磁場抑制斷裂聚能射流顆粒翻轉(zhuǎn)試驗研究與數(shù)值模擬

馬　彬,黃正祥,祖旭東,肖強強,賈　鑫

(南京理工大學 機械工程學院,南京 210094)

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磁場抑制斷裂聚能射流顆粒翻轉(zhuǎn)試驗研究與數(shù)值模擬

馬彬,黃正祥,祖旭東,肖強強,賈鑫

(南京理工大學 機械工程學院,南京 210094)

摘要:為了研究磁場對翻轉(zhuǎn)射流顆粒的抑制和修正問題,分析了斷裂聚能射流顆粒與外加磁場的相互作用過程,使用裝藥直徑為56 mm的成型裝藥在490 mm和650 mm 2種炸高下進行了磁場與聚能射流相互作用的試驗研究,利用Ansoft Maxwell電磁分析軟件,對不同初始翻轉(zhuǎn)角度的聚能射流顆粒在外加磁場中的受力以及力矩情況進行了數(shù)值仿真,仿真和試驗吻合較好。仿真結(jié)果表明,磁場對翻轉(zhuǎn)射流顆粒具有抑制和修正作用,初始翻轉(zhuǎn)角度對射流顆粒的受力以及力矩有較大影響;材料的電阻率在聚能射流顆粒與強磁場相互作用過程中有很大的影響。

關(guān)鍵詞:聚能射流;斷裂;翻轉(zhuǎn)

聚能射流穩(wěn)定性是影響其侵徹能力的重要因素之一。許多研究人員也對聚能射流的失穩(wěn)機制進行了廣泛的研究。研究發(fā)現(xiàn),聚能射流經(jīng)過一定程度的拉伸將發(fā)生斷裂,由于射流受到不對稱力以及擾動的影響,斷裂的聚能射流顆粒并不是平行于射流軸線飛行,而是會發(fā)生翻轉(zhuǎn)[1-2]。聚能裝藥作用過程中,射流顆粒的翻轉(zhuǎn)將會減少其有效長度,從而導致侵徹深度降低。Rottenkolber等人通過理論模型描述了斷裂聚能射流顆粒的翻轉(zhuǎn)運動,并且得出引起射流翻轉(zhuǎn)的主要因素不是軸向力而是側(cè)向力,同時,通過計算以及相關(guān)的測量給出了聚能射流翻轉(zhuǎn)過程中的一些相關(guān)參數(shù);Mayseles等人提出了一個描述大炸高下聚能射流漂移和翻轉(zhuǎn)的新模型,模型中假設(shè)射流散布的來源是斷裂以及加工不對稱,并且將理論計算的結(jié)果與實驗進行了對比;Mayseles還通過計算以及實驗對比,說明了射流的不對稱約束以及不對稱起爆對聚能射流一致性的影響;Hirsch建立了用于計算斷裂射流顆粒散布角的理論模型,詳細地論述了聚能射流顆粒的分散機制,模型中射流顆粒翻轉(zhuǎn)的頻率被看作射流的顆粒速度以及最終長度的函數(shù),通過計算得到當射流顆粒開始接觸侵徹通道的壁面時,侵徹過程結(jié)束,其理論結(jié)果得到了實驗驗證。以上研究表明,聚能射流的斷裂翻轉(zhuǎn)對其作用效果有重要影響,但目前僅僅從加工工藝以及材料等方面對斷裂翻轉(zhuǎn)的射流進行控制和修正,關(guān)于外加手段目前在公開的文獻中尚未見到。

本研究從試驗和仿真2個方面對比分析了外加磁場對翻轉(zhuǎn)聚能射流顆粒的抑制和修正。開展了聚能射流顆粒與外加磁場相互作用的試驗和數(shù)值仿真研究,通過設(shè)置不同的初始條件,分析了翻轉(zhuǎn)聚能射流顆粒在磁場中的受力以及力矩的變化情況,為強磁場增加聚能射流穩(wěn)定性的研究提供了參考。

