柱錐結(jié)合藥型罩射流成型及侵徹威力數(shù)值模擬

王一凡,王志軍,徐永杰,2

(1.中北大學(xué) 機電工程學(xué)院,太原 030051;2.重慶紅宇精密工業(yè)集團(tuán)有限公司,重慶 402760)

0 引言

隨著裝甲目標(biāo)防護(hù)厚度的增加,對聚能裝藥戰(zhàn)斗部破甲威力要求越來越高[1-8]。藥型罩作為聚能裝藥戰(zhàn)斗部中的核心部件,其形狀、尺寸、頂部結(jié)構(gòu)等對形成的聚能射流特性有著重要影響[9-11]。柱錐結(jié)合藥型罩通過增加母線長度,實現(xiàn)了在小炸高條件下,滿足破甲威力的要求[12]。

近年來,許多學(xué)者對柱錐結(jié)合藥型罩進(jìn)行了研究。王佩等[11]研究了圓柱結(jié)構(gòu)直徑與高度的比值對柱錐結(jié)合藥型罩形成射流性能的影響,結(jié)果表明:裝藥結(jié)構(gòu)一致情況下,比值為3/3的柱錐結(jié)合藥型罩形成的射流形態(tài)最穩(wěn)定,抗拉伸性能好,侵徹能力最強。朱銘頡等[8]研究了炸高對柱錐結(jié)合罩型聚能裝藥侵徹深度的影響,結(jié)果表明,在有利炸高下,最大破甲深度約為裝藥直徑的4.6倍。阮光光等[13]對喇叭—錐角結(jié)合藥型罩形成的射流進(jìn)行了研究,結(jié)果表明:相比于同裝藥尺寸的錐罩,該結(jié)構(gòu)形成的射流速度提高了9.54%,對鋼板的侵徹深度提高了19.82%;相比于同裝藥尺寸的平頂罩,速度提高了6.36%,侵徹深度提高了12.25%。Wang等[14]研究了圓柱罩材料對柱錐結(jié)合藥型罩射流成型的影響,結(jié)果表明當(dāng)柱罩和錐罩材料一致時,射流頭部是由圓柱罩的部分形成的。值得注意的是,在之前各學(xué)者的研究中,圓柱形藥型罩在柱錐結(jié)合罩中僅占一小部分,本研究通過擴大圓柱罩的尺寸,進(jìn)一步研究其成型和侵徹能力。

為了解決傳統(tǒng)射流侵徹能力不足的問題,對新型柱錐結(jié)合罩型聚能裝藥展開研究,重點研究柱錐結(jié)合藥型罩圓柱部分直徑和長度的大小對射流成型及侵徹性能的影響,通過改變圓柱部分直徑和長度的大小,進(jìn)一步研究對射流速度、射流有效長度、侵徹深度,射流剩余速度等相關(guān)參數(shù)的影響。從而為柱錐結(jié)合罩在高效毀傷戰(zhàn)斗部中的應(yīng)用提供依據(jù)和支持。

1 理論分析

成型裝藥爆炸后,爆轟波推動金屬藥型罩向軸線運動,在軸線處發(fā)生碰撞后,分成射流和杵體兩部分。炸藥爆轟波到達(dá)藥型罩壁面的壓力約為幾十GPa,這一壓力遠(yuǎn)大于藥型罩金屬材料的強度。因此,可以忽略材料強度的影響,把金屬藥型罩當(dāng)作理想流體來處理[15]。此外,藥型罩向軸線壓合運動中,其體積壓縮和形狀變化相比較也是非常微小的,可以忽略。同時假定藥型罩整個罩壁受到的壓力處處相等,藥型罩微元獲得相同且不變的初速V0向內(nèi)壓合。圖1為藥型罩壓垮過程圖,其中α為藥型罩半錐角,β為壓合角。

由定常理論得到的射流速度Vj和杵體速度Vs分別為

(1)

(2)

式中:D為爆速。

射流質(zhì)量mj和杵體質(zhì)量ms分別為

(3)

(4)

式中:m為單位長度藥型罩的質(zhì)量。

由式(1)和式(3)可知,當(dāng)α減小時,射流速度Vj增加,射流質(zhì)量mj減小。當(dāng)時,Vj接近一最大值,此時

(5)

