復(fù)合藥型罩射流侵徹鋼靶的影響參數(shù)研究

賈子健，王志軍，尹建平，伊建亞，王少宏，趙飛揚(yáng)

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051)

【彈藥工程】

復(fù)合藥型罩射流侵徹鋼靶的影響參數(shù)研究

賈子健，王志軍，尹建平，伊建亞，王少宏，趙飛揚(yáng)

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051)

利用autodyn有限元軟件，在中心帶孔的復(fù)合藥型罩基礎(chǔ)上進(jìn)行對(duì)聚能射流的數(shù)值模擬分析。通過(guò)數(shù)值仿真模擬重點(diǎn)分析了藥型罩參數(shù)：藥型罩錐角、藥型罩壁厚、中心孔徑等對(duì)射流侵徹鋼靶效應(yīng)的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：這三個(gè)參數(shù)對(duì)侵徹效應(yīng)的影響都比較大，隨著錐角變大，射流速度降低，侵徹的深度降低，但侵徹孔徑變大；藥型罩壁厚增加也降低侵徹深度，增大侵徹孔徑；而中心孔徑存在于一個(gè)最佳值，使得侵徹深度和孔徑都較大。

聚能射流；侵徹；復(fù)合藥型罩；影響參數(shù)

傳統(tǒng)的聚能裝藥都是單層罩結(jié)構(gòu)，對(duì)于整個(gè)藥型罩而言，最終能夠形成射流的主要是內(nèi)層部分金屬，其質(zhì)量只占整個(gè)藥型罩總重量的 15%左右，而其它部分材料則形成了幾乎沒(méi)有侵徹能力的低速杵體，因此單層藥型罩的利用率是很低的[1-3]。其次，單層罩聚能裝藥能量利用不夠充分，單純的改變裝藥結(jié)構(gòu)和替換藥型罩并不是最好的選擇，雙層藥型罩的出現(xiàn)為解決材料利用率低的問(wèn)題提供了一個(gè)方向。而復(fù)合藥型罩則是在原先炸藥和金屬藥型罩之間再添加一層和原罩相匹配的藥型罩，使得此復(fù)合藥型罩內(nèi)罩主要形成聚能射流，外罩形成無(wú)侵徹能力的杵體[4-5]。根據(jù)聲阻抗匹配原則，外罩聲阻抗小，內(nèi)罩聲阻抗大，因此，炸藥爆轟產(chǎn)生的壓力透過(guò)聲阻抗小的外罩，主要都作用于形成侵徹體的內(nèi)罩之上，因而提高了侵徹體的速度[6]。藏濤成等[7]采用銅鋁雙層藥型罩在射孔彈上進(jìn)行了應(yīng)用，表明雙層罩結(jié)構(gòu)形成的射流頭部速度大而射流速度梯度小，可有效消除杵堵[8-9]。由此看出，新型復(fù)合藥性罩提高了材料利用率的同時(shí)，對(duì)射流的速度和侵徹韌性都一定的提高。

1 材料模型的選取

本次數(shù)值模擬仿真，雙層藥型罩內(nèi)罩主要形成射流，外罩形成無(wú)侵徹能力的杵體，由于紫銅的延性比較好，鋁的密度比紫銅小很多，但材料聲速卻比紫銅大，聲阻抗比紫銅小。因此，我們選聲阻抗較大的紫銅做雙層藥型罩內(nèi)罩材料，選聲阻抗較小的鋁作為外罩材料。詳細(xì)材料選用如表1所示。

表1 材料模型

2 有限元模型的建立

本文中研究的聚能裝藥模型如圖1所示：裝藥直徑D=100 mm，裝藥高度H=140 mm，藥型罩厚度d=2 mm，錐角α=21°。

圖1 聚能裝藥幾何結(jié)構(gòu)圖

由于炸藥在爆炸和藥型罩被壓垮的過(guò)程中，外殼會(huì)產(chǎn)生很大的變形，因此對(duì)其采用Lagrange建模；再者后續(xù)還需要在藥型罩上設(shè)置高斯監(jiān)測(cè)點(diǎn)來(lái)判斷射流與杵體的分界面，因此選擇材料可以在網(wǎng)格內(nèi)流動(dòng)的Euler建模。除此之外，該裝藥結(jié)構(gòu)是軸對(duì)稱(chēng)的，因此采用有限元AUTODYN軟件進(jìn)行1/2建模進(jìn)行數(shù)值模擬，鏡像之后的有限元模型如圖2所示。另外，除了射流形成區(qū)邊界和軸線外，所有邊界施加flow-out邊界條件，以使爆轟產(chǎn)物流出邊界外，防止產(chǎn)生反射影響射流的形成。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 聚能射流成型過(guò)程

