銅鋁復(fù)合藥型罩厚度比的數(shù)值模擬研究

曹 杰，王 猛，胡坤倫，汪 齊，何 文

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銅鋁復(fù)合藥型罩厚度比的數(shù)值模擬研究

曹 杰1，王 猛1，胡坤倫1，汪 齊1，何 文2

（1.安徽理工大學(xué)彈藥工程與爆炸技術(shù)系，安徽淮南，232001； 2.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院固體力學(xué)系，江西贛州，341000）

研究了材料廉價(jià)易得、制作工藝簡(jiǎn)單的銅鋁雙層復(fù)合藥型罩，通過(guò)波阻抗匹配理論確定了鋁銅厚度比值下限為1.33。利用AUTODYN軟件對(duì)不同結(jié)構(gòu)藥型罩進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)銅鋁厚度比為1∶1.5時(shí)銅鋁雙層復(fù)合藥型罩射流性能最優(yōu)，相比單層銅藥型罩，射流頭部速度提高了14.75%，0.05ms時(shí)射流長(zhǎng)度提高了19.45%。本研究可以為工程應(yīng)用提供參考。

復(fù)合藥型罩；聚能裝藥；結(jié)構(gòu)；射流；數(shù)值模擬

藥型罩是聚能裝藥的核心部分，其材料選擇對(duì)生成的射流性能影響顯著[1]。射流形成理論認(rèn)為：要取得較好侵徹效果，藥型罩應(yīng)選用密度大、塑性好、汽化點(diǎn)高的材料，因此傳統(tǒng)工藝常用銅、鉭等重金屬制成單層藥型罩[2]。然而單層藥型罩能量利用率不高，是因?yàn)檎ㄋ幈Z后只有小部分內(nèi)層金屬轉(zhuǎn)化為射流，其余大部分都轉(zhuǎn)化為杵體和裙翼等；同時(shí)，爆轟波在藥型罩表面產(chǎn)生強(qiáng)反射，單層罩的能量傳遞機(jī)制不合理。因此，若通過(guò)雙層或多層板材間組合，不僅能更高效地將炸藥能量傳遞至藥型罩內(nèi)層，提高侵徹能力，還能減少重金屬在罩外層的消耗，降低成本。復(fù)合藥型罩由于制作工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，具有廣泛應(yīng)用前景[3]。

復(fù)合藥型罩技術(shù)在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)取得一定進(jìn)展，但關(guān)于不同材料組合厚度比的問(wèn)題研究較少。Chante- ret[4]通過(guò)在銅罩和炸藥之間配置一層鎳罩，解決了射流的不連續(xù)問(wèn)題。Tosello[5]等對(duì)鉭鎳組合的雙層球罩水下射流進(jìn)行了研究。崔斌[6]對(duì)尼龍-銅復(fù)合藥型罩射流成形進(jìn)行了仿真研究。臧濤成[7]通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了銅鋁復(fù)合罩具有射流性能好、杵體小的優(yōu)點(diǎn)。鄭宇[8]建立了雙層藥型罩射流成形的數(shù)學(xué)模型。

本文根據(jù)聚能射流雙層罩理論計(jì)算了內(nèi)外層材料厚度比。利用AUTODYN建立歐拉軸對(duì)稱平面簡(jiǎn)化模型來(lái)計(jì)算柱狀聚能裝藥結(jié)構(gòu)，模擬了銅鋁雙金屬層藥型罩的射流形成過(guò)程，并與傳統(tǒng)單層金屬罩射流進(jìn)行對(duì)比分析，得出相關(guān)結(jié)論。

