乳化炸藥聚能射流侵徹靶板的數(shù)值仿真

吳紅波， 邢化島， 繆志軍， 顏事龍， 夏曼曼

(安徽理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院， 安徽淮南 232001)

?

乳化炸藥聚能射流侵徹靶板的數(shù)值仿真

吳紅波， 邢化島， 繆志軍， 顏事龍， 夏曼曼

(安徽理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院， 安徽淮南 232001)

摘要：為了研究聚能射流侵徹靶板的過(guò)程，采用乳化炸藥對(duì)半球形藥型罩聚能射流侵徹靶板實(shí)驗(yàn)，控制炸高為9cm，藥型罩采用銅質(zhì)材料。利用AUTODYN軟件對(duì)聚能射流的形成、侵徹鋁板的過(guò)程進(jìn)行數(shù)值仿真，并且對(duì)多物質(zhì)EULER算法求解得到的模擬結(jié)果進(jìn)行分析，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。

關(guān)鍵詞：AUTODYN； 數(shù)值仿真； 聚能射流； 藥型罩； 乳化炸藥； EULER算法

1引 言

聚能效應(yīng)是在炸藥的一端添加空穴提高局部損壞作用的效應(yīng)。在裝藥空穴底部增加藥型罩，則藥型罩在炸藥爆轟作用下形成高速、高溫的金屬射流，形成的杵體具有非常大的侵徹能力〔1〕。隨著社會(huì)的迅速發(fā)展，石油和礦山的開(kāi)采不斷增加，在軍事領(lǐng)域，裝甲防護(hù)技術(shù)不斷地發(fā)展〔2〕，因此，聚能射流技術(shù)變得尤為重要，研究射流形成過(guò)程可以更好地提高侵徹能力。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究乳化炸藥聚能射流形成機(jī)理，為乳化炸藥在特種爆破中得到廣泛應(yīng)用提供一定的數(shù)據(jù)支持。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究動(dòng)能毀傷對(duì)靶板的破壞，得出大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)〔3-4〕。CURTIS J P研究了不同材料復(fù)合藥型罩的射流形成模型〔5〕，臧濤成等〔6〕對(duì)多層藥型罩提高射流速度進(jìn)行了研究，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，應(yīng)用數(shù)值模擬的方法對(duì)射流的形成、侵徹過(guò)程進(jìn)行仿真變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，采用仿真方法(有限單元法)分析侵徹靶板的全過(guò)程，不僅有利于了解射流形成、侵徹的整個(gè)機(jī)理，而且對(duì)提高破甲彈破甲的能力有一定的幫助。郭芳、龍?jiān)吹取?〕利用AUOTDYN-2D軟件研究彈藥聚能射流銷(xiāo)毀技術(shù)，任新建、李林等〔8〕采用LA-DYNA研究聚能射流侵徹的計(jì)算與模擬試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性，通過(guò)模擬節(jié)約實(shí)驗(yàn)費(fèi)用、耗時(shí)短〔9〕。

AUTODYN非線性動(dòng)力學(xué)仿真軟件中，Lagrange方法主要應(yīng)用于固體力學(xué)，EULER多物質(zhì)耦合法在流體研究中應(yīng)用廣泛，ALE(Arbitrary Lagrange-Euler)是解決流體和固體耦合問(wèn)題的算法。本文采用EULER算法對(duì)乳化炸藥爆炸產(chǎn)生的聚能射流進(jìn)行數(shù)值仿真，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證ANSYS-AUTODYN軟件模擬結(jié)果的可行性、有效性、可靠性〔10〕。為研究乳化炸藥破甲以及穿孔設(shè)計(jì)提供參考。

2模型的建立與仿真

2.1假設(shè)

通常情況下，聚能射流是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，將復(fù)雜的模型進(jìn)行簡(jiǎn)化并保證模型真實(shí)性，對(duì)于射流侵徹假設(shè)如下：①射流的全過(guò)程是一個(gè)絕熱過(guò)程；②忽略靶板運(yùn)動(dòng)和外界的干擾及摩擦產(chǎn)生的熱效應(yīng)；③炸藥、藥型罩、空氣和鋼板為均勻連續(xù)介質(zhì)。

2.2模型及材料參數(shù)

射流形成、侵徹模型主要有炸藥、藥型罩、裝藥管、空氣和靶板四部分組成。炸藥為乳化炸藥，藥型罩為半球形殼體，厚1mm，靶板為厚度18mm的鋁板，炸高為90mm，由于整個(gè)模型具有軸對(duì)稱(chēng)性，為了節(jié)約計(jì)算時(shí)間，故采用二維平面1/2模型建模，采用mm-mg-ms單位制。其中炸藥、藥型罩、空氣材料采用EULER算法，靶板采用Lagrange方法，模型如圖1所示。