圖3所示為復(fù)合藥型罩射流成型示意圖。該藥型罩內(nèi)罩為紫銅，外罩為鋁材料。

圖2 有限元模型

圖3 復(fù)合藥型罩射流成型示意圖

圖4是有單層紫銅藥型罩所形成射流過(guò)程示意圖。

由仿真結(jié)果可看出，復(fù)合藥型罩所形成的射流成型較好，拉伸充分，頭部形狀成型易于侵徹目標(biāo)。單層藥型罩所形成的射流短而細(xì)，沒(méi)有侵徹能力或者侵徹能力低下的杵體質(zhì)量大，且射流最早發(fā)生頸縮，相比復(fù)合藥型罩，射流斷裂時(shí)間早，不利于侵徹目標(biāo)。因此，新型復(fù)合藥型罩提高射流速度的同時(shí)，也提高了材料的利用率。

圖4 單層藥性罩射流成型示意圖

3.2 侵徹過(guò)程數(shù)值模擬

對(duì)單層藥型罩、雙層藥型罩、中心帶孔雙層藥型罩侵徹鋼靶進(jìn)行數(shù)值模擬分析。在侵徹到400μs時(shí)，侵徹過(guò)程十分緩慢，說(shuō)明射流已達(dá)到侵徹的極限速度，為了計(jì)算方便，假設(shè)已達(dá)到400μs時(shí)侵徹終止。侵徹過(guò)程中密度云圖如圖5。

圖5 聚能射流侵徹密度云圖

4 影響侵徹效能因素分析

4.1 藥型罩錐角對(duì)聚能射流侵徹影響分析

保證在藥型罩的口徑4 mm和壁厚2 mm不變的情況下，取α為42°、50°、60°、70°，進(jìn)行侵徹?cái)?shù)值模擬，不同錐角條件下侵徹深度和侵徹直徑如表2所示。

表2 不同錐角條件下侵徹深度和直徑 mm

從表2中可以看出，隨著藥型罩角度的增加，侵徹深度有所下降，侵徹孔徑有所加大。其主要原因是在藥型罩角度較小的情況下，射流部分速度較大，無(wú)侵徹能力的杵體部分的速度較小，由于射流的速度較大，射流拉伸比較劇烈，因而射流的直徑較小，有效長(zhǎng)度較長(zhǎng)。因此在這種情況下侵徹出的孔的形狀是孔徑較小、深度較深。當(dāng)增大藥型罩錐角時(shí)，射流的頭部速度將會(huì)降低，速度梯度變小，射流直徑較粗，因此侵徹出的孔型一般是直徑較粗、深度較淺。

4.2 藥型罩壁厚對(duì)聚能射流侵徹影響分析

保證在藥型罩的錐角21°和孔徑4 mm不變的情況下，取δ為2 mm、3 mm、4 mm，侵徹?cái)?shù)值模擬，不同壁厚條件下具體侵徹深度和直徑如表3。

表3 不同壁厚條件下侵徹深度和直徑 mm

從表3可以看出，隨著藥型罩厚度的增加，侵徹深度逐漸減小，而開(kāi)孔直徑先是隨著藥型罩厚度的增加而變大，但是壁厚過(guò)大的話(huà)，開(kāi)孔直徑反而下降。這是由于壁厚小的藥型罩，炸藥作用在單位質(zhì)量藥型罩上的能量就大，射流頭部速度提高，從而增加了射流的速度梯度，從而射流拉伸厲害，直徑較小。這樣的射流侵徹可以獲得較大的侵徹深度,但是侵徹直徑較小。當(dāng)繼續(xù)增大藥型罩壁厚，由于爆轟波所驅(qū)動(dòng)的藥型罩質(zhì)量過(guò)大，射流速度下降，此時(shí)獲得侵徹孔徑是侵徹深度和直徑都較小。因此存在著一個(gè)合適的藥型罩壁厚，太薄或太厚，都不利于開(kāi)孔效果。

4.3 中心孔徑對(duì)聚能射流侵徹影響分析

保證在藥型罩的錐角21°和壁厚2 mm不變的情況下，取d為3 mm、4 mm、5 mm、6 mm，進(jìn)行侵徹?cái)?shù)值模擬，不同孔徑條件下侵徹深度和直徑如表4所示。

