聚能裝藥殼體對環(huán)形射流侵徹性能的影響*

何降潤，展婷變，付建平，盧 薇，李小軍，徐 風(fēng)，陳智剛

(1 中北大學(xué)機電工程學(xué)院， 太原 030051； 2 中北大學(xué)地下目標(biāo)毀傷技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室， 太原 030051；3 軍事科學(xué)研究院防化研究院， 北京 102205)

0 引言

聚能環(huán)形切割技術(shù)因成型速度快、射流匯聚切割孔徑大，近年來，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量的理論與實驗研究。在國外，1978年，Leidel[1]通過給裝藥添加鋼桶的方式，設(shè)計了典型中空環(huán)形聚能裝藥結(jié)構(gòu)；1998年，Chick等[2]通過將現(xiàn)行聚能裝藥改成環(huán)形的方式獲得了環(huán)形射流，實驗發(fā)現(xiàn)射流很不穩(wěn)定；Koning、Mostert[3]、Rondot[4]等進一步研究了環(huán)形射流的成型機理；在國內(nèi)，張凱、李曉杰[5]對聚能線性切割器最佳張開角進行理論分析，得出碰撞點速度越高，射流越分散，切割效果就嚴重下降；王成等[6-7]提出了W聚能裝藥結(jié)構(gòu)，給出內(nèi)外罩等沖量設(shè)計的方案，試驗結(jié)果表明該方案的可行性；李勇勝等[8]、吳建宇[9]、童宗保等[10]利用數(shù)值仿真技術(shù)對M罩進行數(shù)值模擬，結(jié)果表明能夠形成直徑較大的環(huán)形射流；徐文龍等[11]基于正交優(yōu)化方法，設(shè)計了一種新型結(jié)構(gòu)，數(shù)值模擬和試驗結(jié)果均表明該結(jié)構(gòu)能夠降低環(huán)形射流的徑向速度。

由于環(huán)形藥型罩軸線兩側(cè)上微元質(zhì)量及其承受的爆轟波能量不對稱，現(xiàn)有手段仍未有效解決射流徑向速度過高、侵徹穩(wěn)定性差的問題。文中基于典型中空環(huán)形聚能裝藥，發(fā)現(xiàn)通過內(nèi)外殼體包裹的方式可以有效提高環(huán)形射流威力性能?；贚S-DYNA軟件，利用數(shù)值模擬的方法，分析了內(nèi)外殼體厚度比值、殼體材料的選擇對環(huán)形射流成型速度、靶板的侵徹孔徑及深度的影響，給出了內(nèi)外層殼體厚度最佳比值以及殼體材料的選擇對于環(huán)形射流形成規(guī)律的影響。

1 爆轟波傳播分析

取截面質(zhì)量微元進行分析，圖1(a)為爆轟波傳播示意圖，圖1(b)為以O(shè)為軸線1-1剖截面示意圖。其中B為環(huán)形起爆所處的環(huán)形截面軸線位置，S1、S2為關(guān)于起爆軸線兩側(cè)對稱的藥柱。由圖可知，在R處的裝藥微元質(zhì)量dm=2πRρdx，隨著裝藥半徑的增大，截面對稱的裝藥及藥型罩質(zhì)量將不以起爆點截面所在的軸線為對稱軸。主裝藥的藥柱高度改變時，藥柱的質(zhì)量不對稱將更加突出，很顯然S2

圖1 爆轟波傳播示意圖

當(dāng)主裝藥起爆后，藥型罩除受到弧形波面的炸藥爆轟波的作用外，還受到爆轟波在殼體反射形成的反射沖擊波的作用。當(dāng)爆轟波作用在殼體內(nèi)、外壁時，根據(jù)運動沖擊波碰到傾斜障礙物發(fā)生斜反射原理[12]，反射沖擊波始終與殼體壁面有夾角，起爆點兩側(cè)的能量分布不均勻，導(dǎo)致環(huán)形射流產(chǎn)生偏斜現(xiàn)象。通過給中間區(qū)域內(nèi)部加一層殼體約束，能顯著增強射流威力性能。