圖1　射流模型Fig.1　Jet model

聚能裝藥產(chǎn)生的爆轟產(chǎn)物采用JWL狀態(tài)方程：

(1)

式中：P為壓力； E為爆轟產(chǎn)物的內(nèi)能； V為爆轟產(chǎn)物的相對(duì)體積；A， B， R1， R2， ω為實(shí)驗(yàn)擬合參數(shù)〔11〕。

炸藥的具體材料參數(shù)如表1所示。

靶板和藥型罩材料模型采用金屬材料的Johnson-Cook本構(gòu)模型，其狀態(tài)方程為Shock，材料發(fā)生斷裂的應(yīng)變表達(dá)式為：

表1　乳化炸藥材料參數(shù)

ε=(D1+D2eD3σ*)(1+D4lnε*)(1+D5T*)

(2)

設(shè)損傷度為D，則有：

(3)

銅藥型罩材料的Johnson-Cook模型參數(shù)如表2所示。

表2　銅藥型罩Johnson-Cook模型參數(shù)

注：a-小應(yīng)變條件下材料屈服應(yīng)力常數(shù);b-材料應(yīng)變應(yīng)化系數(shù);n-材料應(yīng)變硬化指數(shù);c-材料應(yīng)變率相關(guān)系數(shù);m-材料溫度相關(guān)系數(shù)。

聚能射流模型相關(guān)材料參數(shù)如表3所示。

表3　材料參數(shù)

2.3監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

為了能夠準(zhǔn)確描述射流形成、侵徹過(guò)程以及速度的變化，數(shù)值模擬采用X軸對(duì)稱(chēng)模型并設(shè)置了不同的固定觀察點(diǎn)，用于檢測(cè)射流頭部速度變化以及杵體長(zhǎng)度變化，觀測(cè)點(diǎn)間距為5mm，共22個(gè)，第一個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)為(25，0)，如圖2所示。

圖2 　固定觀察點(diǎn)位置Fig.2　Fixed observation points position

2.4仿真結(jié)果及分析

將設(shè)計(jì)好的模型尺寸和相關(guān)參數(shù)輸入到AUOTODYN軟件內(nèi)進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)大量的模擬仿真得到較好的射流及炸高，獲得最佳的侵徹效果。通過(guò)AUTODYN軟件將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)出，得出射流杵體的形成、杵體到達(dá)靶板及侵徹靶板模擬圖，如圖3所示。

圖3　射流形成及侵徹過(guò)程Fig.3　Jet formation and penetration process

從圖3(a)可以看出炸藥爆炸產(chǎn)生爆生氣體和沖擊波，沖擊波傳播至藥型罩。圖3(a)～(b)為炸藥爆炸產(chǎn)生高溫、高壓氣體壓縮藥型罩，形成杵體的過(guò)程；圖3(b)～(d)為藥型罩杵體的形成、拉伸，圖3(c)中，銅藥型罩拉伸過(guò)程杵體發(fā)生斷裂；圖3(d)～(f)中，射流杵體頭部平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)并侵徹靶板，杵體尾部斷裂增加，形成破片。在侵徹靶板的過(guò)程中，杵體頭部隨著侵徹深度的增加，速度越來(lái)越小，造成這種現(xiàn)象的原因是杵體頭部與靶板接觸面積不斷增加，阻力越來(lái)越大，從而使速度逐漸減小，另外，靶板在杵體的侵徹作用下，出現(xiàn)凹坑，底部受沖擊力的影響，形成凸起變形現(xiàn)象。

2.5射流速度變化

采集各個(gè)固定觀測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，通過(guò)AUTODYN軟件得出藥型罩射流速度分布曲線，如圖4所示。

圖4　固定觀察點(diǎn)速度-時(shí)間曲線 Fig.4　Velocity-time curves at fixed observation points

通過(guò)圖4可以看出，觀測(cè)點(diǎn)1測(cè)得炸藥爆炸時(shí)的速度接近5000m/s；觀測(cè)點(diǎn)2～10是藥型罩在爆炸產(chǎn)生高溫、高壓作用下的變形速度變化，杵體形成初期，藥型罩壓垮的過(guò)程速度不穩(wěn)定；觀測(cè)點(diǎn)10～20，杵體形成的穩(wěn)定期速度在2800m/s左右；觀測(cè)點(diǎn)20～22，杵體侵徹靶板過(guò)程中，杵體頭部速度逐漸下降。

通過(guò)AUTODYN軟件可以得到聚能射流侵徹靶板過(guò)程中藥型罩與靶板的動(dòng)能變化曲線，如圖5所示。

圖5　藥型罩與靶板動(dòng)能變化曲線Fig.5　Kinetic energy-time curves of shaped charge cover and target