表4 不同中心孔徑條件下侵徹深度和直徑 mm

裝藥結(jié)構(gòu)一定的情況下，變化中心孔徑大小對(duì)射流的速度也有一定的影響。當(dāng)孔徑為<4 mm時(shí)，速度逐漸增大，速度梯度變大，射流拉伸劇烈，直徑減小，此時(shí)獲得侵徹孔型是侵徹深度變大，直徑減小。當(dāng)孔徑為4 mm時(shí)，速度達(dá)到最大；之后隨著孔徑的變大，藥型罩質(zhì)量變小，形成射流頭部高速粒子的質(zhì)量也因而變小，因而造成射流頭部的速度降低，進(jìn)而獲得聚能射流有效長(zhǎng)度降低，直徑變大。因而，中心孔徑也存在一個(gè)合適的中心孔徑，太大或者太小，都不利于開(kāi)孔效果。

5 結(jié)論

1) 在一定范圍內(nèi)，隨著藥型罩錐角的增大，侵徹深度逐步下降,侵徹孔徑逐步增加。

2) 在一定范圍內(nèi)，隨著中心孔徑的增大，侵徹深度先增加后降低，即存在一個(gè)有利的最佳中心孔徑。

3) 在一定范圍內(nèi)，隨著藥型罩壁厚的增大，在一定范圍內(nèi)，隨著藥型罩厚度的增加，侵徹深度逐步下降，侵徹孔徑先增加后下降，存在一個(gè)最佳藥型罩厚度。

4) 新型的復(fù)合藥型罩相比傳統(tǒng)的單層藥型罩，由于外罩的聲阻抗小于內(nèi)罩，因此爆轟壓力的放大使得內(nèi)罩獲得更大的壓垮速度，形成更長(zhǎng)更細(xì)且速度更高的金屬射流，因而侵徹后獲得侵徹深度較大，而直徑較小。藥型罩結(jié)構(gòu)上帶孔相比不帶孔的罩，提高了聚能射流的部分速度，增大的射流速度梯度，同樣形成較細(xì)較長(zhǎng)的射流，侵徹同樣得到深度較大，直徑較小的孔。

[1] 黃正祥.聚能桿式侵徹體成型機(jī)理研究[D].南京:南京理工大學(xué),2003.

[2] 鄭平泰，楊濤，秦子增，等.聚能射流侵徹混凝土靶試驗(yàn)研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2006，26(1)：391-393.

[3] 王志軍，尹建平.彈藥學(xué)[M].2版.北京：北京理工大學(xué)出版社，2005.

[4] 高靖，王志軍，范晨陽(yáng).中心孔對(duì)聚能裝藥的影響[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2011，31(1):110-112.

[5] 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):63-68.

[6] 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.

[7] 臧濤成,胡煥性,邵琦.破甲彈復(fù)合罩性能研究[J].火炸藥學(xué),1998(4):45-48.

[8] 劉安邦.雙金屬?gòu)?fù)合藥型罩特性分析[C]//破甲技術(shù)文集,1982.

[9] 王映俊，銅-鋁復(fù)合藥型罩破甲性能的試驗(yàn)研究[C]//中國(guó)兵工學(xué)會(huì)火箭導(dǎo)彈學(xué)會(huì)1985年會(huì)，1985:77-80.

StudyontheInfluenceParametersofCompound-TypeCoverJETPenetrationSteelTarget

JIA Zijian, WANG Zhijun, YIN Jianping, YI Jianya, WANG Shaohong, ZHAO Feiyang

(School of Mechanical Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

Based on the autodyn finite element software, the numerical simulation analysis of the jet flow is carried out on the basis of the composite type cover with hole in the center. The effect of the effect on the target of penetration steel was analyzed by numerical simulation model. The results show that the influence of these three parameters on the penetration effect is relatively large, and as the cone Angle becomes larger, the velocity of the jet decreases and the penetration depth decreases, but the penetration diameter becomes larger. The wall thickness of the mask also reduces the penetration depth and increases the penetration. The center aperture exists at one of the largest, making the penetration depth and aperture larger.

polyenergy jet; penetration; compound drug mask; impact parameters

2017-09-07；

2017-09-28

國(guó)家自然科學(xué)基金(11572291)；山西省研究生聯(lián)合培養(yǎng)基地人才培養(yǎng)項(xiàng)目資助(20160033)；第十四屆研究生自然科學(xué)立項(xiàng)項(xiàng)目資助(20171409)

賈子健(1992—)，男，碩士研究生，主要從事彈藥工程與毀傷技術(shù)研究。

10.11809/scbgxb2017.12.014

本文引用格式：賈子健，王志軍，尹建平，等.復(fù)合藥型罩射流侵徹鋼靶的影響參數(shù)研究[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(12):57-59,85.

formatJIA Zijian, WANG Zhijun, YIN Jianping, et al.Study on the Influence Parameters of Compound-Type Cover JET Penetration Steel Target[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(12):57-59,85.

TJ413

A

2096-2304(2017)12-0057-03

(責(zé)任編輯周江川)