1試驗設(shè)置與試驗方法

聚能射流與磁場相互作用示意圖如圖1所示。

圖1　聚能射流與外加磁場耦合裝置示意圖

磁場抑制聚能射流翻轉(zhuǎn)試驗平臺主要由脈沖強電流發(fā)生裝置、量測裝置和負載裝置構(gòu)成。其中脈沖強電流發(fā)生裝置作為試驗電路提供能源形成脈沖強電流;量測裝置用于測量電路元器件的電參數(shù),并記錄測量結(jié)果;負載裝置為螺線管,用于產(chǎn)生軸線強磁場,與進入其中的聚能射流顆粒產(chǎn)生耦合效應。

1.1脈沖電流發(fā)生裝置

如圖2所示為脈沖電流發(fā)生裝置,主要由電容器組、直流高壓發(fā)生器以及試驗電路中的爆炸開關(guān)組成。

圖2　脈沖電流發(fā)生裝置

①電容器組:4臺MMJ50-20型號電容器(額定電壓50 kV,電容20 μF)能夠提供0.1 MJ的最大總能量,單臺最大放電電流為80 kA。

②直流高壓發(fā)生器:分體式結(jié)構(gòu),包括充電控制器和直流高壓塔2部分;升壓范圍0~160 kV,充電電流小于5 mA,并集成了分壓器,可實時監(jiān)控電路電壓。

1.2爆炸開關(guān)

爆炸開關(guān)由炸藥、支撐結(jié)構(gòu)以及上、下極板組成,圖3所示為本試驗所用爆炸開關(guān)的結(jié)構(gòu)及未裝藥的實物圖。

圖3　爆炸開關(guān)結(jié)構(gòu)及未裝藥實物圖

1.3強磁體

圖4為本次試驗所用強磁體結(jié)構(gòu)及實物圖。

圖4　強磁體結(jié)構(gòu)及實物圖

強磁體是由截面為矩形(2 mm×4 mm)的銅導線雙層并聯(lián)繞制而成,單層匝數(shù)為26匝。磁體中心孔直徑為40 mm,線圈繞制長度為150 mm(約為2.7倍裝藥口徑,本試驗所用聚能裝藥口徑為56 mm)。電流通過強磁體而產(chǎn)生軸線方向的強磁場,用于聚能射流顆粒和磁場的耦合作用。

1.4試驗設(shè)置

試驗設(shè)置如圖5所示,整個試驗過程中,使用電容器供電,當電容器兩端電壓達到試驗設(shè)定值時,通過爆炸開關(guān)驅(qū)動提供電流,從而產(chǎn)生軸向磁場,用于抑制和修正聚能射流顆粒的翻轉(zhuǎn)。試驗研究中,試驗所使用的聚能裝藥外徑為56 mm,裝藥高度為73 mm,藥型罩壁厚為0.8 mm,錐角為60°,所使用的炸藥為無殼8701,裝藥質(zhì)量為203 g,裝藥密度為1.713 g/cm3,其爆速為7 980 m/s。

圖5　試驗裝置圖

1.5放電電流特性

通過圖1可知,整個系統(tǒng)中的電路為RLC振蕩電路。研究過程中,假設(shè)R,L,C,U0和I(t)分別為整個電路的電阻、電感、電容、電容器兩端的充電電壓以及回路中的放電電流。根據(jù)電路的特性,放電電流可以表示為

加載過程中,由于強電流的作用,整個回路導體溫度會急劇升高,電路中電阻、電感將會受到溫度的影響,特別是回路電阻在強電流加載并發(fā)生電爆炸的過程中變化得更為劇烈。根據(jù)Tucker等人的研究,電路中電阻受溫度的影響在整個電路加載過程中占主導地位,因此,本文引入比電阻率β=ρ/ρ0來表達溫度對整個系統(tǒng)的電阻影響,其中ρ0,ρ分別為常溫(T=300 K)電阻率和對應狀態(tài)下的電阻率。