1 設(shè)計(jì)原理

利用聚能裝藥結(jié)構(gòu)破壞目標(biāo)介質(zhì)時(shí)，罩內(nèi)層材料形成的射流起侵徹作用，而在炸藥爆轟驅(qū)動(dòng)作用下，單層罩大部分材料形成射流后部的杵體，只有6%~11%內(nèi)層金屬轉(zhuǎn)變成射流。使用單層罩時(shí)，爆轟波傳遞至金屬界面會(huì)發(fā)生嚴(yán)重反射，能量利用率低。根據(jù)波阻抗匹配原理，如果在A、B兩種介質(zhì)之間加入波阻抗階梯匹配的介質(zhì)C，則會(huì)增加透射到介質(zhì)B中的能量。因此，藥型罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，將傳統(tǒng)單層藥型罩靠近炸藥部分一定厚度的重金屬替換為阻抗較低的金屬，能提高射流的侵徹性能。

炸藥爆炸后，當(dāng)應(yīng)力波從外層罩傳入內(nèi)層時(shí)：

式（1）中：1、σ和σ分別為入射波、透射波和反射波；為外罩和內(nèi)罩材料的聲阻抗比。

復(fù)合藥型罩在爆轟波作用下，內(nèi)外層罩微元加速度比值為[9]：

式（2）中：1和2分別為面積為的外、內(nèi)層罩微元厚度；1和2分別為外、內(nèi)層罩的材料密度。

將式（1）、（2）聯(lián)立：

式（3）中：為材料聲速。

因此選擇合適的材料組合和厚度比值使大于1，內(nèi)層罩便能獲得更大速度，進(jìn)而提高射流動(dòng)能，提高侵徹威力。根據(jù)鋁和銅的聲速可以求出用鋁做外層材料時(shí)，鋁銅厚度比應(yīng)大于1.33。

2 計(jì)算模型的建立

2.1 算法選擇

考慮到聚能射流問(wèn)題模擬過(guò)程中可能出現(xiàn)網(wǎng)格扭曲，或材料發(fā)生混合，本文模擬中選擇適合模擬大變形問(wèn)題的歐拉算法[10]。在歐拉算法中，計(jì)算網(wǎng)格固定在空間不隨物體運(yùn)動(dòng)，而材料相對(duì)于網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)，因此不存在網(wǎng)格畸變問(wèn)題。

2.2 模型處理

本模型由炸藥、藥型罩和空氣3部分組成，裝藥部分為帶錐孔的圓柱體，藥型罩為錐形罩。在中心點(diǎn)起爆方式下，模型可簡(jiǎn)化為二維軸對(duì)稱問(wèn)題，如圖1所示。本模擬試驗(yàn)分3組進(jìn)行。除藥型罩材料外，其余聚能裝藥參數(shù)相同。模型參數(shù)見表1。

表1 模型參數(shù)

Tab.1 Parameters of model

圖1 聚能裝藥模型

為了比較不同結(jié)構(gòu)藥型罩的射流參數(shù)，模擬時(shí)設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)1~10位于軸線上，用于監(jiān)測(cè)射流速度變化?；顒?dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)11~16位于藥型罩內(nèi)層，用于跟蹤內(nèi)層罩微元?？紤]到射流頭部由藥型罩頂點(diǎn)附近材料形成，在11號(hào)測(cè)點(diǎn)附近增加動(dòng)測(cè)點(diǎn)數(shù)密度，以達(dá)到準(zhǔn)確測(cè)定射流頭部參數(shù)的目的。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置情況如圖2所示。計(jì)算結(jié)束，通過(guò)動(dòng)測(cè)點(diǎn)移動(dòng)圖像追蹤到29、31號(hào)測(cè)點(diǎn)處材料最終形成射流頭部。

2.3 材料模型及參數(shù)

材料均從軟件材料庫(kù)選取，炸藥爆轟產(chǎn)物選用JWL狀態(tài)方程；空氣選用理想氣體狀態(tài)方程，Int Energy為2.068e5；罩體材料模型采用Linear[11]狀態(tài)方程，其本構(gòu)模型為Johnson Cook。炸藥及罩體材料參數(shù)分別列于表2~3。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置

表2 炸藥材料參數(shù)

表3 罩體材料參數(shù)

