串联战斗部前级K装药结构的优化设计

针对串联战斗部前级装药大开孔兼顾侵深的要求,应用LS-DYNA有限元软件,结合正交优化设计方法,仿真研究了K装药的药型罩及隔板结构参数对高速聚能杆式射流成型的影响规律,找出了形成较高头部速度的聚能杆式射流的药型罩外壁曲率半径和偏心距(分别为90~110mm和35~40mm)。计算得到了各结构参数(偏心距、罩外壁曲率半径、壁厚、隔板直径、张角、锥角)对聚能杆式侵彻体成型指标(头部速度和头尾速度差)影响的主次顺序,获得了K装药结构参数的最佳组合。进行了X光成像及侵彻钢靶实验,侵深达到装药口径的3.73倍,侵彻孔径为装药口径的0.36倍,侵彻孔径较均匀。数值模拟结果与实验结果吻合较好,研究结果为串联聚能装药技术的进一步研究提供了参考依据。     

串联战斗部不同介质组合的隔爆能力

为了有效提升串联切割战斗部隔爆结构衰减爆炸冲击波的性能,解决前级聚能装药结构与后级随进弹的匹配及隔爆问题,在前级切割器和后级随进弹之间加装隔爆结构,使用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA建立模型,进行不同组合结构隔爆性能的数值模拟,比较隔爆能力。模拟结果表明:前级装药起爆后,爆炸冲击波首先向后级随进弹头靠里区域汇聚,而不是向弹头尖端区域汇聚,因此可以适当减薄外层金属隔爆介质头部尖端区域;将外层金属由硬质钢改成铝时,后端壳体应力峰值的变化很小,故确定外层金属介质为铝;铝-聚脲的隔爆能力优于铝-泡沫铝结构,最终确定"软"隔爆介质为聚脲。通过调整铝和聚脲层的厚度,确定了最佳隔爆参数,能够满足实际应用。     

聚能装药载荷下混凝土破坏行为的实验研究北大核心CSCD

聚能装药侵彻混凝土靶板的研究主要集中在聚能装药的材料、结构、侵彻深度和侵彻孔径大小方面,少有涉及整个混凝土靶板的破坏行为,但混凝土靶的整体破坏行为对整个聚能装药的侵彻毁伤效能评估有至关重要的作用。为更好地判定聚能装药对混凝土靶体的破坏程度,开展了大口径聚能装药侵彻大尺寸混凝土靶的实验研究。对实验后的混凝土靶板进行剖切,从混凝土靶的内部剖切面观测不同位置处混凝土靶的损伤程度,并对各个位置处的孔洞直径进行测量,获取孔洞的完整尺寸。在过孔洞中心的同一截面上切割边长为10cm的标准混凝土试件,并对其进行抗压强度测试,根据测试结果评估混凝土靶板的整体破坏行为,进而得到混凝土靶在聚能装药载荷下的破坏行为。测试结果表明,混凝土靶板的背板拉伸破坏半径约为110cm;以孔洞中心为轴,半径小于100cm内的混凝土损伤较严重,边界块体强度约为原始强度的40%;半径在100-140cm范围内混凝土的损伤不大,混凝土试件的强度约为原始强度的72%;当半径大于140cm后,聚能装药对混凝土的影响较弱,混凝土几乎未出现损伤。     

聚能装药载荷下混凝土破坏行为的实验研究

聚能装药侵彻混凝土靶板的研究主要集中在聚能装药的材料、结构、侵彻深度和侵彻孔径大小方面,少有涉及整个混凝土靶板的破坏行为,但混凝土靶的整体破坏行为对整个聚能装药的侵彻毁伤效能评估有至关重要的作用。为更好地判定聚能装药对混凝土靶体的破坏程度,开展了大口径聚能装药侵彻大尺寸混凝土靶的实验研究。对实验后的混凝土靶板进行剖切,从混凝土靶的内部剖切面观测不同位置处混凝土靶的损伤程度,并对各个位置处的孔洞直径进行测量,获取孔洞的完整尺寸。在过孔洞中心的同一截面上切割边长为10cm的标准混凝土试件,并对其进行抗压强度测试,根据测试结果评估混凝土靶板的整体破坏行为,进而得到混凝土靶在聚能装药载荷下的破坏行为。测试结果表明,混凝土靶板的背板拉伸破坏半径约为110cm;以孔洞中心为轴,半径小于100cm内的混凝土损伤较严重,边界块体强度约为原始强度的40%;半径在100~140cm范围内混凝土的损伤不大,混凝土试件的强度约为原始强度的72%;当半径大于140cm后,聚能装药对混凝土的影响较弱,混凝土几乎未出现损伤。     

