聚能裝藥戰(zhàn)斗部藥型罩壁厚對(duì)有利炸高影響的數(shù)值分析*

郭 帥,張國(guó)偉,王一鳴,孫 韜

(中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,太原 030051)

0 引言

聚能射流侵徹靶板過(guò)程是一個(gè)高速瞬態(tài)的物理化學(xué)力學(xué)過(guò)程[1]。隨著計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真軟件的快速發(fā)展和仿真技術(shù)的不斷成熟,采用計(jì)算機(jī)模擬的方法進(jìn)行戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和研究已經(jīng)成為一種重要的手段。與試驗(yàn)相比,該方法不受時(shí)間、空間、氣候等條件的限制,而且所用時(shí)間短,很大程度上節(jié)約了人力、物力。

所謂炸高,即聚能裝藥發(fā)生爆炸的瞬間,藥型罩底部與目標(biāo)表面兩者之間的實(shí)際距離。就聚能裝藥戰(zhàn)斗部自身來(lái)講,都存在一個(gè)與之相對(duì)應(yīng)的炸高,此位置侵徹的深度最大,這個(gè)炸高稱為有利炸高。

有利炸高與炸藥性能和藥型罩材料、錐角、壁厚等因素有關(guān),其數(shù)值不能通過(guò)函數(shù)公式等方式計(jì)算得出,僅可憑借實(shí)際試驗(yàn)的方式獲取,因此其成本費(fèi)用較高[1]。文中在其他條件相同的條件下,只改變炸高與藥型罩的壁厚,通過(guò)數(shù)值模擬分析的方式對(duì)不同壁厚結(jié)構(gòu)的藥型罩在炸高和侵深方面的關(guān)系展開(kāi)探究,獲取不同戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)的有利炸高,以發(fā)揮戰(zhàn)斗部的最大威力。

1 仿真方案的確定

聚能裝藥是一端裝有內(nèi)凹金屬罩的炸藥裝藥,在引爆另一端炸藥之后,形成的爆轟波將會(huì)以很高的速度作用到金屬罩上,使金屬罩變形并將藥型罩向中心方向擠壓,擠壓的過(guò)程中會(huì)在軸線部位出現(xiàn)碰撞,進(jìn)而在碰撞的高壓作用下,出現(xiàn)速度極高的金屬射流[11]。文中將TG軟件作為基礎(chǔ)工具,建立戰(zhàn)斗部模型和靶板模型,通過(guò)ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件數(shù)值模擬聚能射流形成及侵徹靶板過(guò)程,在控制材料參數(shù)等其他因素不變的條件下,通過(guò)改變藥型罩的壁厚及對(duì)應(yīng)的炸高,最終得到所研究裝藥結(jié)構(gòu)的有利炸高。具體仿真方案為:聚能裝藥戰(zhàn)斗部分別采用壁厚為1.4 mm、1.6 mm、1.8 mm 3種不同類(lèi)型的藥形罩結(jié)構(gòu),對(duì)應(yīng)的每類(lèi)藥形罩結(jié)構(gòu)分別取以0.5D為間隔,由4.0D到6.5D變化的六組不同的炸高。其中,D為裝藥直徑。

2 數(shù)值模擬

2.1 裝藥結(jié)構(gòu)模型

藥型罩的材料構(gòu)成是紫銅,炸藥類(lèi)型是B炸藥。裝藥結(jié)構(gòu)如圖1所示,其中:D代表裝藥直徑,t代表藥型罩壁厚;L代表起爆點(diǎn)到藥形罩錐頂?shù)木嚯x,L=0.8D,β為錐角。其中D=100 mm,β=41°,t分別取1.4 mm、1.6 mm、1.8 mm。

2.2 材料模型

在文中的數(shù)值模擬中,炸藥爆炸過(guò)程和藥型罩壓垮過(guò)程均屬于大變形問(wèn)題,因此破甲戰(zhàn)斗部各材料模型包括炸藥、空氣、藥型罩、殼體和靶板之間的相互作用采用ALE算法進(jìn)行數(shù)值模擬。文中當(dāng)中使用的炸藥類(lèi)型是B炸藥,相應(yīng)的藥型罩材料是紫銅,靶板使用的是45#鋼,殼體使用的是鋼材。

1)B炸藥的相關(guān)參數(shù)如下:ρ=1.717 g/cm3,VD=7.98 km/s,PCJ=29.5 GPa。挑選的相應(yīng)炸藥材料模型是MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型,狀態(tài)方程為EOS_JWL,基本形式為:

(1)

式中:p代表壓力;E代表爆轟產(chǎn)物內(nèi)能;V代表爆轟產(chǎn)物相對(duì)體積;A、B、R1、R2與ω是待定常數(shù)[12],如下表:

表1 B炸藥的主要參數(shù)

2)藥型罩挑選的是紫銅,模型與狀態(tài)方程分別是MAT_JOHNSON_COOK與EOS_GRUNEISEN。其中狀態(tài)方程基本形式是:

對(duì)于可壓縮材料:

(2)

對(duì)于膨脹材料:

p=ρ0C2μ+(γ0+αμ)E

(3)

3)空氣模型是MAT_NULL,狀態(tài)方程是EOS_LINEAR_POLYNOMIAL,狀態(tài)方程基本形式為:

p=C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+(C4+C5μ+C6μ2)E

(4)

4)殼體材料是鋼質(zhì),模型與狀態(tài)方程分別是MAT_JOHNSON_COOK與EOS_GRUNEISEN。

5)靶板是45#鋼。

仿真模型中各材料的主要仿真參數(shù)如表2所示[12]。

表2 各材料主要參數(shù)

2.3 計(jì)算模型

模型計(jì)算采用多物質(zhì)ALE算法,采用Euler網(wǎng)格建模,靶板和殼體采用Lagrange網(wǎng)格建模,設(shè)置相關(guān)約束條件,并且各材料之間使用耦合算法。起爆方式為主藥柱頂部單點(diǎn)中心起爆。研究的相應(yīng)問(wèn)題對(duì)稱性較為明顯,在計(jì)算正確的基礎(chǔ)上以節(jié)約計(jì)算單位為目的,進(jìn)行模擬計(jì)算的時(shí)候加了對(duì)稱面的方式進(jìn)行,即建立四分之一數(shù)值計(jì)算模型如圖2所示。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 仿真結(jié)果

圖3展示的是藥型罩由于壓垮出現(xiàn)射流,進(jìn)入到靶板當(dāng)中的相應(yīng)過(guò)程(以藥形罩壁厚為1.6 mm,炸高為500 mm為例)。

圖4給出了由仿真得到的藥型罩在3種罩壁厚條件下對(duì)靶板破甲深度L與炸高H之間的函數(shù)關(guān)系。圖5表示出在6種炸高條件下對(duì)靶板的破甲深度L和藥型罩厚度t的關(guān)系。

3.2 結(jié)果分析

觀察圖4能夠發(fā)現(xiàn):在不同的裝藥和錐孔結(jié)構(gòu)下,其對(duì)應(yīng)的有利炸高不同。一定范圍當(dāng)中,隨著藥型罩壁厚的增加,有利炸高呈現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性;壁厚相同時(shí),破甲深度隨炸高的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。由圖5可以看出,在相同的條件下,不同的炸高對(duì)應(yīng)著不同的最佳罩壁厚度。分析其主要原因是由于在炸藥爆轟能量能充分壓縮金屬藥型罩產(chǎn)生金屬射流的條件下,金屬射流的質(zhì)量增加了,其侵徹動(dòng)能也隨之增加,因此藥型罩壁厚的增加將會(huì)提高聚能作用。但是藥型罩的壁厚過(guò)厚,就會(huì)使藥型罩的壓垮速度減小,藥型罩翻轉(zhuǎn)過(guò)程中就會(huì)被炸成碎塊,因而不能夠形成正常的金屬射流,從而會(huì)降低侵徹深度。

4 結(jié)論

針對(duì)提高戰(zhàn)斗部大炸高下的破甲能力,文中以大炸高為基礎(chǔ)條件,用數(shù)值仿真方法就不同壁厚的藥型罩形成的射流并侵徹鋼靶板過(guò)程展開(kāi)了對(duì)比與數(shù)值分析。其中模型計(jì)算采用多物質(zhì)ALE算法,設(shè)置相關(guān)約束條件。起爆方式為主藥柱頂部單點(diǎn)中心起爆。得到結(jié)論如下:

1)在其他材料參數(shù)等因素相同的條件下,在一定壁厚范圍內(nèi),隨著藥型罩壁厚的增加,有利炸高呈現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性。

2)文中的數(shù)值仿真結(jié)果表明,對(duì)于一定結(jié)構(gòu)的彈丸,存在著最佳炸高,小于最佳炸高時(shí)破甲深度隨炸高的增加而增加,反之則會(huì)降低。

3)針對(duì)文中所研究的聚能裝藥結(jié)構(gòu),當(dāng)藥型罩壁厚處于1.4～1.8 mm范圍、炸高處于4.0D～6.5D范圍當(dāng)中時(shí),隨著藥型罩壁厚增加,侵徹深度先增大后減小。

4)此聚能裝藥結(jié)構(gòu)的最佳壁厚為1.6 mm,有利炸高區(qū)間為罩底徑的4.5～5倍最大侵徹深度約為裝藥直徑的6.27倍。

5)該研究可為聚能裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其工程應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。