由圖5可得，0～0.006ms內(nèi)，藥型罩和靶板動(dòng)能為0；0.006ms～0.036ms內(nèi)，藥型罩動(dòng)能瞬間升高，出現(xiàn)最高點(diǎn)，藥型罩動(dòng)能隨時(shí)間的增加逐漸降低，由于藥型罩被壓垮形成杵體的過(guò)程消耗部分能量，形成的杵體未侵徹靶板，所以靶板動(dòng)能為0；大于0.036ms時(shí)，杵體動(dòng)能隨著時(shí)間的增加迅速降低，靶板動(dòng)能逐漸增加，由于杵體侵徹靶板過(guò)程中，杵體能量逐漸傳遞給靶板，靶板獲得能量，靶板動(dòng)能增加。

比較圖4和圖5，可以看出，在0.036ms后，杵體速度隨著時(shí)間的增加而減少，根據(jù)動(dòng)能公式Ep=mv2/2可得杵體動(dòng)能減少；圖5得出杵體在侵徹靶板過(guò)程動(dòng)能逐漸的減少，與理論相一致；根據(jù)能量守恒定律可得，靶板的動(dòng)能增加，與模擬結(jié)果相同。

3實(shí)驗(yàn)部分

3.1材料與儀器

儀器：爆炸容器；電子天平。

材料：8號(hào)電雷管；裝藥直徑為32.0mm乳化炸藥；規(guī)格為25.0mm×1.5mm、32.0mm×1.0mm PVC水管；銅板壁厚各為1.0mm；靶板厚度為25mm鋁板。

3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

用藥型罩模具制作半球形藥型罩，如圖6所示。

圖6　藥型罩Fig.6　The shaped charge cover

截取規(guī)格為25.0mm×1.5mm的PVC水管長(zhǎng)度為60mm作為裝藥管，截取規(guī)格為32.0mm×1.0mm PVC水管長(zhǎng)度為120mm作為炸高，每次稱(chēng)取乳化炸藥30g，炸高均控制在90mm。完整的實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示。

圖7　實(shí)驗(yàn)裝置Fig.7　Experimental device

最后，將實(shí)驗(yàn)裝置放入爆炸容器內(nèi)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，使用游標(biāo)卡尺測(cè)量侵徹深度，記錄數(shù)據(jù)，進(jìn)行兩次平行實(shí)驗(yàn)，求其平均值。

3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4　靶板侵徹深度

4仿真與實(shí)驗(yàn)的比較

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果如圖8所示。

圖8　仿真與實(shí)驗(yàn)的比較Fig.8　Comparison of simulation with experiment

由圖8可以看出，仿真侵徹深度為16mm左右；而實(shí)驗(yàn)結(jié)果為16.7mm，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相同，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。

從圖8(b)中可看出，靶板表面出現(xiàn)了許多小坑，這是由于炸藥爆炸壓縮藥型罩閉合形成杵體的過(guò)程中，杵體頭部和尾部速度變化差異較大，隨著拉伸的增加，逐漸達(dá)到銅材質(zhì)的抗拉強(qiáng)度，杵體出現(xiàn)斷裂。杵體在斷裂過(guò)程中，形成許多徑向飛散破片，破片在慣性的作用下，撞擊靶板形成了許多小坑，由于斷裂的大小不同，因此開(kāi)坑的大小也不一樣，模擬過(guò)程也出現(xiàn)杵體斷裂現(xiàn)象，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果現(xiàn)象基本一致。

5結(jié) 論

(1)乳化炸藥聚能射流的侵徹深度為9cm，模擬聚能射流侵徹結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常吻合，驗(yàn)證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(2)射流仿真的結(jié)果符合實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的物理現(xiàn)象和一般規(guī)律，通過(guò)數(shù)值模擬可以節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本,有利于進(jìn)一步了解射流侵徹靶板的全過(guò)程及原理。

參考文獻(xiàn)(References)：

〔1〕北京理工大學(xué)八系． 爆炸及其作用(下冊(cè))[M]． 北京：國(guó)防工業(yè)出版社,1979.

Eighth department of Beijing institute of technology． Explosion and its effects (Volume two)[M]． Beijing: National defense industry press,1979.

〔2〕 王儒策,趙國(guó)志. 彈丸終點(diǎn)效應(yīng)[M]. 北京：北京理工大學(xué)出版社,1993:200-201.

WANG Ru-ce, ZHAO Guo-zhi. Terminal effect of projectile[M]. Beijing: National defense industry press,1993:200-201.

