梯形截面聚能裝藥射流成型特性研究

馬 彬，岑樂山，江 濤，盧文瑞，黃正祥，王鈺婷

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 南京 210094)

0 引言

隨著軍事技術(shù)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代化戰(zhàn)場上涌現(xiàn)出一系列高科技武器系統(tǒng)及搭載平臺，例如巡飛彈、無人機(jī)等，它們的出現(xiàn)為未來戰(zhàn)場上的精確打擊奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。然而受氣動力學(xué)特性限制，這些武器系統(tǒng)及搭載平臺所攜帶戰(zhàn)斗部打破了原有旋轉(zhuǎn)成體結(jié)構(gòu)，而采用非圓截面戰(zhàn)斗部空間布局形式。根據(jù)公開資料可知，當(dāng)前非圓截面戰(zhàn)斗部主要以殺爆戰(zhàn)斗部為主，部分采用動能侵徹體，所對應(yīng)的毀傷元主要為破片、沖擊波以及動能侵徹體。隨著戰(zhàn)場防護(hù)技術(shù)不斷提高，當(dāng)前該類戰(zhàn)斗部所形成的毀傷元已難以有效對付具有高效防護(hù)能力的裝甲目標(biāo)、工事等，無法實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的有效打擊。與殺爆戰(zhàn)斗部和穿甲戰(zhàn)斗部相比，聚能射流頭部速度可達(dá)6 000～10 000 m/s，在侵徹過程中受靶板強(qiáng)度影響較小，具有更高的侵徹威力，增強(qiáng)了對高效防護(hù)裝甲目標(biāo)和防護(hù)工事的毀傷效果。與此同時，非對稱結(jié)構(gòu)戰(zhàn)斗部空間布局形式的出現(xiàn)以及發(fā)展，也對聚能戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了巨大的挑戰(zhàn)。

在非旋轉(zhuǎn)成體聚能裝藥方面，相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了初步探索。李硯東等研究了一種橢圓截面結(jié)構(gòu)的聚能裝藥，設(shè)置多點(diǎn)起爆，并通過動力學(xué)仿真軟件LS-DYNA進(jìn)行了數(shù)值仿真。通過仿真主要分析了所獲得侵徹體的形態(tài)特征以及動力學(xué)特性，同時研究了該裝藥結(jié)構(gòu)尺寸對侵徹體性能的影響。結(jié)果表明：該結(jié)構(gòu)聚能裝藥所形成的侵徹體與常規(guī)軸對稱成型裝藥在多點(diǎn)起爆下形成的高速成型彈丸相比，侵徹體的整體性能在一定程度上得到了優(yōu)化，其所形成的高速成型彈丸寬度有很大幅度的提高，且彈丸頭部速度也得到了較大提高。Stewart等為了研究用于攻頂破甲兼侵徹功能的多模戰(zhàn)斗部，設(shè)計(jì)了40多種多模戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)，均呈現(xiàn)非旋轉(zhuǎn)成體結(jié)構(gòu)，經(jīng)過仿真研究，由于裝藥結(jié)構(gòu)的不對稱性，導(dǎo)致聚能射流的穩(wěn)定性受到嚴(yán)重影響。王鈺婷等通過數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究了橢圓形及方形截面聚能裝藥所得聚能射流的成型及侵徹性能。研究結(jié)果表明，橢圓形截面聚能裝藥所形成的聚能射流，除頭部在運(yùn)動拉伸過程中持續(xù)呈現(xiàn)凝聚態(tài)外，其余部分在運(yùn)動拉伸過程中，尤其是慣性拉伸階段后期出現(xiàn)分散，分散的聚能射流由關(guān)于截面長軸對稱分布的散明顯降低了聚能射流的侵徹能力；而方形聚能裝藥壓垮藥型罩過程中具有一定的周期性，所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的方形截面聚能裝藥侵徹深度略大于圓柱形裝藥。

由于梯形截面結(jié)構(gòu)對于飛行器而言具有高升力、大升力阻比等優(yōu)點(diǎn)，對于諸多新型搭載平臺采用梯形截面結(jié)構(gòu)，文中在Φ56 mm基準(zhǔn)聚能裝藥基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了梯形截面結(jié)構(gòu)聚能裝藥，該裝藥采用旋轉(zhuǎn)成體藥型罩加裝梯形截面裝藥。通過動力學(xué)仿真軟件ANSYS/LS-DYNA對該結(jié)構(gòu)聚能裝藥進(jìn)行建模分析，獲得了該結(jié)構(gòu)聚能裝藥成型聚能射流特性。研究成果將為梯形截面聚能裝藥在新型武器搭載平臺上的應(yīng)用提供參考和指導(dǎo)。