3 結(jié)果分析

程序計(jì)算至0.05ms時(shí)，采集3組模型軸向方向所測(cè)的射流速度分布曲線，如圖3所示。

圖3 軸線方向速度分布曲線

觀察3幅圖的測(cè)點(diǎn)1可以看出，3種結(jié)構(gòu)藥型罩頂角附近測(cè)點(diǎn)所測(cè)速度急劇增大后迅速降低至0.5km·s-1附近，經(jīng)過(guò)0.01~0.02ms的小幅度加速趨勢(shì)后，緩慢降為0km·s-1，此處微元全部形成了杵體。將圖3(a)、圖3(c)與圖3(b)比較時(shí)發(fā)現(xiàn)，復(fù)合藥型罩結(jié)構(gòu)下，距離藥型罩頂角10~40mm內(nèi)的1、2、3、4固定測(cè)點(diǎn)所測(cè)速度峰值依次呈增加趨勢(shì)，而距離單層銅罩頂角40mm的處速度峰值已經(jīng)出現(xiàn)下降趨勢(shì)。固定測(cè)點(diǎn)7~10速度下降部分較其他測(cè)點(diǎn)更為平緩，此部分微元形成了穩(wěn)定射流。3組結(jié)果中各組測(cè)點(diǎn)所測(cè)速度滿足3﹥1﹥2，即序號(hào)3鋁/銅結(jié)構(gòu)下射流獲得能量最高，而單層銅罩結(jié)構(gòu)下射流所獲能量最低。驗(yàn)證了理論厚度比的合理性。圖4為0.05ms時(shí)3組射流圖像。圖5、6分別為同一組試驗(yàn)中內(nèi)層藥型罩上各測(cè)點(diǎn)處材料的壓力——時(shí)間曲線和速度——時(shí)間曲線。

圖4 射流形態(tài)

圖5 罩內(nèi)層測(cè)點(diǎn)壓力曲線

圖6 罩內(nèi)層測(cè)點(diǎn)速度曲線

觀察圖5發(fā)現(xiàn)，每個(gè)曲線均出現(xiàn)2個(gè)壓力峰，第1個(gè)壓力峰是爆轟波驅(qū)動(dòng)罩體引起的，第2個(gè)壓力峰則是罩體被壓垮后在軸線匯聚碰撞引起的。結(jié)合圖6，當(dāng)一點(diǎn)處壓力首次出現(xiàn)峰值時(shí)，該點(diǎn)速度急劇增大，隨后加速度減小。第2個(gè)壓力峰到達(dá)，加速度又開始增加，壓力達(dá)到壓力峰峰值后，速度趨于穩(wěn)定，若該點(diǎn)材料形成杵體，則匯聚碰撞后該點(diǎn)速度下降。

3組試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果顯示，藥型罩頂角處29、31號(hào)測(cè)點(diǎn)處金屬被擠壓至射流前端，分別提取各組結(jié)果中兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓力、速度曲線均能得出3#性能最佳，且1#優(yōu)于2#。驗(yàn)證了厚度比計(jì)算的合理性。圖7、8為兩測(cè)點(diǎn)的壓力、速度曲線。3組不同材料配置的藥型罩射流參數(shù)均列于表4。

表4 射流參數(shù)

Tab.4 Parameters of jet

圖7 29、31號(hào)測(cè)點(diǎn)壓力曲線

圖8 29、31號(hào)測(cè)點(diǎn)速度曲線

從表4可以得出：試驗(yàn)中兩組復(fù)合藥型罩射流長(zhǎng)度及射流頭部速度均大于單層銅罩，單層銅罩射流頭部速度未達(dá)到5 000m/s，而復(fù)合罩中最高速度達(dá)到了5 600m/s。鋁銅厚度比為1時(shí)射流長(zhǎng)度及頭部速度較純銅罩分別提高了10.42%、12.09%；鋁銅厚度比為1.5時(shí)上述參數(shù)又得到一定提高，其射流長(zhǎng)度較純銅罩提高了19.45%，射流頭部速度提高了14.75%。