2 數(shù)值模擬概況

2.1 有限元模型的建立

聚能裝藥戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)示意圖及其計算模型如圖2，計算模型主要參數(shù)為：藥型罩錐角65°，裝藥直徑D=115 mm，炸高取0.8Dk=24 mm，靶板厚度為50 mm，材料為45號鋼，等壁厚藥型罩厚度δ=3 mm，d3為聚能裝藥外層殼體厚度含戰(zhàn)斗部頂蓋，數(shù)值模擬厚度始終為2.5 mm。中間區(qū)域為中空結(jié)構(gòu)的空氣域，直徑為d1=38 mm。起爆點的位置設(shè)在藥型罩頂部中心位置，起爆方式為環(huán)形起爆。采用LS-DYNA有限元軟件分別對內(nèi)外殼體壁厚比值d2/d3取0.4，0.6，0.8，1.0，1.2，1.4工況進行數(shù)值仿真模擬。

圖2 M型聚能裝藥結(jié)構(gòu)示意圖及有限元模型

計算時采用1/4結(jié)構(gòu)建立三維有限元模型。計算網(wǎng)格均采用Solid164八節(jié)點六面體單元，炸藥、藥型罩、空氣均采用多物質(zhì)ALE單元。最大網(wǎng)格尺寸為1.3 mm。

2.2 材料模型及狀態(tài)方程

文中金屬材料都采用JOHNSON_COOK材料模型和GRUNEISEN狀態(tài)方程。主裝藥選擇8701[13]炸藥，采用HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型和JWL狀態(tài)方程描述爆轟氣體的壓力、體積及能量。藥型罩選用紫銅[13]，厚度3 mm。靶板采用45號鋼，殼體材料分別用鋁、鋼、鎢，材料參數(shù)見文獻[14]，空氣材料參數(shù)見文獻[13]。數(shù)值計算采用cm-μs-g-Mbar單位制。

3 結(jié)果分析

3.1 殼體材料對環(huán)形射流頭部速度、總能量的影響

比較圖3曲線可發(fā)現(xiàn)，主裝藥及內(nèi)外殼體厚度相同的情況下，射流頭部速度與殼體密度、強度成正相關(guān)。形成的反射沖擊波的能量更多的作用在藥型罩上，所以內(nèi)外殼體厚度比值在0.4～1.4范圍內(nèi)，密度大、強度高的殼體材料，射流頭部速度越高。

圖3 t=20 μs射流的頭部速度

從表1可知，殼體材料為鎢合金時，射流形態(tài)比鋼殼、鋁殼射流形態(tài)穩(wěn)定。同一工況下，殼體材料為鎢合金時，射流的徑向速度比鋼殼條件下徑向速度小得多，鋁殼作用下的射流徑向速度最大。

表1 20 μs不同內(nèi)外殼體厚度比射流速度分布云圖

射流總能量隨時間變化曲線見圖4。當(dāng)殼體為材料密度較低的鋁時，內(nèi)、外層殼體對爆轟波的約束能力較差，作用在藥型罩上的能量較低；當(dāng)殼體材料為鋼、鎢合金時，內(nèi)、外層殼體對爆轟波的約束能力較強。鋁殼體破壞時吸收主裝藥爆炸時的能量比鋼、鎢合金殼體材料低，所以鋼、鎢合金殼體作用下環(huán)形射流總能量峰值較為接近，鋁殼體作用下的環(huán)形射流總能量衰減最快。

圖4 射流總能量隨時間變化曲線

3.2 內(nèi)外殼體壁厚比值對射流侵徹靶板結(jié)果及侵徹過程總能量影響

內(nèi)外殼體厚度比值d2/d3分別取0.4，0.6，0.8，1.0，1.2，1.4，借助數(shù)值模擬得到殼體材料為鋁、鋼、鎢合金，聚能裝藥結(jié)構(gòu)侵徹50 mm 45號鋼靶，環(huán)形射流開坑直徑、通孔直徑關(guān)系見圖5；射流侵徹靶板過程總結(jié)量變化曲線見圖6。表2為射流侵徹靶板射流速度為0時損傷云圖。