1 數(shù)值模擬

1.1 模型建立

梯形截面結(jié)構(gòu)聚能裝藥是基于Φ56 mm基準(zhǔn)聚能裝藥設(shè)計(jì)而來。如圖1所示分別為Φ56 mm基準(zhǔn)聚能裝藥及梯形截面聚能裝藥兩者結(jié)構(gòu)圖。

圖1 聚能裝藥結(jié)構(gòu)圖

在圖1所示裝藥結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，采用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件，對Φ56 mm基準(zhǔn)聚能裝藥以及梯形截面聚能裝藥的射流成型過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。圖2為所建立的兩種裝藥結(jié)構(gòu)的仿真模型，由于結(jié)構(gòu)的對稱性，模型采用二分之一建模方法。

圖2 有限元仿真模型

1.2 材料模型及參數(shù)

在所建立的模型中，主要涉及的單元為炸藥、藥型罩以及空氣域。在研究過程中，炸藥采用B炸藥，材料模型為MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN及JWL狀態(tài)方程:

(1)

表1 B炸藥參數(shù)[16]

從經(jīng)濟(jì)、原材方面考慮，高導(dǎo)無氧銅都具備一定的優(yōu)勢，因此高導(dǎo)無氧銅為現(xiàn)階段聚能破甲戰(zhàn)斗部最為普遍使用的藥型罩材料之一。由于經(jīng)過大量的研究，材料參數(shù)亦較為成熟，因此文中藥型罩材料選用高導(dǎo)無氧銅，數(shù)值模擬過程中采用MAT_JOHNSON-COOK材料模型，狀態(tài)方程采用Gruneisen狀態(tài)方程:

(2)

表2 高導(dǎo)無氧銅材料參數(shù)[18]

在數(shù)值模擬過程中，空氣的材料本構(gòu)模型為MAT_NULL,表3所示為空氣的關(guān)鍵本構(gòu)參數(shù)。

表3 空氣材料參數(shù)

2 結(jié)果及討論

2.1 藥形罩壓垮過程

為了探索梯形截面裝藥結(jié)構(gòu)對聚能射流成型特性的影響機(jī)制，基于ANSYS/LS-dyna有限元軟件對兩種結(jié)構(gòu)聚能裝藥射流成型過程的數(shù)值模擬，對比分析了梯形截面與圓形截面兩種結(jié)構(gòu)聚能裝藥起爆過程中藥型罩的壓垮過程及所得聚能射流得形態(tài)特征及動力學(xué)參數(shù)。如圖3所示，為裝藥起爆后4 μs和20 μs時刻兩種結(jié)構(gòu)聚能裝藥爆轟波傳播特性云圖。

圖3 裝藥起爆4 μs和20 μs時刻爆轟壓力分布特性云圖

通過圖3的爆轟波應(yīng)力云圖可知，在裝藥起爆后4 μs時刻，爆轟波傳播至藥型罩頂部。此時由于炸藥未傳爆至裝藥邊界，裝藥截面形狀對該時刻爆轟波的整體傳播特性幾乎無影響，因此兩種裝藥結(jié)構(gòu)所表現(xiàn)出的爆轟波傳播特性并無明顯差異。由圖3中20 μs時刻裝藥的爆轟波應(yīng)力云圖可知，當(dāng)裝藥傳爆至裝藥邊界時，會形成一系列稀疏波，由于兩種裝藥結(jié)構(gòu)截面的不同，導(dǎo)致兩種結(jié)構(gòu)的聚能裝藥起爆所產(chǎn)生的爆轟壓力分布逐漸出現(xiàn)明顯差異。

基于數(shù)值模擬，對藥型罩表面的爆轟波壓力進(jìn)行分析，如圖4所示分別兩種裝藥結(jié)構(gòu)起爆后6 μs和14 μs時刻藥型罩表面的爆轟壓力分布云圖。

圖4 裝藥起爆后6 μs與14 μs時刻藥形罩表面壓力分布云圖

通過圖4所示的藥型罩表面的應(yīng)力云圖可以看出，在裝藥起爆后6 μs時刻，圓截面和梯形截面兩種結(jié)構(gòu)聚能裝藥下，由于炸藥爆轟未傳爆至裝藥界面，兩種裝藥結(jié)構(gòu)下藥型罩表面的爆轟壓力均呈現(xiàn)對稱分布。隨著爆轟程度的不斷增加，炸藥爆轟傳播至裝藥界面，界面結(jié)構(gòu)的不同，由界面效應(yīng)所產(chǎn)生的稀疏波開始對整個爆轟場中的爆轟壓力產(chǎn)生影響。由圖4中14 μs時刻的藥性罩表面的爆轟壓力云圖可知，對于圓截面結(jié)構(gòu)聚能裝藥，由于裝藥結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)對稱，爆轟波幾乎同時傳播至裝藥表面，表面稀疏波均勻?qū)ΨQ；而對于梯形截面裝藥結(jié)構(gòu)呈非軸對稱性，爆轟波不能同時到達(dá)各表面，所產(chǎn)生的稀疏波亦不能同時達(dá)到藥型罩表面，致使藥形罩表面壓力不再呈現(xiàn)均勻分布。

