V形頂部結(jié)構(gòu)藥型罩射流成型及侵徹模擬*

安文同,高永宏,周 杰,尹楚藩,趙家駿

(中北大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院， 太原 030051)

0 引言

隨著高防護(hù)能力裝甲鋼的研制、反應(yīng)裝甲的發(fā)展和非金屬、陶瓷等復(fù)合裝甲材料的應(yīng)用，使裝甲車(chē)輛和坦克裝甲防護(hù)能力日益提高，對(duì)成型裝藥聚能侵徹體的毀傷性能提出更高要求，需要對(duì)此進(jìn)行更加深入的研究[1]。

藥型罩結(jié)構(gòu)對(duì)射流的拉伸性能、侵徹能力等有顯著的影響。陳興等[2]設(shè)計(jì)了球錐結(jié)合藥型罩，運(yùn)用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法與半球形藥型罩進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明前驅(qū)罩對(duì)聚能裝藥結(jié)構(gòu)形成射流的速度和直徑有較大影響。周方毅等[3]設(shè)想了一種組合藥型罩聚能戰(zhàn)斗部，分析了其作用機(jī)理，該戰(zhàn)斗部的破壞效應(yīng)明顯強(qiáng)于普通聚能戰(zhàn)斗部。I.V.Minin等[4]以理論結(jié)合試驗(yàn)的方法對(duì)超聚能裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，證明了超聚能射流的速度高，且藥型罩利用率很高。王克波等[5]通過(guò)數(shù)值模擬設(shè)計(jì)了一種三錐形外錐的藥型罩，該裝藥結(jié)構(gòu)形成的線(xiàn)性聚能射流沒(méi)有拉斷現(xiàn)象。童宗保等[6]對(duì)串聯(lián)戰(zhàn)斗部前級(jí)聚能裝藥開(kāi)孔不大的問(wèn)題開(kāi)展了研究，提出了能夠形成直徑較大的環(huán)形射流的M型藥型罩。王建華等[7]采用數(shù)值模擬的方法對(duì)兩種錐角藥型罩的形成射流進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)53°錐角藥型罩產(chǎn)生的射流短粗，43°錐角形成的射流細(xì)長(zhǎng)。紀(jì)錄等[8]通過(guò)高斯曲線(xiàn)方程，設(shè)計(jì)了一種新型藥型罩——高斯曲線(xiàn)藥型罩的聚能裝藥結(jié)構(gòu)。王超等[9]獲得了中心孔對(duì)橢圓形藥型罩的影響規(guī)律，護(hù)管可以改變侵徹體的形態(tài)。

運(yùn)用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對(duì)V形頂部結(jié)構(gòu)藥型罩的射流成型過(guò)程和射流侵徹靶板(45#鋼)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析該藥型罩形成射流的過(guò)程及對(duì)靶板的侵徹過(guò)程，并與錐角藥型罩形成的射流的侵徹能力進(jìn)行比較，為聚能裝藥破甲戰(zhàn)斗部研究提供參考。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于射流的二次噴射現(xiàn)象[10]，在錐角藥型罩基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出一種V形頂部結(jié)構(gòu)藥型罩。錐角藥型罩和V形頂部結(jié)構(gòu)藥型罩的聚能裝藥結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。裝藥口徑均為80 mm，裝藥高度均為100 mm。藥型罩均為等壁厚藥型罩，壁厚均為1 mm，錐角藥型罩錐角為60°， V形頂部結(jié)構(gòu)的錐角為60°。

圖1 聚能裝藥結(jié)構(gòu)圖

2 數(shù)值模擬

2.1 建模分析

模擬射流形成過(guò)程的數(shù)值模型由炸藥、藥型罩和空氣組成，模擬射流侵徹靶板的數(shù)值模型由炸藥、藥型罩、空氣和靶板(45#鋼)組成，具體模型見(jiàn)圖2和圖3。數(shù)值模型具有軸對(duì)稱(chēng)性，為減少模型單元數(shù)目、縮短計(jì)算時(shí)間，所以建立1/4三維結(jié)構(gòu)有限元仿真模型[11]。模型均選用solid164八節(jié)點(diǎn)六面體單元類(lèi)型，用映射方法對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并在對(duì)稱(chēng)面上施加對(duì)稱(chēng)約束和空氣域的外表面施加邊界無(wú)反射約束來(lái)保證計(jì)算準(zhǔn)確性。數(shù)值模型采用cm-g-μs單位制。

為解決網(wǎng)格畸變，模擬射流形成過(guò)程時(shí)，炸藥、藥型罩和空氣采用Euler網(wǎng)格建模，單元使用多物質(zhì)ALE算法；模擬射流侵徹靶板時(shí)，炸藥、藥型罩和空氣采用Euler網(wǎng)格建模，單元使用多物質(zhì)ALE算法，靶板采用Lagrange網(wǎng)格建模，靶板與空氣和藥型罩定義流固耦合算法求解。

