孔。
爆炸后形成的环形EFP截面较为粗短(见图4)，三维结构类似于项圈(见图5)。具有这种截面形状的环形EFP的优点是：飞行稳定性好，对靶板侵彻一致性好，可大大减小因长径比过大而断裂的可能性，并进一步降低其对炸高的敏感程度。
中心EFP轴向最大速度为1263米/秒，环形EFP轴向最大速度为1380米/秒，0.47毫秒时刻径向速度达到最大330米/秒，随后因径向扩张带来的变形耗能，径向速度逐渐下降。
图6是炸高375mm下大开孔双药型罩聚能装药结构爆炸后对60mm厚921A船用钢靶板侵彻的数值模拟结果。由图可见，导引头等效结构被完全破坏，921A船用钢靶板被完全贯穿，中心孔直径为136mm，环形孔内径为456mm，环形孔外径为676mm，环形槽宽度为110mm。该环形聚能装药装置开孔口径为装药直径474mm的676/474＝1.43倍。
本发明经过数值计算和地面试验考核，对目标的开口口径和侵彻能力均达到预期目的。以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (11)

1.一种大开孔双药型罩聚能装药结构，其特征在于：包括壳体(1)、装药(2)、中心药型罩(3)和环形药型罩(4)，其中壳体(1)为一端封闭的圆筒形结构，圆筒形结构内装填装药(2)，圆筒形结构的另一端设置中心药型罩(3)和环形药型罩(4)，且中心药型罩(3)和环形药型罩(4)将装药(2)密封在壳体(1)内，所述环形药型罩(4)与中心药型罩(3)的纵截面均为圆弧形状，且中心药型罩(3)的环形外边缘与环形药型罩(4)的环形内边缘连接为一个整体，环形药型罩(4)的环形外边缘与壳体(1)的环形端面连接，所述壳体(1)、中心药型罩(3)和环形药型罩(4)均为轴对称结构。
2.根据权利要求1所述的一种大开孔双药型罩聚能装药结构，其特征在于：所述壳体(1)的中心对称轴设为第一对称轴(6)，环形药型罩(4)纵截面的中心对称轴设为第二对称轴(5)，第一对称轴(6)与第二对称轴(5)之间的夹角为α，则0°<α<30°。
3.根据权利要求2所述的一种大开孔双药型罩聚能装药结构，其特征在于：所述第一对称轴(6)与第二对称轴(5)之间的夹角满足10°<α<20°。
4.根据权利要求1所述的一种大开孔双药型罩聚能装药结构，其特征在于：所述环形药型罩(4)纵截面圆弧的弧度为10°～175°；所述中心药型罩(3)纵截面圆弧的弧度为90°～175°。
5.根据权利要求4所述的一种大开孔双药型罩聚能装药结构，其特征在于：所述环形药型罩(4)纵截面圆弧的弧度为30°～170°；所述中心药型罩(3)纵截面圆弧的弧度为120°～170°。
6.根据权利要求1所述的一种大开孔双药型罩聚能装药结构，其特征在于：所述中心药型罩(3)和环形药型罩(4)的罩厚度为装药最大直径的0.02～0.15倍；优选为0.04～0.1倍。
7.根据权利要求1所述的一种大开孔双药型罩聚能装药结构，其特征在于：所述壳体(1)的内壁面为斜坡设计；所述壳体(1)的底部厚度为装药最大直径的0.01～0.15倍；优选0.03～0.08倍。
8.根据权利要求1所述的一种大开孔双药型罩聚能装药结构，其特征在于：所述聚能装药结构爆炸后形成两种结构形式的EFP，分别为中心EFP和环形EFP，中心EFP首先穿透前方的导引头，随后对目标进行侵彻穿孔；环形EFP遇到目标后在其上打通一环形通道，与中心EFP一起在目标上切割出一带中心孔的圆环。
9.根据权利要求8所述的一种大开孔双药型罩聚能装药结构，其特征在于：所述聚能装药结构对目标的开孔直径大于装药最大直径；且开孔直径为装药最大直径的1.1～4.0倍。
10.根据权利要求1所述的一种大开孔双药型罩聚能装药结构，其特征在于：所述环形药型罩(4)的环形外边缘向外延伸形成与壳体(1)底面平行的环形搭接边，通过搭接边与壳体(1)的环形上端面通过螺钉连接固定。
11.根据权利要求1所述的一种大开孔双药型罩聚能装药结构，其特征在于：所述中心药型罩(3)和环形药型罩(4)的材料为铜、铝或铁，装药(2)为炸药，壳体(1)的材料为钢或铝。
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