〔3〕 YARIN A L, ROISMA I V, WEBER K, et al. Model for ballistic fragmentation and behind-armor debris[J]. International Journal of Impact Engineering,2000,24(2):171-201.

〔4〕 MAYSELESS M,SELA N,STILP A J,et al. Behind thearmor debris distribution function[C]∥PERSSON A. 13th Internationall Symposium on Ballistics. Stock-holm，Sweden:National Defence Research Establisment,1992.

〔5〕 CURTIS J P ,CORNISH R. Formation model for shaped charged liners comprising multiple layers of different materials[C]∥18thInternational symposium on Ballistics. San Antonio: Technomic Publishing Company Inc.,1999:458-465.

〔6〕 臧濤成,賈建新,黃麗宏. 用聚能裝藥多層藥型罩提高射流速度的研究[J]. 彈道學(xué)報(bào),1995,7(2):78-82.

ZANG Tao-cheng, JIA Jian-xin, HUANG Li-hong. Researches on improving shaped charge jet velocity used by multilayer shaped charge cover[J] . Journal of Ballistics, 1995,7(2):78-82.

〔7〕 郭方,龍?jiān)?郭濤,等. 薄殼工程彈藥聚能射流銷(xiāo)毀技術(shù)[J]. 工程爆破, 2015, 21(2):43-47.

GUO Fang, LONG Yuan, GUO Tao, et al. Destruction technology of ammunition with thin shell by shaped charge jet[J]. Engineering Blasting, 2015, 21(2):43-47.

〔8〕 任新見(jiàn),李林,李世民. 聚能射流侵徹的計(jì)算與模擬試驗(yàn)研究[J]. 工程爆破, 2008, 14(4):13-15.

REN Xin-jian,LI Lin, LI Shi-min. Calculation and simulation experiment research on penetration of cumulative jet[J]. Engineering Blasting, 2008, 14(4):13-15.

〔9〕 黃俊卿,李光輝,趙建勛,等. 基于ALE方法實(shí)現(xiàn)射流侵徹靶板的數(shù)值仿真[C]∥ 2012年第14屆中國(guó)系統(tǒng)仿真技術(shù)及其應(yīng)用學(xué)術(shù)年會(huì)(CCSSTA′2012). 三亞：科研出版社，2012:128-132.

HUANG Jun-qing, LI Guang-hui, ZHAO Jian-xun, et al. Numerical simulation of the jet penetration the target base on ALE[C]∥ Proceedings of 14th Chinese Conference on System Simulation Technology & Application (CCSSTA′2012). Sanya: Scientific Research Publishing, 2012:128-132.

〔10〕李世民,李曉軍,郭彥朋. 基于AUTODYN對(duì)彈丸高速碰撞靶體的數(shù)值模擬[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2013,25(4):621-625.

LI Shi-min, LI Xiao-jun, GUO Yan-peng. Numerical simulation of projectile high-velocity impacting target with AUTODYN[J]. Journal of System Simulation,2013,25(4):621-625.

〔11〕 孟超群,楊崇倡,劉娜娜. 高速卷繞機(jī)筒管夾頭的仿真分析[J]. 合成纖維工業(yè),2012,35(2):57.

MENG Chao-qun, YANG Chong-chang, LIU Na-na. Simulation analysis of bobbin chuck of high-speed winder[J]. China Synthetic Fiber Industry,2012,35(2):57.

Numerical simulation of shaped charge jet penetrating on target by emulsion explosive

WU Hong-bo, XING Hua-dao, MIAO Zhi-jun, YAN Shi-long, XIA Man-man

(School of Chemical Engineering， Anhui University of Science and Technology， Huainan 232001， Anhui， China)

ABSTRACT：In order to study the process of the shaped charge jet penetrating on target, the hemispherical shaped charge cover was employed in the experiment of shaped charge jet penetrating target by using emulsion explosive. Experimental blasting height was 9cm. The material of shaped charge cover was copper. The AUTODYN software was used to simulate shaped charge jet formation and the process of penetrating on target. The result was analyzed by using multi-materials EULER method and was proved basically consistent with experimental results.

KEY WORDS:AUTODYN; Numerical simulation; Shaped charge jet; Shaped charge cover; Emulsion explosive； EULER method

中圖分類(lèi)號(hào)：TD235； TJ410.3+33

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.3969/j.issn.1006-7051.2016.01.015

作者簡(jiǎn)介：吳紅波(1975-)，男，博士、副教授，從事乳化炸藥性能研究及爆炸安全技術(shù)與管理的教學(xué)與科研工作。E-mail： hbwu@aust.edu.cn

基金項(xiàng)目：高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(20123415110004)

收稿日期：2015-11-16

文章編號(hào)：1006-7051(2016)01-0068-05