聚能裝藥爆轟壓力的分布，最終將對藥型罩的壓垮速度產(chǎn)生影響。圖5為裝藥起爆后6 μs和14 μs時刻藥型罩壓垮速度分布云圖。

圖5 裝藥起爆6 μs與14 μs時刻藥形罩壓垮速度分布云圖

在聚能裝藥起爆初期，對于圓截面及梯形截面兩種結(jié)構(gòu)聚能裝藥，由于藥形罩表面壓力呈軸對稱分布，因此，兩種結(jié)構(gòu)聚能裝藥藥形罩壓垮速度也呈軸對稱分布如圖5中6 μs時刻速度云圖。隨著裝藥爆轟程度的增加，由于爆轟傳播至裝藥界面，裝藥界面對爆轟壓力的產(chǎn)生影響，導(dǎo)致傳播至藥型罩表面的壓力亦隨著裝藥截面的不同而發(fā)生變化，對于藥型罩運(yùn)動特性的影響則表現(xiàn)為壓垮速度分布隨裝藥截面的不同而出現(xiàn)差異如圖5中14 μs時刻速度云圖所示。對于梯形截面裝藥而言，藥形罩壓垮運(yùn)動后期，從梯形截面裝藥傳入的稀疏波陸續(xù)趕上運(yùn)動中的藥形罩微元，考慮到從裝藥表面?zhèn)魅氲南∈璨偸谴怪庇谘b藥表面?zhèn)魅氡Z產(chǎn)物，因此從裝藥表面?zhèn)魅氲南∈璨偸亲钕扔绊懣拷菪谓孛娑踢吿幍乃幮握治⒃?，而越靠近梯形截面下底邊，稀疏波對藥型罩壓垮運(yùn)動的影響速度越慢。從梯形截面聚能裝藥表面?zhèn)魅氲南∈璨ǖ竭_(dá)藥形罩微元表面后，在微元表面反射稀疏波，使微元表面爆轟產(chǎn)物壓力下降更為迅速，最終表現(xiàn)為藥形罩微元壓垮運(yùn)動的加速度減小更為迅速。由于上述稀疏波的作用，最終導(dǎo)致梯形截面聚能裝藥藥型罩壓垮速度呈現(xiàn)圖5中14 μs時刻梯形截面藥型罩上的速度分布規(guī)律，即靠近上底面的藥型罩微元壓垮速度低于靠近下底面的部分。

2.2 聚能射流特性分析

在分析聚能裝藥壓垮過程的基礎(chǔ)上，為探究裝藥截面形狀對聚能射流成型特性的影響，對比分析了Φ56 mm基準(zhǔn)聚能裝藥以及所設(shè)計(jì)的梯形截面裝藥兩種結(jié)構(gòu)裝藥所獲得的聚能射流特性。圖6為兩種結(jié)構(gòu)裝藥在起爆后不同時刻所獲得的聚能射流形態(tài)。

圖6 聚能裝藥起爆不同時刻所得聚能射流形態(tài)

由圖6所示的兩種結(jié)構(gòu)聚能裝藥所得到的聚能射流形態(tài)圖可知，在裝藥起爆后20 μs時刻，對于Φ56 mm聚能裝藥，所形成的聚能射流具有較理想的軸對稱性；對于梯形截面聚能裝藥，起爆后20 μs時刻，由于裝藥結(jié)構(gòu)的不對稱性導(dǎo)致的爆轟波以及稀疏波的共同作用，聚能射流已開始展現(xiàn)出不對稱性。隨著時間增加，梯形截面結(jié)構(gòu)聚能裝藥所產(chǎn)生的聚能射流非軸對稱性趨于嚴(yán)重。聚能射流40 μs時刻軸向速度分布如圖7所示，裝藥起爆后40 μs時刻聚能射流已經(jīng)形成充分壓垮并進(jìn)入慣性拉伸階段，由圖可知，圓形截面結(jié)構(gòu)聚能裝藥所得聚能射流得頭部速度約為6 230 m/s，聚能射流尾部速度為1 570 m/s；梯形截面聚能射流的頭部為6 230 m/s，尾部速度約為1 660 m/s。

圖7 聚能射流在40 μs時刻沿軸線不同位置處的軸向速度

通過分析可知，兩種結(jié)構(gòu)得裝藥所產(chǎn)生得聚能射流頭尾速度并不明顯差異，然而，根據(jù)一維流體動力學(xué)侵徹理論可知，聚能射流的侵徹能力與它的有效長度成正比。為比較裝藥截面結(jié)構(gòu)對聚能射流有效長度的影響，對比分析了裝藥起爆40 μs時刻兩種裝藥結(jié)構(gòu)所得聚能射流的形態(tài)尺寸，結(jié)果如圖8所示。