增强后效复合药型罩结构的数值模拟

针对增强聚能射流的破甲后效问题,设计了等壁平顶锥形铜铝双层复合药型罩装药结构,采用冲击波物理显示欧拉动力学软件SPEED开展复合射流成型及对钢-铝间隔靶侵彻过程的数值模拟,分析内外双层药型罩高度比ε、药型罩锥角α等参数对复合射流成型和间隔靶侵彻性能的影响规律。研究结果表明:复合射流的头部速度随ε增大呈先减小后增加的趋势,在ε约为1/2时,可形成具有相近速度的铜铝同轴复合射流微元,利于铝射流微元与目标相互作用实现后效增强毁伤;且当α在50°~60°范围内时,复合射流中段为集中的铝射流微元,更利于侵彻后的爆炸或爆燃反应。对优化参数的复合药型罩结构数值模拟结果与文献公布的实验结果吻合较好。研究结果对增强后效聚能装药设计具有参考价值。     

串联战斗部前级聚能装药技术

作为串联战斗部设计的关键技术，解决前级聚能装药技术对串联战斗部的设计原则的掌握有着重要意义，针对本课题的研究，采用数值模拟结合试验研究的方法对前级大口径开孔聚能装药设汁和前级爆炸对后级的影响进行了研究。     

聚能侵彻体作用下钢-CFRP层合板的防护性能

碳纤维增强复合材料（carbon fiber-reinforced polymer,CFRP）具有优越的抗侵彻性能，正逐渐应用于舰船抗爆抗冲击防护设计。为了研究钢-CFRP层合板在聚能侵彻体作用下的防护性能，基于任意拉格朗日-欧拉方法建立聚能装药空中爆炸对钢-CFRP层合板破坏的数值模型，探究聚能装药的空中爆炸载荷特性及其对钢-CFRP层合板的毁伤机理。采用等面密度方法，设计了CFRP作为面板、背板和夹芯层时多种钢-CFRP层合板形式，通过侵彻后侵彻体头部降速以及层合板破口大小，讨论了CFRP敷设位置对层合板防护效果的影响，给出了较优的敷设形式。在此基础上，对层合板的厚度进行优化。结果表明：CFRP-钢-CFRP夹芯结构在聚能侵彻体作用下的防护效果最佳，较佳的厚度比为4.0∶1.4∶4.0。     

环型聚能装药侵彻靶板能力多因素分析

环型聚能装药结构参数与其侵彻靶板能力间的关系难以用精确的数学函数表达,因此利用灰色关联理论建立描述该关系的模型是有意义的。首先采用灰色关联度理论对正交试验数据进行初步处理分析,将多目标问题转化为单目标问题,得到各结构参数与侵彻靶板能力的灰色关联度;然后应用基于支持向量机回归、粒子群优化、遗传算法等参数寻优算法的支持向量机(SVM)网络回归模型对灰色关联度进行预测,从而实现对环型聚能装药侵彻靶板能力的计算。结果表明,使用基于遗传算法参数寻优的SVM网络回归模型拟合精度最高,该模型可以很好地描述正交试验中环型聚能装药结构参数与侵彻靶板能力间的关系。最后选用正交试验外的一组数据,应用LS-DYNA对该结构参数下的环型聚能装药侵彻靶板过程进行仿真,并将仿真试验数据与SVM网络回归模型的预测值作比较,验证了该模型的可靠性。     

铝铜药型罩射流与侵彻数值模拟

为提高射流侵彻性能,根据聚能射流装置的射流形成特点,设计了爆炸复合铝铜金属体作为药型罩的聚能射流装置。此装置依据已有的锥角为42°的聚能装药紫铜药型罩改进而来。利用LS-DYNA软件中的MMALE多物质算法,对此装置的射流形成、侵彻金属靶体全过程进行数值模拟。在保持装药量不变的情况下,计算了当铝铜药型罩锥角分别为36°、38°、40°和42°时的射流形成及侵彻过程。结果表明:射流头部速度随着铝铜药型罩锥角的减小而增大;且锥角为38°时射流穿深最大。相比单纯金属铜药型罩情况,射流头部速度提高了13.2%,侵彻深度提高了14.5%。     

不同罩材聚能装药对多层介质侵彻的实验与数值模拟

 为实现聚能装药对多层介质的大破孔侵彻,提出了钛合金药型罩聚能装药设计方案。采用实验与数值模拟相结合的方法,对钛合金、低碳钢及紫铜罩聚能装药侵彻多层介质进行了研究,分析了钛合金聚能侵彻体相对于紫铜和低碳钢侵彻体在成型过程中,其动能、头部速度及射流长度等的差异,并对侵彻过程中应力波的传播特性进行了分析。结果表明：相对于紫铜和低碳钢,钛合金罩聚能侵彻体的能量转换率高,所获得的动能大,头尾速度梯度小,外形更为短粗;虽对多层介质侵彻时侵彻深度有所减小,但漏斗坑尺寸明显增大,且平均破孔孔径提高了约20%。     

串联动能侵彻弹侵彻混凝土靶研究

 设计了一种串联型动能侵彻弹。对该侵彻弹在不同条件下侵彻半无限混凝土靶进行了数值模拟和系列尺寸实验研究，并对该侵彻弹对目标的毁伤机理进行了分析，计算结果与实验结果较为一致，为该结构侵彻弹侵彻硬目标的研究提供了依据。     

