聚能破甲效应(二)聚能破甲技术和理论的近期发展

早在十八世纪,炸药聚能效应就已被人们发现。1938年,作为反装甲目标的弹药设计使用,首次用于军事目的。第二次世界大战及其以后得到较大的发展,它不仅用于反装甲目标,而且在尖端武器上也得到了广泛地应用。在民用上,石油开采,矿山挖掘,隧道开通,水下切割等都采用炸药定向聚能作用。1974年以来,国内外在聚能破甲技术和理论研究方面得到了较大的发展。这充分体现在,国外开了十届国际弹道学会议,国内开了五届破甲技术会议。     

射流侵彻机理

破甲弹指具有内衬金属罩的聚能凹槽装药(图1)的弹种。利用爆炸后金属罩的部分金属形成高速、高温射流,达到穿透装甲和杀伤的目的。凹槽装药可提高爆炸的局部作用(即所谓聚能效应),早在一百多年以前为人们在生产实践      

爆破中双线型聚能药包最佳成缝角度

为探究聚能张开角对双线型聚能药包结构炸药有效利用率和聚能效应的影响,通过瞬时爆轰假说理论对有效聚能炸药边界方程进行推导,分析不同聚能张开角聚能装药结构炸药的有效利用率;通过水泥砂浆物理模型试验,研究不同聚能张开角预裂孔成缝规律;采用LS-DYNA数值模拟软件,建立不同聚能张开角数值模型,揭示不同聚能张开角的双线型聚能结构药包射流的侵彻过程。研究结果表明聚能张开角为75°时,炸药产生聚能效应的有效利用率最大;聚能结构药包聚能槽张开角为75°时,预裂孔成缝效果明显优于聚能槽张开角为60°的聚能结构药包,沿聚能槽方向应力集中效应和侵彻深度最佳,炮孔壁上岩石单元最先达到应力峰值。针对聚能张开角为75°的双线型聚能结构药包开展了不同岩性预裂爆破现场试验,板岩和白云岩两种不同岩性,在孔距增大20%的条件下,双线型聚能预裂爆破效果优于常规预裂爆破。     

聚能装药对混凝土靶板的侵彻研究

系统开展了不同药型罩材料、不同锥角、不同壁厚的聚能装药在不同炸高下侵彻混凝土试验, 研究了罩材料、锥角、壁厚、炸高等结构参数对漏斗坑直径、侵彻孔洞直径、漏斗坑深度以及侵彻深度等参数的影响规律;应用空腔膨胀理论计算了混凝土靶体阻力, 采用改进的伯努利方程和两阶段空腔膨胀理论获得了混凝土靶板在侵彻体作用下的侵彻深度和孔洞直径, 理论结果与试验结果基本吻合;基于AUTODYN 软件平台, 采用与试验一致的聚能装药结构, 开展了57 种工况下侵彻体成形过程的数值模拟研究, 并对其中典型工况的侵彻混凝土过程进行了数值模拟, 计算所得孔洞直径和侵彻深度与试验结果吻合较好, 在此基础上深入探讨了聚能装药作用下混凝土漏斗坑的形成机理, 分析表明, 铝药型罩的开坑机理不同于钢和铜药型罩.      

聚能爆破

利用聚能效应原理加工制成的聚能药包在爆破工程中的应用,称“聚能爆破”。 本文所介绍的几种聚能药包的设计是以多次试验的总结资料为依据的。此外,文中主要介绍了试验结果和在实际爆破中的应用效果,尤其在铁道建设中的应用。     

聚能药包爆炸切割原理及其试验研究

本文将聚能装药结构的爆炸聚能原理应用于石材矿山的切割开采之中,首先分析了聚能药包爆炸作用对石材的切割原理,其中,着重研究了炮孔壁上的聚能开裂和裂缝扩展以及贯通的物理过程,推导了裂缝形成过程中各个阶段的力学条件;然后,将聚能切割原理应用于大理石的切割爆破之中,并对现场切割爆破效果和影响聚能效应的因素进行了分析讨论,试验研究表明,文中所得的结论与现场试验的结果相吻合。     

空腔解耦爆炸实验研究的基础理论(Ⅰ)

空腔解耦爆炸可使远区地震波幅度大大降低 ,国外已在现场和实验室内进行了大量的实验研究 ,但涉及空腔解耦爆炸实验数据分析方法及相关的基础理论知识基本上散布于各文献 ,我们在对国外有关文献调研的基础上 ,较为系统地介绍了空腔解耦爆炸的基础理论知识、实验数据的分析方法及解耦效应的简化分析模型。     