值得注意的是,當(dāng)α→0時,傳統(tǒng)錐形藥型罩接近于一個圓柱形,圓柱形藥型罩產(chǎn)生高速小質(zhì)量射流是可能的[15]。當(dāng)把圓柱罩和錐形罩結(jié)合在一起時,圓柱罩用來增大射流頭部速度,錐罩用來增大射流直徑,從而形成高速連續(xù)射流。

2 數(shù)值模擬

2.1 裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計

聚能裝藥幾何結(jié)構(gòu)如圖2所示,該結(jié)構(gòu)主要由炸藥裝藥和柱錐結(jié)合藥型罩組成,在數(shù)值仿真階段忽略殼體的影響(無殼體成形裝藥),炸藥選擇奧克托金(HMX),藥型罩材料為銅,裝藥直徑D=100 mm,裝藥長度L=120 mm,藥型罩壁厚Φ=2.5 mm,藥型罩錐形部分錐角α=60°,圓柱部分直徑為d,長度為l。

圖2 裝藥結(jié)構(gòu)幾何模型

2.2 數(shù)值模型的建立

聚能裝藥結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖3所示,由于該結(jié)構(gòu)具有軸對稱性,只需建立1/2模型,同時也可以降低計算消耗。射流的成型過程屬于大變形,故空氣,炸藥和銅藥型罩采用Euler算法。通過在空氣邊界上添加FLOW OUT邊界條件來消除邊界效應(yīng)。為了更好地觀察射流的成型過程,對射流經(jīng)過的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密;在藥型罩底端設(shè)置第一個高斯點,之后每隔100 mm添加一高斯點;起爆方式采用中心點起爆。材料均選用Autodyn軟件自帶材料庫中的材料,炸藥的材料模型及狀態(tài)方程參數(shù)如表1所示,銅的材料參數(shù)如表2所示。

利用角色動畫表現(xiàn)這樣一種引領(lǐng)式的交互方式將設(shè)計理念中重要的部分呈現(xiàn)出來，當(dāng)進(jìn)入到室內(nèi)環(huán)境中，角色的任務(wù)也就此完成，從而讓用戶成為唯一的角色。

表1 HMX材料模型及其狀態(tài)方程參數(shù)

表2 銅的材料參數(shù)

圖3 裝藥結(jié)構(gòu)有限元模型

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 射流形成機理分析

為了研究柱錐結(jié)合藥型罩射流成型過程,選擇圓柱部分直徑d=30 mm、長度l=30 mm進(jìn)行研究,射流成型過程如圖4所示。

圖4 射流成型過程

炸藥起爆后,爆轟波沿著軸線向前傳播,當(dāng)t=7 μs時,爆轟波作用于藥型罩圓柱部分,圓柱部分受力產(chǎn)生徑向壓縮,直徑逐漸減小,直到形成實心圓柱;在t=14 μs時,可以看出圓柱罩大部分形成了杵體,少部分沿著軸線繼續(xù)向前運動,同時爆轟波剛開始作用于藥型罩錐形部分,錐罩靠近頂部的部分還未在軸線匯聚,靠近底部的部分還未產(chǎn)生壓垮變形,此時的錐罩變成了上部錐角增大,下部錐角不變的雙錐罩;之后錐罩被壓垮,在軸線上匯聚,和圓柱部分形成的射流頭部沿軸線繼續(xù)向前運動,射流進(jìn)一步拉伸,形成最終的射流。

3.2 射流形成的數(shù)值模擬結(jié)果分析

射流在80 μs時的成型和速度云圖如圖5所示,從圖5中可以看出,隨著圓柱形藥型罩直徑和長度的增加,射流長度增大,直徑減小,頭部速度增大,速度梯度增大。這是因為與傳統(tǒng)錐形藥型罩相比,柱錐結(jié)合藥型罩通過增加母線長度,增加了爆轟產(chǎn)物與藥型罩的作用面積,延長了能量傳遞的時間,從而增加了射流長度;射流直徑減小是因為射流主要是由柱錐結(jié)合藥型罩錐形部分形成的,而隨著圓柱形部分直徑的增加,藥型罩錐形部分母線長減小,形成的射流有效質(zhì)量減小;圓柱部分使射流速度增大是由于在爆轟載荷的作用下,圓柱部分形成的聚能侵徹體經(jīng)二次匯聚形成了速度更高的射流頭部。射流連續(xù)性變差是因為隨著圓柱部分的增大,射流頭部速度逐漸增大,而錐形部分被壓垮后由于速度差不能及時補充到射流中,射流斷裂。