伸出式侵彻体攻角侵彻靶板的数值模拟研究

 利用LS-DYNA3D软件，对有攻角条件下伸出式侵彻体侵彻单层靶板及等厚度双层间隔靶板进行了数值模拟研究，从靶后动能和靶板破坏程度的角度对比了伸出体与同质量、同外径的基准杆侵彻单/双层靶板的能力。得出了侵彻体动能随时间变化的规律，分析了侵彻过程中攻角、速度及靶板分层3个重要因素对侵彻体侵彻能力的影响。结果表明：当攻角小或速度大时，伸出式侵彻体相对基准杆有较明显的优势；当双层靶板的间隔与基准杆长度相等时，靶板的分层对伸出体的侵彻性能几乎无影响，而对基准杆有较大影响，说明伸出体侵彻多层间隔防护结构的能力明显优于基准杆。     

入射速度对长杆弹垂直侵彻行为的影响规律

 以长杆弹垂直侵彻半无限厚靶板为研究对象,分析了弹体最大侵彻深度与入射速度的关系,研究了弹体入射速度对侵彻最大深度的影响规律。研究表明：靶板的强度和界面效应使弹体在侵彻过程中存在一个临界速度,当入射速度大于临界速度时,弹体的侵彻才能通过开坑阶段进入准稳定阶段,它是造成当入射速度较小时侵彻深度随入射速度的提高而几乎不变或缓慢增加的主要原因;准稳定侵彻过程中弹体速度和侵彻速度基本不变,并且两者存在线性关系,这种关系只与弹体和靶板的材料性能有关,是造成当入射速度较大时侵彻深度随入射速度的提高呈快速线性增大的主要原因。     

包覆式爆炸成型复合侵彻体成型规律研究

 包覆式爆炸成型复合侵彻体是通过炸药爆炸驱动金属药型罩包覆内核活性材料而形成的一种新型高效毁伤元。为了设计带包覆物的小长径比聚能装药结构,采用AUTODYN非线性动力学分析软件,分析了主要结构参数对包覆效果的影响规律,得到了能够实现复合侵彻体爆炸包覆的较优结构。通过脉冲X光拍摄了具有较优结构的复合侵彻体成型过程,试验结果与仿真结果符合较好,验证了仿真计算的可信性。     

大锥角聚能射流实验研究

 通过闪光X射线摄影技术，研究了两种大锥角射流的特性及其对钢靶的侵彻，并与小锥角射流进行了对比。研究结果表明：大锥角射流的头部速度较低，但直径和质量较大，在大炸高条件下对钢靶的侵彻孔深度浅，孔径大。     

橡胶夹层厚度对复合靶板抗射流侵彻性能的影响

 通过分析应力波在橡胶复合靶板中的传播特性,研究了复合靶板上各层质点速度在应力波作用下的变化情况,分析了应力波在橡胶复合靶板对射流干扰中的作用,结合射流在空气中的断裂模型,提出了射流在复合靶影响下的断裂模型;分析了橡胶夹层厚度对复合靶板抗射流侵彻性能的影响;通过脉冲X光照相技术和穿深实验,研究了橡胶夹层厚度不同时,在射流以68°倾角侵彻下,橡胶复合靶板对56 mm口径基准成型装药射流的干扰情况及射流的剩余侵彻能力。研究结果表明：理论分析与实验结果相吻合;橡胶复合靶板对射流有很好的干扰作用;在满足结构效应的情况下,随着天然橡胶夹层厚度的增加,应力波对射流的干扰能力降低,射流的变形程度减小,复合靶板的防护能力降低。     

Prediction of the penetrating power of metallic shaped charge jets subjected to an intense electric current pulse

A method for evaluating the penetrating (piercing) power of shaped charges under the condition when an intense electric current pulse is applied to a shaped charge jet is developed. The buildup of waist-type MHD instability and the volume damage of the jet material are viewed as possible mechanisms behind a reduction of the penetrating power of a shaped charge jet under the current action. With this method, electrodynamic action parameters that provide a significant reduction of the penetrating power of a shaped charge jet are calculated for shaped charges of various penetrability.     

大锥角罩聚能装药射流理论计算方法

 运用平面爆轰驱动理论计算大锥角装药的药型罩加速过程，再结合射流分析理论，建立了大锥角聚能射流理论计算方法，并编制了射流分析程序ASCC（Analytical Shaped Charge Code）。通过与实验、数值模拟计算结果的比较，说明该方法是可行的，可以有效地计算大锥角罩的射流参数。     

杆式射流对充液防护结构的毁伤机理及影响因素的数值模拟

运用ANSYS/LS_DYNA软件分析了聚能射流对充液结构的毁伤,初步获得了药型罩壁厚和材料等参数对聚能战斗部水下作用的影响特性。药型罩壁厚在0.04D_k~0.06D_k(D_k为装药直径)之间形成的射流对充液防护结构具有较优的侵彻性能;当δ<0.04D_k时,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时,射流的初始动能低,靶后效果差。药型罩可采用纯铁、紫铜和钽3种材料,其中纯铁射流的侵彻能力最高,钽射流在水中的动能抗衰减性能最好,紫铜射流具有较好的综合性能。