隔板對亞半球罩聚能裝藥的性能影響研究*

李運(yùn)祿，尹建平，劉同鑫，伊建亞

(中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051)

0 引言

隨著裝甲防護(hù)和戰(zhàn)斗部設(shè)計技術(shù)的不斷快速發(fā)展，近些年成型裝藥［1］取得了很大的進(jìn)展，不同形式的聚能裝藥得到了廣泛的應(yīng)用。亞半球藥型罩［2］作為眾多藥型罩結(jié)構(gòu)中的一種，它是采用近小半球的藥型罩，由于其自身結(jié)構(gòu)的特點，形成射流的速度比較小，多數(shù)情況下被用來穿透“軟”目標(biāo)，也可用于各種中遠(yuǎn)距離目標(biāo)的侵徹。

藥型罩已經(jīng)被深入研究很久，其中亞半球藥型罩也已被做了不同方面的分析，并且取得了很大的進(jìn)展，如廖海平［3］對亞半球藥型罩的桿式射流成型(JPC)的一些特性進(jìn)行了實驗探究，得出亞半球罩有效炸高約為24倍裝藥口徑，并且證明對炸高不敏感和后效大的相關(guān)特性;張先峰［4］對亞半球藥型罩射流成型和侵徹靶板過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，對侵徹過程速度變化原因、侵徹深度以及孔徑進(jìn)行了相關(guān)分析。K裝藥［5］是K.Miattsson等通過采用矮短的藥型罩結(jié)構(gòu)和先進(jìn)的隔爆材料或先進(jìn)的起爆技術(shù)設(shè)計的一種小長徑比的聚能裝藥結(jié)構(gòu)。K式裝藥對亞半球藥型罩桿式射流成型的影響還沒有太多的研究，與傳統(tǒng)聚能裝藥相比，K式裝藥具有更高的能量利用率，更好的能量分布，具備射流速度大、質(zhì)量大、侵徹能力強(qiáng)等特點。

本研究利用非線性動力學(xué)軟件AUTODYN-2D就隔板的直徑、隔板底部距藥型罩頂部距離、隔板材料對K式裝藥的亞半球藥型罩射流成型的影響進(jìn)行數(shù)值模擬，最后用正交設(shè)計方法［6-7］分析隔板參數(shù)對射流速度影響的主次因素，該研究結(jié)果可為亞半球聚能裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)一步研究提供參考價值。

1 計算模型

1.1 結(jié)構(gòu)模型

亞半球藥型罩K裝藥的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有:裝藥長徑比L/D為1，藥型罩口徑D為60 mm，藥型罩內(nèi)曲率半徑R1為31.05 mm，外曲率半徑R2為33.25 mm，藥型罩高度Hh為57.75 mm，殼體厚度為2.2 mm，隔板頂部距殼體距離h為5 mm，d為隔板直徑，H為隔板底部距藥型罩頂端距離。起爆方式采用點起爆，起爆點位置在裝藥頂端面中心。

圖1 K裝藥結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 材料模型

利用非線性動力學(xué)軟件AUTODYN-2D建立有限元模型，由于模型的軸對稱性，為節(jié)省計算時間，進(jìn)行二維計算，且只需建立1/2模型。炸藥、隔板、藥型罩以及空氣均采用Euler算法。材料采用軟件自帶材料庫中的材料［8］，其中炸藥選用 B炸藥，狀態(tài)方程為JWL;藥型罩材料選用無氧高導(dǎo)電性銅，其狀態(tài)方程和強(qiáng)度模型分別為Shock和Steinberg Guinan;隔板材料選取材料庫中的5種材料進(jìn)行對比。材料主要參數(shù)如表1所示。

表1 藥型罩和B炸藥的主要材料參數(shù)

2 隔板對桿式射流成型的影響

隔板［9］是指在炸藥裝藥中，藥型罩與起爆點之間設(shè)置惰性體或低速爆炸物。采用隔板的目的是改變爆轟波形，控制爆轟方向和爆轟到達(dá)藥型罩的時間，提高爆炸載荷，使炸藥的能量較充分的作用在藥型罩上，提高作用在藥型罩上的爆壓。從而增加射流速度，達(dá)到提高破甲威力的目的。

隔板材料的選擇通常主要考慮兩方面因素:一方面是隔爆效果，另一方面是材料要有一定的強(qiáng)度。隔板對爆轟波形的影響，與隔板的幾何尺寸、形狀以及材料等參數(shù)有關(guān)。下面就隔板幾何尺寸和材料兩方面對桿式射流成型的影響進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

2.1 有無隔板對桿式射流成型的影響

首先就隔板對亞半球聚能裝藥桿式射流成型的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，結(jié)果如表2所示。

表2 隔板對射流成型的影響

在50 μs時刻，無隔板時形成的射流頭部速度約為2 185 m/s，有隔板時形成的射流頭部速度約為3 500 m/s，從表中可以看出增加隔板后對于射流頭部速度提高了37.6%，裝藥能量轉(zhuǎn)化率從9.3%提高到 15.7%，提高了 6.4%。

2.2 隔板直徑對桿式射流成型的影響

為研究隔板直徑對射流成型的影響，文中選取了隔板直徑 d依次為 46 mm、48 mm、50 mm、52 mm、54 mm和56 mm 6種計算方案進(jìn)行數(shù)值模擬。從以上計算結(jié)果可知，桿式射流成型在50 μs時刻比較穩(wěn)定且沒有發(fā)生斷裂，所以分析隔板直徑對桿式射流成型的影響，模擬結(jié)果均取自50 μs時刻，具體參數(shù)如表3所示。