4 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)復(fù)合藥型罩時(shí)，炸藥、外層材料和內(nèi)層材料應(yīng)滿足波阻抗逐級(jí)匹配關(guān)系，在此條件下能大幅度提高射流質(zhì)量。與此同時(shí)，外層材料應(yīng)選取廉價(jià)易得的材料以降低生產(chǎn)成本。按此條件設(shè)計(jì)的復(fù)合藥型罩符合工業(yè)用火工品的要求，具有廣闊的發(fā)展前景。

（2）復(fù)合藥型罩各層材料的厚度比值對(duì)射流性能影響較大。根據(jù)波阻抗匹配理論，銅鋁復(fù)合藥型罩的鋁銅厚度比應(yīng)大于1.33，本文通過(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)證了該厚度比下限的合理性，若在該理論下限的基礎(chǔ)上將鋁銅無(wú)限增大而接近純鋁藥型罩，射流侵徹性能必將降低，因此銅鋁復(fù)合罩厚度比值上限仍需進(jìn)一步研究。

[1] 荀揚(yáng),晏麓暉,曾首義.聚能裝藥技術(shù)研究進(jìn)展綜述[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2008,8(15):4 251-4 257．

[2] 宋梅利,李偉兵,王曉鳴,等.藥型罩材料影響EFP成型的數(shù)值計(jì)算研究[J].火工品,2009(4):16-19．

[3] 李國(guó)賓.復(fù)合藥型罩的研究進(jìn)展[J].兵器材料科學(xué)與工程，1995,18(1):63-67．

[4] Chanteret P Y，Lichtenberger A．Bimetallic liners and coherence of shaped charge jets[C]//15th International Symposium on Ballistics.Jerusalem,Israel:International Ballist- ics Committee,1995．

[5] Tosello R,Vives M,Tornche A.Twin EFPs for underwater applications[C]//15 th International Symposium on Ballistics. Jerusalem,Israel: International Ballistics Committee,1997．

[6] 崔斌,王志軍,董方棟,等.尼龍-銅復(fù)合藥型罩射流成形的仿真研究[J].兵工學(xué)報(bào),2014,35(2):18-21．

[7] 臧濤成,劉軍．銅-鋁復(fù)合罩用于射孔彈的研究[J]．爆破器材，1994,23(4):29-32．

[8] 鄭宇,王曉鳴,李文斌,等.雙層藥型罩侵徹半無(wú)限靶板的數(shù)值仿真研究[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2008,32(3):313-317．

[9] 夏杰,段衛(wèi)東.雙層藥型罩射流形成的仿真研究[J].爆破，2011,28(3):13-16．

[10] 夏衛(wèi)國(guó),李裕春,顧文彬,等.線性聚能射流形成過(guò)程的數(shù)值模擬[J].火工品,2003(4):24-27．

[11] 門建兵,蔣建偉,王樹有.爆炸沖擊數(shù)值模擬技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2015．

Numerical Simulation on Thickness Ratio of Cu-Al Composite Charge Liner

CAO Jie1，WANG Meng1，HU Kun-lun1，WANG Qi1，HE Wen2

（1.Ammunition Engineering and Explosion Technology Department, Anhui University of Science and Technology, Huainan, 232001; 2.School of Resources and Environmental Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou, 341000）

This paper studied the Cu-Al composite charge liner, which has the advantages of material availability and simple technology. According to wave impedance matching theory, the thickness ratio lower limit of aluminum and copper was determined by 1.33. By use of AUTODYN, the jet of different structure of liner was simulated. The simulation results indicated that the jet with Al/Cu thickness ratio of 1.5 has the best performance. Compared to copper liner, the head velocity of jet was improved 14.75%, the jet length was prolonged 19.45% at 0.05ms. This study can provide a reference for engineering application.

Composite charge liner；Shaped charge；Structure；Jet；Numerical simulation

1003-1480（2017）03-0014-04

TJ410.3+33

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2017.03.004

2017-03-26

曹杰(1993-)，男，碩士研究生，主要從事工程爆破與爆炸力學(xué)研究。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51604127)。