2磁場抑制聚能射流顆粒翻轉(zhuǎn)數(shù)值模擬

2.1建立模型

仿真模型按照試驗中磁體的實際參數(shù)進行建模,試驗所用磁體參數(shù)、其他元件相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)和電參數(shù)如表1所示。建模過程中,對聚能射流顆粒進行了簡化,將其看作為等截面圓柱體。射流顆粒參數(shù):半徑為3.2 mm,長度為20 mm。仿真設(shè)定的聚能射流的初始偏轉(zhuǎn)角度β0分別為10°,20°,30° 3種情況,分別對銅和鋁2種材料的射流顆粒進行了仿真。此處給出了初始偏轉(zhuǎn)角度為30°的銅射流顆粒仿真模型,如圖6所示。

表1　測量參數(shù)

圖6　數(shù)值模擬模型示意圖

2.2外電路設(shè)置

仿真過程中,根據(jù)電路電參數(shù)對外電路程序進行設(shè)置,得到與實際相吻合的電路工況,如圖7所示。外電路主要由電容器組、傳輸導線以及負載3部分組成。電容器組為4臺并聯(lián),強磁體使用矩形截面銅導線按照雙層結(jié)構(gòu)并聯(lián),連接導線使用截面為41.5 mm2的銅排。電容器組、強磁體以及導線的相關(guān)電參數(shù)通過測量在外電路設(shè)置中直接設(shè)置,相關(guān)參數(shù)如表1所示。

負載電參數(shù)則是通過設(shè)置電路Winding,結(jié)合所建模型由軟件自動求解所得。外電路設(shè)置如圖7所示。

圖7　外電路設(shè)置

按照上述建模以及電路設(shè)置思路,同時設(shè)置所需獲得的聚能射流顆粒計算參數(shù),本研究中指的是聚能射流在磁場中的受力以及力矩。以上所有設(shè)置完成后,即可進入求解階段。

3試驗結(jié)果與仿真結(jié)果分析

本次試驗設(shè)定的試驗炸高分別為490 mm和650 mm。在2種炸高下,分別進行相應的靜態(tài)試驗以及與磁場耦合的試驗。當有磁場存在時,2種炸高下的延時時間分別設(shè)置為20 μs和110 μs。為了便于分析,本研究中假設(shè)電路中導體在大電流作用下處于臨界熔化狀態(tài),因此,可得β=5.6。結(jié)合上述所給放電電流特性表達式以及相關(guān)電參數(shù),同時考慮溫度對電阻率的影響,得到了電容器組充電電壓U0=20.13 kV時,電路的放電電流理論曲線,并與仿真以及試驗所得結(jié)果進行對比,如圖8所示。

由圖7可知,在前400 μs,理論結(jié)果、仿真結(jié)果以及試驗測量結(jié)果三者十分吻合,然而,隨著時間的推移,三者之間逐漸出現(xiàn)了一定的誤差。誤差產(chǎn)生的原因主要有:① 理論模型中,僅考慮強電流作用產(chǎn)生的熱量用于升高導體溫度,而忽略了熱量向周圍環(huán)境的散失;②溫度對電感的影響比對電阻率的影響小,因此本文未考慮溫度對電感的影響;③仿真中外加電路的各項參數(shù)設(shè)置以及模型的建立都按實際參數(shù)進行,但仿真中的一些外部環(huán)境是理想的,因此仍與實際情況有一定的區(qū)別;④電路信號的測量是根據(jù)電磁感應原理進行的,因此設(shè)備的測量精度以及自然環(huán)境磁場的影響是引起誤差不可避免的因素。通過圖8可以看出,在1 000 μs之內(nèi)三者之間的誤差相對較小,能夠滿足精度要求。