空腔解耦爆炸实验研究的基础理论(Ⅱ)

空腔解耦爆炸可使远区地震波幅度大大降低 ,国外已在现场和实验室内进行了大量的实验研究 ,但涉及空腔解耦爆炸实验数据分析方法及相关的基础理论知识基本上散布于各文献 ,我们在对国外有关文献调研的基础上 ,较为系统地介绍了空腔解耦爆炸的基础理论知识、实验数据的分析方法及解耦效应的简化分析模型。     

钢筋混凝土靶侵彻的可压缩弹-塑性动态空腔膨胀阻力模型

在Forrestal素混凝土靶侵彻的可压缩弹-塑性球形动态空腔膨胀理论模型基础上,考虑粉碎区以内钢筋对混凝土的环向约束作用,提出了一个适用于刚性弹侵彻钢筋混凝土靶的阻力模型。论文通过体积配筋率的引入,获得了钢筋混凝土靶空腔表面径向应力的理论解,并讨论了配筋率对空腔壁面径向应力及各分区大小的影响。结果表明：钢筋对混凝土的环向约束效应影响了空腔膨胀过程中混凝土各区域的大小分布,并提高了空腔表面的径向应力。

     

一种新型聚能战斗部的实验研究

本文根据能量利用的观点提出了一种新型聚能战斗部装药结构,指出开展其研究的重要价值;并对其射流与弹丸的成型过程和破甲机理进行了理论分析,在此基础上进行了系统的静破甲实验,并对该战斗部装药结构的一些关键结构参数(例如空孔孔径、炸高、小锥角聚能罩底面直径和锥角角度)和大、小锥角聚能罩材料之间的匹配关系对静破甲效果的影响进行了系统的分析研究。实验结果表明:在各自最佳炸高条件下,该新型聚能装药结构比普通EFP装药结构,在保持相当穿孔孔径、同等装药和壳体约束条件下,可以提高穿深达50%左右。进一步深化了聚能效应的内涵和丰富了打击目标的手段。     

几何相似律在聚能效应工程应用中的若干问题

本文在理论分析与试验的基础上指出几何模拟律在聚能效应工程应用中存在一些问题。在一定条件下几何相似可以达到侵彻模拟目的:但是在某些工程应用中几何模拟律不一定成立,并对一些问题提出了看法。这些问题有必要进一步开展研究。     

旋流消能工内空腔旋流的能量特性

为了揭示旋流消能工内空腔旋流的能量特性,本文以公伯峡水电站为例,基于组合涡运动规律推导并建立了空腔旋流各类能量的计算公式,研究了空腔旋流的能量特性。结果表明,文中的能量计算公式在空腔旋流的能量计算中具有更好的适宜性,克服了常规能量方程在空腔旋流能量精确计算中的局限。旋流洞内空腔旋流的切向动能沿程减小;轴向动能和压力势能沿程波动变化,且相对轴向动能和相对压力势能沿程变化趋势相反;空腔旋流的总能量以轴向动能为主且沿程减小;在水平长度为15.5m的研究流段间其能量损失约占总水头的5%。并结合湍动能耗散率揭示了空腔旋流能量损失的主要组成部分。成果对旋流消能工的设计和深入认识旋流消能工内空腔旋流的能量特性具有指导意义。     

空腔解耦爆炸实验研究的基础理论(Ⅰ)

空腔解耦爆炸可使远区地震波幅度大大降低 ,国外已在现场和实验室内进行了大量的实验研究 ,但涉及空腔解耦爆炸实验数据分析方法及相关的基础理论知识基本上散布于各文献 ,我们在对国外有关文献调研的基础上 ,较为系统地介绍了空腔解耦爆炸的基础理论知识、实验数据的分析方法及解耦效应的简化分析模型     

聚能射流水中侵彻行为的实验研究

对三种不同药型罩形成的射流在水中的侵彻行为进行了实验研究,采用电铜箔测速法及高速摄影法分别获取了聚能射流在水中的行进过程及图像。实验结果表明,水体的边界效应及聚能射流在水中的开坑行为对电铜箔的测量结果影响很大,且聚能射流的准定常侵彻行为在平均速度的变化上表现明显,在准定常侵彻阶段,聚能射流的速度可近似为线性递减,且药型罩构型对射流速度的衰减率影响较大,药型罩材料的影响较小。光测结果给出了聚能射流在水中的运动图像,且据此计算出的射流速度与电测结果吻合较好。     

