隔板對喇叭形銅鋁復(fù)合藥型罩射流性能的影響

吉 慶，王志軍，趙飛揚，董理贏，湯雪志，張小靜

(中北大學(xué) 機電工程學(xué)院，太原 030051)

破甲彈依靠聚能效應(yīng)，形成高速金屬射流來擊穿裝甲[1]。多年來，國內(nèi)外就成型裝藥新結(jié)構(gòu)新技術(shù)的研究不斷升級。王志軍等[3]在楔形藥型罩的基礎(chǔ)上提出了一種新型星錐狀聚能裝藥結(jié)構(gòu)；還有學(xué)者通過改變藥型罩形狀發(fā)明了一種新型喇叭-錐角結(jié)合藥型罩[2]。從20世紀(jì)60年代的變壁厚藥型罩、喇叭形藥型罩和雙錐形藥型罩，到后來的串聯(lián)成型裝藥藥型罩，截錐藥型罩、分離式藥型罩和大錐角自鍛藥型罩等，都是為了對付不斷發(fā)展的裝甲防護(hù)而提出的新型成型裝藥結(jié)構(gòu)[4]。

等錐角藥型罩因其破甲性能和工藝性均好，而被廣泛使用[5]。而喇叭形藥型罩可以看作是連續(xù)變錐角的錐形罩，頂部錐角較小，底部錐角大，相比傳統(tǒng)藥型罩炸藥量增加，從而喇叭形藥型罩從理論上看可以得到速度分布梯度更為合理的射流，使破甲性能提高。傳統(tǒng)上藥型罩大都為單層結(jié)構(gòu)，而最終形成射流的只是內(nèi)層罩的部分金屬，其質(zhì)量只占全部藥型罩質(zhì)量15%左右[6]。因此，研究雙層喇叭形藥型罩非常有必要。曹杰等[7]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)銅鋁厚度比為1∶1.5時銅鋁雙層復(fù)合藥型罩射流性能最優(yōu)；張小靜等[8]研究外罩為高分子聚合物材料對雙層藥型罩射流成型的影響，發(fā)現(xiàn)高分子聚合物材料作為外罩時，射流的性能均優(yōu)于鋁作為外罩時的性能；鄭宇等[9]研究了雙層藥型罩參數(shù)對侵徹半無限靶的影響，給出了厚度比為1時多種材料的不同組合對侵深和孔徑的影響規(guī)律；喬金超等[10]研究了雙層藥型罩切割壁厚比變化對藥型罩的射流形成及其侵徹靶板的性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)對藥型罩壁厚進(jìn)行1∶1切割時，不僅可以提高藥型罩的材料利用率，還可以獲得效果最理想的射流形態(tài)以及速度分布。

但是目前還沒有學(xué)者研究過隔板對喇叭形銅鋁雙層復(fù)合藥型罩的影響。在此設(shè)計了一種新型雙層喇叭形復(fù)合藥型罩，使藥型罩的母線比傳統(tǒng)藥型罩更長。同時通過增加隔板，進(jìn)一步提高聚能射流的性能。同時，分析了隔板對喇叭形藥型罩射流形成的影響。

1 藥型罩設(shè)計

1.1 藥型罩結(jié)構(gòu)參數(shù)

對于雙層藥型罩，藥型罩靠近炸藥的一側(cè)記為外罩，遠(yuǎn)離炸藥的記為內(nèi)罩。由應(yīng)力波在介質(zhì)中的傳播理論可知，當(dāng)應(yīng)力波從外罩傳入內(nèi)罩時，入射波和反射波滿足下列關(guān)系[11]：

其中，σT、σ1、σR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，如果內(nèi)外罩厚度比設(shè)置合適，就可以實現(xiàn)藥型罩的分離，從而可以提高內(nèi)罩的速度。

在傳統(tǒng)錐角藥型罩的基礎(chǔ)上，截掉藥型罩頂部，形成一種新的截頂藥型罩[11]，再將錐角藥型罩改變?yōu)榍€藥型罩，使藥型罩形狀為喇叭形。圖1為兩種藥型罩成型裝藥結(jié)構(gòu)戰(zhàn)斗部示意圖，戰(zhàn)斗部尺寸：戰(zhàn)斗部直徑D1=104 mm，殼體壁厚D2=2 mm，材料為4340鋼，即裝藥寬度為100 mm，戰(zhàn)斗部高度H1=150 mm，炸藥選用B炸藥，藥型罩厚度2 mm，藥型罩頂部開口口徑D3=6 mm。H為隔板距離藥型罩頂部距離。

