超厚藥型罩與射流的材料分配關(guān)系

山西中北大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院　徐斌

超厚藥型罩與射流的材料分配關(guān)系

山西中北大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院徐斌

聚能裝藥廣泛應(yīng)用于軍事和民用穿孔、切割領(lǐng)域。本文主要研究在應(yīng)用超厚度藥型罩的情況下藥型罩材料與射流材料的分配關(guān)系，通過AUTODYN-2D數(shù)值仿真設(shè)定隨動點方法給出二者的材料分配關(guān)系，以此為基礎(chǔ)通過控制藥型罩結(jié)構(gòu)來調(diào)整射流結(jié)構(gòu)，為改善射流狀態(tài)的裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論指導(dǎo)。

聚能裝藥；藥型罩；射流；分配關(guān)系

引言

在裝藥類型、密度、總藥量條件相同條件下聚能裝藥結(jié)構(gòu)具備確定總能量值的特點，能量在藥型罩形成射流各個部分的分配情況與射流的穩(wěn)定飛行能力和侵徹能力密切相關(guān)。如何保證有效射流部分具備較高能量密度和總能量值［1］，是提高射流侵徹能力的關(guān)鍵因素。在微型線型聚能切割器應(yīng)用當(dāng)中，為保證足夠的射流量和拓寬裝藥結(jié)構(gòu)在大炸高條件下的應(yīng)用要求，相對于常規(guī)聚能結(jié)構(gòu)，微型線型聚能切割結(jié)構(gòu)的藥型罩相對較厚。本文借助仿真計算軟件AUTDOYN-2D［2］的隨動gauges測點方法研究超厚藥型罩條件下，藥型罩材料與射流的詳細(xì)分配關(guān)系，為高效聚能裝藥及異形藥型罩結(jié)構(gòu)研究提供參考。

1理論分析

射流形成定常理論［3］（圖1）中，在射流軸向碰撞點運動坐標(biāo)系中，射流流動速度v2由公式（1、2）計算。由公式可知隨著藥型罩壓垮距離增大，壓垮角β不斷增大，射流流動速度v2不斷降低。根據(jù)軸對稱藥型罩壓合過程中厚度方向各層速度分布規(guī)律［2］，可分析厚度方向射流速度變化情況。

圖1　射流壓合過程幾何圖形

y2代表微元厚度方向任意位置到射流碰撞點O的距離，v2為此厚度位置射流速度，M為射流微元質(zhì)量，m為y2到y(tǒng)3范圍內(nèi)射流微元質(zhì)量。通過分析可知微元外表面速度不斷減小且恒小于v0，內(nèi)表面速度不斷增大且恒大于v0。一方面隨著母線方向v0不斷減小，另一方面隨著v0速度在罩微元層厚方向位置變化，加上射流形成的臨界條件，就可以確定藥型罩母線方向和厚度方向二維空間射流分配情況。

2　仿真模型

2.1本構(gòu)方程、狀態(tài)方程與邊界條件

采用AUTODYN-2D作為建模軟件［4］，應(yīng)用Euler方法建立空氣裝藥和SC模型，選定0.01mm尺寸網(wǎng)格。建立模型及隨動gauges測點情況如圖3所示。藥型罩厚度方向和母線方向均勻設(shè)置58個測量點，觀察藥型罩在壓垮過程中各個微元的動態(tài)變化情況。

本仿真使用炸藥的JWL狀態(tài)方程（5），參數(shù)為A=3.71 B=7.43E-2，R1=4.15，R2=0.95。裝藥密度為理論值：1.717 g/cm3。裝藥結(jié)構(gòu)采用Steinberg本構(gòu)方程，公式（6）為剪切模量G在融化前與內(nèi)能、壓力和比容之間的關(guān)系，公式（7）為屈服極限的表達(dá)式。

圖2　藥型罩微元壓合計算

σ0、b、h、f為試驗測量材料常數(shù)，p為壓力，v為比容，ec為冷壓縮能，em為熔化能量，ei為比內(nèi)能，R為普適氣體常數(shù)，ρ為密度，A為摩爾質(zhì)量，Rρ/A=R1。

3　仿真結(jié)果

提取1微秒和4微秒時刻射流狀態(tài)如圖3所示。根據(jù)射流最后的三段形態(tài)（射流、翼、杵體）中g(shù)auges點位置與藥型罩結(jié)構(gòu)對應(yīng)點位置的分析，可以得到藥型罩材料形成射流各個階段的材料分配如圖4所示，黑色線右側(cè)形成射流，紅色線左側(cè)形成杵體，中間部分形成“翼”狀體。

圖3　射流形態(tài)

圖4　材料分配

4　結(jié)論

采用隨動測點方式確定藥型罩與射流各部分材料關(guān)系，采用截頂藥型罩，減薄藥型罩底部厚度，可有效提高有效射流量這與已知藥型罩設(shè)計方法結(jié)論一致，分析結(jié)果可靠有效。

［1］侯秀成，蔣建偉，陳志剛.有效射流與藥型罩材料的分配關(guān)系［J］.兵工學(xué)報，2013，34（8）：936-941.

［2］崔軍.聚能射流對靶板侵徹的數(shù)值仿真 ［J］.兵工自動化，2010.Vol.29 NO.1.P24～26

［3］隋樹元，王樹山.終點效應(yīng)學(xué)［M］.國防工業(yè)出版社，2000. ISSN：7-118-02200-4.中圖分類號：TJ012.4.

［4］Ansys AutoDyn971 help Manual［Z］.CenturyDynamic Corporation.USA，2005.

徐斌，1989出生，山東人，碩士，研究方向：終點效應(yīng)。