基于聚能射流的岩石定向劈裂机制

基于岩石材料脆性断裂模型分析,从提高炸药能量向岩石断裂表面能转换效率的角度,提出采用预切槽和多点聚能射流冲击岩石进行裂纹引导与扩展,实现岩石定向劈裂。设计了一种可用于岩石劈裂的聚能装药,利用数值计算方法研究了岩石类脆性材料在聚能射流冲击作用下的定向劈裂机制,并计算比较了不同形状金属杆射流对岩体的冲击劈裂效果。分析计算该聚能装药射流形成与岩石的侵彻断裂过程,得出用于岩石劈裂的最佳聚能装药结构与炸高。实验成功用2枚聚能装药将岩石试块按预制方向劈裂,测试获得的岩石表面应力峰值约0.5～0.8 MPa。结果表明,采用该聚能装药在25 mm炸高下能够形成长径比约1∶3的楔形金属杆射流,沿着控界面预先设计的切槽方向,多点设置聚能装药,同时起爆后形成楔形金属杆射流冲击岩石,产生了较好的定向劈裂效果。该方法将爆炸能量精准导入控界面并有效地转换成岩石断裂表面能,从而提升了岩石定向劈裂的效果及炸药的能量利用率,研究结果可为大范围岩体开挖精确控界爆破切割装置设计及降低工程爆破危害提供参考。     

纵向磁场对聚能射流极限拉伸系数的影响

在分析纵向磁场能够增强聚能射流稳定性的基础上,根据聚能射流的运动方程以及聚能射流的塑性失稳条件,推导得到了聚能射流在纵向磁场中的极限拉伸系数计算公式,并计算了有、无磁场情况下极限拉伸系数的比值。通过两种炸高下的实验研究对理论模型进行了验证。结果表明:由于磁场的存在而引起的电磁力抑制了聚能射流颈缩的发展,进而延长了射流成型的惯性拉伸阶段,最终使聚能射流在磁场中的极限拉伸系数在一定程度上得到了增加;理论和实验所得结果吻合较好。运用所建立模型可以较准确地反映磁场对聚能射流极限拉伸系数的影响。     

聚能装药射流形成的自适应物质点法模拟

聚能装药可用来穿透装甲、岩石、混凝土等高强度日标,在国防工业以及石油工业有重要应用.质点类无网格法,如SPH和MPM,可以避免网格畸变,比基于网格的传统方法更适合聚能装药问题的模拟.该文针对物质点法中可能发生的数值断裂问题,提出了自适应分裂质点的方案.当质点在某一方向的累积应变达到一定阈值,即将质点一分为二,从而使物质点法可以更有效的表达射流形成过程中强烈的拉伸变形.采用C++语言编制了可自适应分裂质点的三维物质点法程序MPM3DPP,应用Johnson-Cook材料模型用来考虑应变率效应和热软化效应,Mie-Gruneisen状态方程用于金属在高压下的压力计算,Jones-Wilkins-Lee(JWL)状态方程用于描述爆炸产物等膨胀过程,并在压力项加入人工粘性用来处理冲击波.模拟并分析了爆炸飞片、聚能射流等问题,通过数值模拟,对射流形成过程中的变形情况以及温度、速度的分布进行分析.模拟结果和经验公式吻合.     

条形空腔分集药包若干设计问题的研究

本文讨论了条形空腔药包的分集原则、间断长度、药量计算和最小空腔比的确定,以及条形空腔药包的地震效应等,它们都是条形空腔药包设计中必须解决的重要课题。文中对建立的计算公式列举了若干算例,证明与爆后的实际情况或小型试验比较吻合。     

一种新型聚能破甲弹的应用研究

基于能量利用的观点提出一种新型聚能破甲弹装药结构，对其破甲性能进行研究；在进行射流与弹丸的成型过程和破甲机理理论分析基础上，采用静破甲实验对该破甲弹装药结构的关键参数和大、小锥角聚能罩材料之间匹配关系对破甲效果影响进行了系统研究．实验结果表明：在各自最佳炸高条件下，该新型聚能装药结构比EFP装药结构，在保持相当穿孔孔径、同等装药和壳体约束条件下，可以提高穿深达50％左右；进一步深化和丰富了聚能效应内涵．     

聚能爆破在岩石控制爆破技术中的应用研究

聚能爆破技术是岩石控制爆破技术中有待开发的领域.根据爆炸力学、岩石断裂力学理论,从当前控制爆破面临的问题入手,对线性聚能药包(Linear shaped charge)在岩石定向断裂爆破中裂纹的产生及扩展进行了研究,并利用自制线性聚能药包在巷道掘进中进行了工程试验.试验结果表明由聚能药包岩石定向断裂爆破有明显的定向作用,裂纹的定向断裂控制效果理想,经济和社会效益明显.