圖1 成型裝藥結(jié)構(gòu)戰(zhàn)斗部示意圖

1.2 有限元模型

數(shù)值模型由空氣，殼體，炸藥及藥型罩組成，由于炸藥爆炸以及藥型罩在壓垮過程中材料變形大，使用Euler單元進(jìn)行建模；為了獲得更好的射流形態(tài)，采用局部加密的建模方式。在空氣域邊界建立FOLW-OUT邊界條件，目的是為了模擬無限空氣域。由于本文所設(shè)計藥型罩為對稱結(jié)構(gòu)，因此利用AUTODYN-2D軟件建立1/2模型，起爆方式采用裝藥底部端面中心點起爆方式，單位制為cm-g-μs。藥型罩戰(zhàn)斗部有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型示意圖

材料參數(shù)來自Autodyn自帶材料庫[8]。戰(zhàn)斗部材料參數(shù)和狀態(tài)方程如表1所示[9]，炸藥選用COMP B，采用JWL狀態(tài)方程描述，材料參數(shù)如表2所示。

表1 材料參數(shù)

表2 COMP B材料參數(shù)

1.3 三種藥型罩射流成型對比

三種藥型罩聚能射流成型過程如表3所示，速度云圖如圖3。對比分析可知，錐角藥型罩形結(jié)構(gòu)的聚能射流成型過程相對慢一些，射流整體較粗，所形成的杵體明顯大于喇叭形藥型罩，在60 μs時的頭部速度為5 802 m/s，射流長度為355 mm；而喇叭形藥型罩結(jié)構(gòu)的聚能射流杵體小，頭部尖細(xì)，在60 μs時射流頭部速度能到達(dá)7 174 m/s，射流長度為427 mm；雙層喇叭藥型罩結(jié)構(gòu)的聚能射流形態(tài)和喇叭形藥型罩結(jié)構(gòu)的聚能射流并無較大差異，但是頭部速度可提高到 7 868 m/s，射流長度可達(dá)到449 mm。

表3 射流成型情況

圖3 60 μs射流速度云圖

綜上，喇叭形藥型所形成的射流頭部速度相比錐形藥型罩提高了23.6%，而將喇叭形藥型罩按照1∶1改為外罩為鋁內(nèi)罩為銅的雙層藥型罩，射流頭部速度可以再提高9.7%，故雙層喇叭形藥型罩結(jié)構(gòu)的聚能射流性能較好，因此采取雙層喇叭形藥型罩結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

2 隔板設(shè)計

隔板的作用是延遲藥柱軸向爆轟的傳播并改變爆轟波傳播的路徑，以調(diào)整起始爆轟波陣面形狀，控制爆轟波方向和爆轟波到達(dá)藥型罩的時間，設(shè)計良好的隔板能有效地提高破甲度[5]。從金屬射流的形成機理上分析，起始爆轟波波形的要求首先波陣面應(yīng)是光滑連續(xù)的，盡量避免出現(xiàn)波節(jié)而造成馬赫波反射；其次，起始爆轟波對罩壁作用順序是側(cè)峰不能超過中峰，或起始爆轟波的頂部錐角不能小于錐角罩，以保證藥型罩各個微元循序閉合；起始爆轟波的形狀應(yīng)與藥柱、藥型罩和彈體相適應(yīng)，不同隔板形狀與尺寸可以產(chǎn)生不同形狀的爆轟波形。

1) 隔板直徑dg。裝有隔板的成型裝藥，其爆轟波形一般由中部收斂的錐形波和外圍發(fā)散的球面波組成，作用與藥型罩上的爆炸載荷主要取決于中部收斂的錐形波，其作用范圍接近隔板直徑，隔板直徑dg可用下式計算：

dg=K[dL+2rp(1-K)/K]

其中：dL為藥型罩口部直徑；rp為藥型罩平頂直徑；K為隔板投影所包圍的藥型罩母線相對長度，對于圓柱形藥柱K取0.76～0.88[5]。

2) 圓臺形隔板錐角2θ。圖4為圓臺形隔板結(jié)構(gòu)示意圖，頂部錐角為2θ。

圖4 隔板結(jié)構(gòu)示意圖

3) 隔板厚度S1。隔板厚度S1與材料的隔爆性能有關(guān)，S1應(yīng)保證繞過隔板頂部的爆轟波和通過隔板沿軸向的爆轟波同時到達(dá)藥型罩頂。結(jié)合喇叭形藥型罩的特殊形狀，同時考慮隔板的位置，以圓臺形隔板底部距離藥型罩頂部距離D為控制變量，采取正交表L25(54)進(jìn)行仿真計算，各個因素的水平值設(shè)計如表4所示。