表3 隔板直徑對射流成型的影響

由表3中計算結(jié)果可知，隨著隔板直徑的不斷增大，射流頭部速度逐漸遞增。由圖3可以明顯的看出:當(dāng)隔板直徑為54 mm時，在距射流頭部大約1/3處射流呈現(xiàn)出斷裂的跡象，在約67 μs時刻射流完全斷裂;當(dāng)隔板直徑為56 mm的時候，在距射流頭部大約1/2處射流出現(xiàn)輕微斷裂跡象，在約67 μs時刻，射流從中間完全斷裂。綜上可知:在設(shè)計隔板時，隔板直徑的選取不能為了增加射流速度而不斷增大直徑，因為隔板直徑不斷增大會致使射流不穩(wěn)定甚至斷裂。對于本裝藥結(jié)構(gòu)模型，隔板的直徑在48～52 mm中選取比較合適，隔板直徑約為藥型罩口徑的83%時，既可以使射流速度明顯提高，同時還可以保證其穩(wěn)定性而不至于斷裂，射流成型效果最好。

圖2 不同隔板直徑形成的射流性能參數(shù)曲線

圖3 隔板直徑對射流成型的影響

2.3 隔板底部距藥型罩頂部距離H對桿式射流成型的影響

為研究隔板底部距藥型罩頂部距離對桿式射流成型的影響，選取 H依次為 1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm、7 mm七種方案進(jìn)行數(shù)值模擬。

圖4 藥型罩距隔板距離對射流成型的影響

由圖4可以看出:隨著隔板底部距藥型罩頂部距離的增加，射流頭部和尾部速度變化比較平緩，當(dāng)H為1～5 mm時，射流頭部速度緩慢增大;當(dāng)H為5～7 mm時，射流頭部速度逐漸減小。對于射流動能呈現(xiàn)逐漸遞增特點，當(dāng)H為1～4 mm時，射流動能快速遞增;當(dāng)H為4～7 mm時，射流動能增加相對緩慢。綜合考慮，隔板底部距藥型罩頂部距離H對射流速度影響并不明顯，選取不宜過大，對于本結(jié)構(gòu)模型H/L約為8.3%時形成桿式射流較好。

2.4 隔板材料對桿式射流成型的影響

選取AUTODYN-2D軟件自帶材料庫中的聚氨酯、橡膠、尼龍、聚四氟乙烯和聚苯乙烯5種作為隔板材料，對亞半球藥型罩射流成型的過程進(jìn)行數(shù)值模擬。基于上述對隔板參數(shù)的研究，對該結(jié)構(gòu)模型選定d=52 mm，H=5 mm，t=50 μs做對比分析。

由表4仿真結(jié)果分析可知:聚氨酯、橡膠、尼龍和聚苯乙烯4種隔板材料在50 μs時，射流分布均勻，穩(wěn)定性好，均沒有發(fā)生斷裂的跡象。聚四氟乙烯在50 μs時，雖然頭部速度最大，但在射流中間位置出現(xiàn)輕微斷裂的跡象，在70 μs左右，射流從中間位置發(fā)生斷裂，作為隔板材料不太理想。綜合射流速度、內(nèi)能和動能三方面對射流成型的影響分析得出，橡膠作為隔板材料時最差，聚氨酯和聚苯乙烯次之，二者無論是在射流速度還是在內(nèi)能和動能方面相差都不大，與尼龍相比較差一些，因此選取尼龍作為隔板材料時效果最佳。

表4 隔板材料對射流成型的影響

3 隔板的正交設(shè)計分析

為研究隔板直徑和隔板底部距藥型罩頂部距離對桿式射流成型的影響因素主次，下面通過正交設(shè)計的方法對隔板參數(shù)在不同方案水平組合下進(jìn)行數(shù)值模擬，然后通過數(shù)據(jù)處理得到雙因素對射流速度影響的主次。

以桿式射流成型在50 μs時刻的速度作為參考指標(biāo)，選取因素為隔板直徑 d分別為50 mm和52 mm，隔板底部距藥型罩頂部距離H分別為4 mm和5 mm兩個水平，設(shè)計方案如表5所示。

表5 正交方案設(shè)計與結(jié)果

分析表5中的計算結(jié)果可知:隔板直徑d的極差127.5相比較隔板底部距藥型罩頂部距離H的極差2.5大51倍，隔板直徑是影響射流速度的主要因素，隔板距藥型罩頂部距離H對形成射流速度的影響是次要因素，在設(shè)計隔板時應(yīng)優(yōu)先考慮其直徑。

4 結(jié)論

通過采用非線性動力學(xué)軟件AUTODYN-2D就隔板對亞半球藥型罩射流成型的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，對亞半球藥型罩得出以下主要結(jié)論:

1)有隔板相比無隔板時的亞半球藥型罩，提高了裝藥能量的轉(zhuǎn)化率和桿式射流的速度。

2)通過分析隔板參數(shù)對亞半球藥型罩的射流成型的影響可以得出，對于該結(jié)構(gòu)射流速度隨著隔板直徑d的增大逐漸增大，當(dāng)d達(dá)到一定程度時，射流在不同部位出現(xiàn)斷裂;而隨著隔板底部距藥型罩頂部距離H的增大，射流動能不斷增加，射流速度變化比較平緩，呈現(xiàn)先增加后減少的特點，故H的選取不宜過大。

3)通過對比分析5種不同隔板材料對亞半球藥型罩成型射流速度和穩(wěn)定性的影響，得出尼龍作為隔板材料時效果最好。

4)通過采用正交設(shè)計方法進(jìn)行分析，表明隔板直徑是響射流速度的主要因素，隔板底部距藥型罩頂部距離對射流速度的影響是次要因素。

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