圖2 射流形成數(shù)值模型

圖3 侵徹靶板數(shù)值模型

2.2 材料模型和狀態(tài)方程

炸藥選用B炸藥，采用高能炸藥模型(HIGH_EXPLOSIVE_BURN)和JWL狀態(tài)方程進(jìn)行描述；藥型罩材料為紫銅，選用Johnson-Cook模型和GRUNEISEN狀態(tài)方程來(lái)描述；在多物質(zhì)ALE算法中，要建立覆蓋射流的空氣域，空氣采用流體模型，狀態(tài)方程為線(xiàn)性多項(xiàng)式；在射流的高速?zèng)_擊下，鋼靶板顯示出較高的應(yīng)變率效應(yīng)，因此靶板采用Johnson-Cook模型和GRUNEISEN狀態(tài)方程來(lái)描述。具體參數(shù)見(jiàn)表1～表4[12]。

表1 炸藥材料模型及其JWL狀態(tài)方程參數(shù)

表2 藥型罩材料模型及其GRUNEISEN狀態(tài)方程參數(shù)

表3 空氣材料模型及其LINEAR_POLYNOMIAL狀態(tài)方程參數(shù)

表4 靶板材料模型及其GRUNEISEN狀態(tài)方程參數(shù)

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 倒V藥型罩射流形成過(guò)程分析

由圖4(a)可知，爆轟波在起爆后5 μs到達(dá)錐角藥型罩。5～23 μs時(shí)，隨著爆轟波繼續(xù)傳播，藥型罩在爆轟壓力作用下被擠壓、壓合，形成射流；23 μs時(shí)，藥型罩被壓合完畢，因射流存在速度梯度，射流不斷拉伸，在158 μs時(shí)射流初次拉斷為兩段，在187 μs時(shí)射流被拉斷成多段。

由圖4(b)可知，主裝藥起爆后，爆轟波經(jīng)過(guò)5 μs到達(dá)V形頂部結(jié)構(gòu)藥型罩。在5～13 μs時(shí)，藥型罩受力圖如圖5所示，藥型罩在爆轟壓力作用下，a和b、c和d分別相互擠壓、閉合形成環(huán)形射流，匯聚到藥型罩軸線(xiàn)方向后，相互碰撞形成速度更高的射流頭部。在13～23 μs時(shí)，a、d不斷被擠壓、壓合，在軸線(xiàn)處碰撞后形成主射流補(bǔ)充到射流頭部，形成完整的射流。23 μs后，射流不斷拉伸，187 μs射流被拉斷，但斷裂處位于杵體部分，不影響射流的侵徹能力。

圖4 射流形成過(guò)程

圖5 藥型罩受力圖

3.2 射流形態(tài)分析

由表5可知，主裝藥起爆后，187 μs時(shí)V形頂部結(jié)構(gòu)藥型罩形成的射流頭部速度更高，速度為6 391 m/s，頭部速度提高約7.2%，射流長(zhǎng)度提高約12.9%。V形頂部藥型罩形成的射流的頭部速度高是因?yàn)樯淞黝^部是經(jīng)過(guò)二次匯聚形成的，而錐角藥型罩是直接被壓合、碰撞形成的。由圖6可知，V形頂部藥型罩形成的射流連續(xù)性較好，錐角藥型罩形成的射流在187 μs射流已經(jīng)斷裂成多段，而V形頂部藥型罩的射流雖然斷裂，但斷裂位于杵體部分，射流有效部分沒(méi)有斷裂，不影響侵徹能力，且杵體較小。

表5 187 μs時(shí)不同藥型罩形成的射流的參數(shù)

注：V1為射流頭部速度；V2為射流尾部速度；ΔV1為射流頭部速度相對(duì)增量；L1為射流長(zhǎng)度；ΔL1為射流長(zhǎng)度相對(duì)增量。

圖6 187 μs時(shí)不同藥型罩形成的射流形態(tài)圖

3.3 射流侵徹能力分析

兩種裝藥結(jié)構(gòu)在200 mm炸高下，對(duì)靶板(400 mm×20 mm×20 mm)進(jìn)行侵徹穿靶數(shù)值模擬，射流破甲圖和侵徹效果見(jiàn)圖7和表6。

圖7 射流破甲圖

表6 不同藥型罩形成的射流的侵徹性能

類(lèi)型h/mmd/mmΔh/%Δd/%錐角291.811.5V形341.213.216.914.7

注：h為侵徹深度；d為破孔直徑；Δh為h的相對(duì)增量；Δd為d的相對(duì)增量。

由圖7知，V形頂部藥型罩和錐角藥型罩形成的射流都在侵徹靶板末期出現(xiàn)堆積現(xiàn)象，致使靶板末端侵徹孔徑變大。由表6可知，V形頂部藥型罩形成的射流的侵徹能力更強(qiáng)，侵徹深度為341.2 mm，比錐角藥型罩提高約16.9%，擴(kuò)孔能力提高14.7%。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)兩種裝藥結(jié)構(gòu)的研究，發(fā)現(xiàn)：

1)V形頂部藥型罩形成的射流頭部速度比錐角藥型罩提高約7.2%，射流長(zhǎng)度提高約12.9%。

2)錐角藥型罩形成的射流斷裂成多段時(shí)，V形頂部藥型罩形成的射流沒(méi)有斷裂，延展性好，且杵體較小。

3)V形頂部結(jié)構(gòu)藥型罩形成的射流的侵徹深度比錐角藥型罩提高約16.9%，侵徹能力更強(qiáng)。