圖8 裝藥起爆40 μs時刻聚能射流尺寸(單位:mm)

通過圖8所示的裝藥起爆40 μs時刻的射流形態(tài)可知，對于Φ56 mm圓形截面聚能裝藥所形成的聚能射流長度為137.38 mm，杵體部分占總侵徹體的長度比例26.9%，聚能射流穩(wěn)定性及軸對稱性較理想。對于梯形截面聚能裝藥而言，所形成的聚能侵徹體分為4部分，其中杵體速度較低并且杵體占總侵徹體的比例為32.4%，該截面結(jié)構(gòu)裝藥所產(chǎn)生的杵體比例要高于圓形截面結(jié)構(gòu)裝藥所產(chǎn)生的杵體，且杵體的軸對稱性變差。對于梯形截面所產(chǎn)的射流部分，有約30%部分出現(xiàn)非對稱分叉。梯形截面裝藥所產(chǎn)生的聚能射流軸對稱性及聚能射流的整體形態(tài)嚴(yán)重影響了聚能射流的有效長度，該情況將對聚能射流的侵徹威力產(chǎn)生較大影響。

在對比分析兩種結(jié)構(gòu)的聚能裝藥在40 μs時刻的形態(tài)特性基礎(chǔ)上，為了解兩種結(jié)構(gòu)裝藥所產(chǎn)生的聚能射流整體的速度分布，對所得聚能射流在40 μs時刻軸向和徑向速度進(jìn)行了提取，結(jié)果如圖9所示。

圖9 裝藥起爆40 μs 時刻聚能射流徑向速度分布圖

根據(jù)圖9所得圓形截面及梯形截面兩種結(jié)構(gòu)裝藥所得聚能射流得徑向速度分布圖可知，對于圓截面聚能裝藥，所得聚能射流徑向最大速度約為68.4 m/s；而對于梯形截面結(jié)構(gòu)聚能裝藥，所得聚能射流的最大徑向速度約為525 m/s，并且按照圖9(b)中所示的聚能射流定位圖可知，沿藥型罩軸線方向，相同軸線位置處，軸線左右兩側(cè)的徑向速度大小亦不相同。軸向速度梯度的存在，導(dǎo)致聚能射流逐漸的拉伸變長，而徑向速度的存在以及分布的不均，導(dǎo)致聚能射流的整體形態(tài)特性出現(xiàn)不規(guī)則變化，最終致使聚能射流不再具有軸對稱性。

3 結(jié)論

采用動力學(xué)仿真軟件ANSYS/LS-DYNA，以Φ56 mm基準(zhǔn)聚能裝藥為基礎(chǔ)，構(gòu)建了梯形截面結(jié)構(gòu)聚能裝藥，并通過數(shù)值模擬，對Φ56 mm基準(zhǔn)聚能裝藥以及所構(gòu)建的梯形截面結(jié)構(gòu)聚能裝藥聚能射流成型過程進(jìn)行了分析。主要結(jié)論如下：

1)梯形截面聚能裝藥藥型罩在壓垮過程中，藥型罩微元在向軸線壓垮時，微元壓垮運(yùn)動受爆轟波及從裝藥表面?zhèn)魅氲南∈璨▋烧叩墓餐绊?，藥形罩微元壓垮速度在軸線相同位置處不再呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)對稱分布，最終導(dǎo)致聚能射流整體形態(tài)不再呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)對稱，有約占總長度30%的部分出現(xiàn)非對稱分叉。梯形截面裝藥所產(chǎn)生的聚能射流軸對稱性及聚能射流的整體形態(tài)嚴(yán)重影響了聚能射流的有效長度。

2)通過對兩種結(jié)構(gòu)聚能裝藥所產(chǎn)生聚能射流的尺寸及速度分布進(jìn)行對比分析，所產(chǎn)生的聚能射流長度及速度分布十分相近，產(chǎn)生的聚能射流頭部速度約為6 230 m/s，圓形結(jié)構(gòu)聚能裝藥射流尾部速度約為1 570 m/s，而梯形截面裝藥所得聚能射流的尾部速度為1 660 m/s，相比于圓形截面增加了5.7%。

3)對于Φ56 mm圓形截面聚能裝藥所形成的聚能射流長度為137.38 mm，杵體部分占總侵徹體的長度比例26.9%。對于梯形截面聚能裝藥而言，杵體占總侵徹體的比例為32.4%，該截面結(jié)構(gòu)裝藥所產(chǎn)生的杵體比例要高于圓形截面結(jié)構(gòu)裝藥所產(chǎn)生的杵體，且杵體的軸對稱性變差。