表4 正交設(shè)計各因素水平值

3 正交設(shè)計及結(jié)果分析

3.1 正交設(shè)計

表5為正交表L25(45)的設(shè)計方案與與計算結(jié)果，表5中Vmax為60 μs時的射流頭部速度，選擇60 μs時的射流頭部速度作為實驗結(jié)果進(jìn)行分析。

表5 正交表L25(54)設(shè)計與計算結(jié)果

續(xù)表(表5)

3.2 結(jié)果分析

表6為極差計算結(jié)果，結(jié)合直觀分析法和正交表的計算結(jié)果可知，4個因素對射流頭部速度影響從大到小的排列順序是：隔板直徑dg>隔板距離藥型罩頂部距離D>隔板厚度S1> 隔板錐角2θ。方案23所得聚能射流頭部速度最高，可達(dá)到13 700 m/s，同時射流長度也是最長的675 mm。根據(jù)各因素各水平所對應(yīng)指標(biāo)結(jié)果的平均值的大小，可確定各因素最優(yōu)值，由計算結(jié)果可知，隔板厚度S1的最佳值應(yīng)為20 mm，隔板直徑dg應(yīng)取80 mm，圓臺形隔板錐角應(yīng)取10°，隔板底部距離藥型罩頂部距離應(yīng)取10 mm，對應(yīng)方案23，與計算結(jié)果相符合。

表6 極差計算結(jié)果

隨著隔板直徑的增加，射流頭部速度也隨之上升，說明可以適當(dāng)?shù)脑黾痈舭搴穸葋硖岣呱淞黝^部速度；相反隨著隔板距離藥型罩頂部距離的加大，射流頭部速度是減小的。D從10 mm加大到20 mm射流頭部速度減幅最大，而隔板厚度和隔板錐角的改變對射流頭部速度的影響不是很大，趨于穩(wěn)定。

圖5和圖6為有無隔板情況下爆轟波傳播路線圖。炸藥爆轟后，外罩被壓垮并與內(nèi)罩發(fā)生高速碰撞，根據(jù)動量守恒定律，內(nèi)罩高速壓垮行形成流，而外罩則以一定的剩余速度繼續(xù)壓合，但是外罩只是行成了杵體的一部分[11]。動能是影響射流侵徹能力的重要因素之一，圖7和圖8為兩種方案射流動能變化曲線，可以看出形成杵體的鋁動能變化差別不大，而方案23中形成射流的銅動能最高為6.998 1×1011μJ,對比組材料銅的最高動能為5.330 5×1011μJ，相比提高了31.3%。

圖5 方案23爆轟波傳播路線圖

圖6 爆轟波在對比組中的傳播路線圖

圖7 無隔板射流動能變化曲線

圖8 方案23射流動能變化曲線

4 結(jié)論

1) 通過對比錐形藥型罩，喇叭形藥型罩和雙層喇叭形藥型罩射流成型情況，得出，喇叭形藥型罩所形成的射流頭部速度相比錐形藥型罩提高了23.6%，而將喇叭形藥型罩按照1∶1改為外罩為鋁內(nèi)罩為銅的雙層藥型罩，射流頭部速度可以再提高9.7%。

2) 通過對戰(zhàn)斗部添加隔板，并以隔板厚度，直徑，隔板頂部錐角角度和隔板所處位置為變量，采用正交優(yōu)化的方法設(shè)計了25組不同方案的加隔板戰(zhàn)斗部，對比分析可知四個因素對射流頭部速度影響從大到小的排列順序是：隔板直徑dg>隔板距離藥型罩頂部距離D>隔板厚度S1> 隔板錐角2θ。

3) 從正交表的計算結(jié)果來看，當(dāng)隔板采取厚度為0.2倍口徑，直徑取0.8倍口徑，頂部錐角為10°以及隔板距離藥型罩頂部10 mm時射流綜合效果最好。此時射流頭部速度在60 μs可達(dá)到17 070 m/s。射流動能比無隔板喇叭形藥型罩提高了31.3%。