分析圖5及表2可知，當(dāng)殼體材料為鋁，內(nèi)外殼體厚度比值在0.4～1.4，環(huán)形射流侵徹深度呈先增加后減小的趨勢。內(nèi)外殼體厚度比值在0.6時，侵徹深度最大，且殼體厚度的變化對射流侵徹靶板時開坑直徑、通孔直徑的影響不大；殼體材料為鋼時，內(nèi)外殼體厚度比在0.4～1.0范圍內(nèi)，開坑直徑、通孔直徑與內(nèi)外殼體厚度比值呈正相關(guān)。內(nèi)外層殼體厚度比值取0.4～1.2，雖然能夠侵徹50 mm靶板，但形成了沖塞塊體，隨著內(nèi)外層殼體比值的增加，環(huán)形射流的能量更多的消耗在徑向擴孔；殼體材料為鎢合金時，內(nèi)外層殼體壁厚比在0.4～1.4范圍內(nèi)，環(huán)形射流均能夠完成對50 mm靶板的侵徹；內(nèi)外層殼體壁厚比在0.4～1.2范圍內(nèi)，開坑直徑、通孔直徑與內(nèi)外層殼體壁厚比呈正相關(guān)。從工程應(yīng)用的角度，兼顧開孔與侵深威力，d2/d3鋼殼可取值0.8，鎢合金殼體可取值1.2。

表2 射流侵徹靶板仿真結(jié)果圖

圖5 內(nèi)外殼體壁厚比值與開坑直徑、通孔直徑關(guān)系

從圖6可知，射流成型后，低密度殼體材料內(nèi)外殼體厚度比對射流侵徹靶板過程的總能量影響不大，高密度殼體材料內(nèi)外層殼體厚度比超過一定范圍射流總能量有所提高。但鎢合金殼體作用下射流總能量最小，主要原因是鎢合金殼體破壞吸收的能量明顯高于鋁、鋼殼破壞時吸收的能量。

圖6 射流侵徹靶板過程總能量變化曲線

3.3 殼體材料對環(huán)形聚能裝藥爆轟波的影響

表3為內(nèi)外層殼體厚度比為0.6時，裝藥結(jié)構(gòu)相同，殼體材料不同時的爆轟波傳播規(guī)律。主裝藥起爆后爆轟波呈圓弧型沿藥型罩軸線向下傳播，傳播的過程中在內(nèi)、外層殼體壁面形成反射沖擊波，與作用在藥型罩兩側(cè)質(zhì)量微元能量相互疊加，所以呈現(xiàn)C-J壓力不對稱。因此內(nèi)外殼體壁厚相同時，鋼、鎢合金殼體破壞時能夠吸收更多的能量，削弱反射波對射流的干擾，降低射流徑向速度，保證射流兼具開孔、侵徹威力。

表3 殼體材料對環(huán)形聚能裝藥爆轟波傳播規(guī)律的影響

從表4可知d2/d3取值在0.4～1.4，3 μs時刻內(nèi)外殼體厚度比對C-J壓力影響不大；隨著爆轟的進行，作用在內(nèi)層殼體壁面處的壓力不斷增加，爆轟波的彌散效應(yīng)隨著殼體厚度的增大逐漸減弱，作用在藥型罩徑向方向的能量逐漸減弱，所以對于同種殼體材料，一定范圍內(nèi)殼體厚度的增加能夠有效提高藥型罩能量利用率。

表4 鋼殼爆轟波壓力隨內(nèi)外殼體壁厚比傳播規(guī)律

4 結(jié)論

通過數(shù)值模擬研究了外層殼體為2.5 mm，內(nèi)外層殼體比值0.4～1.4時，殼體材料對影響環(huán)形射流的能量、侵徹靶板關(guān)系的規(guī)律，得出以下結(jié)論：

1)殼體材料的選擇對環(huán)形射流侵徹性能影響明顯，聚能裝藥結(jié)構(gòu)殼體選擇高密度、高強度材料比低密度、低強度材料形成的環(huán)形射流開孔、侵深能力大且能夠提高藥型罩的能力利用率。

2)殼體材料相同時，內(nèi)外層殼體厚度比值在0.4～1.0時，隨著比值的增大，能夠提高環(huán)形射流頭部速度，降低射流徑向速度。

3)內(nèi)外殼體厚度比和殼體材料均會導(dǎo)致環(huán)形射流產(chǎn)生偏斜。從工程應(yīng)用的角度，兼顧開孔與侵深威力，鋼殼d2/d3取值為0.8，鎢合金殼體材料d2/d3取值為1.2。