圖5 80 μs時射流成型及速度云圖

表3展示了射流在80 μs時的性能參數(shù)。對比方案1、2、4、6可以發(fā)現(xiàn),隨著柱錐結(jié)合藥型罩圓柱形部分直徑和長度的同時增加,射流頭部速度和尾部速度明顯增加,當(dāng)直徑和長度從10 mm增加到40 mm時,射流頭部速度增大了47.4%,射流總長度從406 mm增大到576 mm,當(dāng)直徑和長度取40 mm時,有效射流長度為395 mm,占射流總長度的72.9%。對比方案3、4、5,圓柱形部分直徑一定,只增大長度時,可以發(fā)現(xiàn),有效射流長度占比在直徑和長度比為1∶1時達(dá)到最大值。對比方案2、3或者方案5、6,圓柱形部分長度一定,改變直徑大小,可以發(fā)現(xiàn)直徑增加,射流速度和射流總長度均降低,這是因為藥型罩圓柱部分頂部全部形成了杵體,對射流的形成沒有貢獻(xiàn)。

表3 80 μs時射流性能參數(shù)

3.3 射流侵徹鋼靶的數(shù)值模擬結(jié)果分析

為了研究柱錐結(jié)合藥型罩形成射流的侵徹性能,在炸高為2.0、2.5、3.0倍裝藥口徑處分別設(shè)置550 mm厚的鋼靶,采用Lagrange算法,統(tǒng)計各裝藥結(jié)構(gòu)對靶板的侵徹穿深情況。

表4 聚能裝藥侵徹靶板穿深

表5 射流侵徹靶板具體參數(shù)

圖6 方案3射流侵徹靶板過程

從表5中可以發(fā)現(xiàn):當(dāng)方案3的結(jié)構(gòu)在侵徹鋼靶時,鋼靶入口處呈漏斗狀,而方案5對鋼板的侵徹入口處呈圓柱狀;3種工況下的穿孔直徑差別不大,最大為26.8 mm;方案3的結(jié)構(gòu)在穿透鋼靶后剩余速度最大,為1 550 m/s。

Xu等[16]對同樣裝藥尺寸的傳統(tǒng)錐罩型聚能裝藥侵徹鋼板做了試驗研究,在炸高為2倍裝藥直徑時,射流侵徹深度為379 mm,如圖7(a)所示。對該結(jié)構(gòu)侵徹鋼板進(jìn)行數(shù)值模擬,結(jié)果為372 mm,如圖7(b)所示。數(shù)值模擬誤差為1.8%,進(jìn)一步證明了數(shù)值模擬的可靠性,同時也證明了柱錐結(jié)合藥型罩型聚能裝藥相比于傳統(tǒng)聚能裝藥,侵徹能力明顯提高。

圖7 傳統(tǒng)聚能裝藥侵徹鋼板結(jié)果

4 結(jié)論

為了研究柱錐結(jié)合藥型罩圓柱部分結(jié)構(gòu)參數(shù)對射流成型及侵徹性能的影響,通過改變圓柱部分直徑和長度大小,得到射流速度、有效射流長度、侵徹深度,射流剩余速度等相關(guān)參數(shù),主要結(jié)論如下:

1) 柱錐結(jié)合藥型罩能形成頭部速度更高的射流,隨著圓柱部分直徑和長度的增加,射流速度明顯增加,當(dāng)圓柱部分直徑為30 mm,長度為40 mm時,射流頭部速度達(dá)到 8 110 m/s。

2) 炸高對射流的侵徹性能有很大的影響,當(dāng)柱錐結(jié)合藥型罩圓柱部分直徑和長度均小于30 mm時,最有利炸高為3倍裝藥口徑;當(dāng)直徑和長度大于30 mm時,最有利炸高為2.5倍裝藥口徑。

3) 在3.0倍裝藥口徑的炸高下,當(dāng)圓柱部分直徑為 30 mm,長度為20 mm時,可以穿透550 mm的靶板,孔徑為26.6 mm,射流剩余速度為1 550 m/s。