圖8　動態(tài)放電電流隨時間的變化曲線

3.1試驗結(jié)果分析

所得試驗結(jié)果如圖9所示。圖9(a)為有無磁場情況下不同炸高試驗侵徹的靶板表面圖,圖9(b)為對應靶板的剖面圖。試驗過程中,設(shè)定的炸高分別為490 mm和650 mm。圖中,T-1、T-2、T-4 3組試驗的炸高為490 mm,其余3組試驗炸高為650 mm;T-1、T-2、T-3 3組試驗未加外磁場干擾,T-4、T-5、T-6試驗施加了外加磁場。為了結(jié)合仿真進行對比分析,本研究分析過程中選擇易于觀察和對比的聚能射流杵體為驗證對象。

圖9　不同情況下試驗侵徹靶板

根據(jù)圖9(a)可以看出,未施加磁場的3組試驗,其侵徹靶板的表面都有明顯的杵體偏移而造成的撞擊坑洞,這說明,在未施加磁場干擾時,聚能裝藥產(chǎn)生的杵體發(fā)生了翻轉(zhuǎn)偏移,而沒有與聚能射流保持同軸。由T-4、T-5、T-6 3組施加了磁場作用的試驗結(jié)果可以看出,其表面未發(fā)現(xiàn)由杵體撞擊而造成的坑洞,初步說明,磁場的加入對杵體的運動狀態(tài)有影響,為了進一步確定杵體的狀態(tài),對侵徹靶板進行了剖分觀察,其結(jié)果如圖9(b)所示。

根據(jù)圖9(b)的靶板剖分結(jié)果可得,對于未施加磁場的3組試驗,其中T-1和T-3試驗中,靶板侵徹通道中未發(fā)現(xiàn)杵體,與圖9(a)中結(jié)果相對應,說明杵體偏離了射流運動的軸線,未進入射流侵徹通道,而撞擊在了靶板表面,形成一定深度的坑洞。T-2試驗中,杵體部分進入了射流侵徹通道,但通過觀察可以發(fā)現(xiàn),杵體(圖中9(b)中已標出)的軸線與射流通道的軸線呈一定的夾角,經(jīng)測量,靠近通道入口的杵體,其軸線與射流通道軸線的夾角約為13°,下方的杵體軸線與射流通道軸線的夾角約為23°。這充分說明,杵體在運動過程中,發(fā)生翻轉(zhuǎn),同時,翻轉(zhuǎn)近似呈中心對稱。另外,通過施加磁場的3組試驗的靶板剖分圖可以看出,3組試驗中,杵體全進入射流通道,并且杵體的軸線基本都與聚能射流的侵徹通道軸線保持一致。經(jīng)過6組試驗結(jié)果的分析和對比,說明外加磁場對杵體的翻轉(zhuǎn)起到了抑制和修正的作用。

3.2仿真結(jié)果分析

根據(jù)建立的仿真模型,本文通過數(shù)值模擬,得到了不同起始偏轉(zhuǎn)角度的銅聚能射流顆粒在磁場中磁感應強度的分布圖(圖10)以及所受力和力矩隨時間的變化曲線(圖11)。

由圖10可以看出,當其初始偏轉(zhuǎn)角度為0°時,聚能射流顆粒的磁感應強度分布比較均勻,而隨著起始偏轉(zhuǎn)角度的增加,磁感應強度的分布逐漸出現(xiàn)不同程度的變化,且磁感應強度不再是均勻分布。

由圖11可以看出,隨著角度的增加,由于聚能射流顆粒內(nèi)部感應磁場的變化,從而導致其受力及力矩發(fā)生變化;通過各初始偏轉(zhuǎn)角度下射流顆粒的力矩,可以看出,最終力產(chǎn)生的力矩都是相對于x軸的力矩占主導地位,并且其作用效果是使銅聚能射流顆粒沿x軸逆時針旋轉(zhuǎn),即使射流顆粒軸線與磁體軸線重合。同時,當初始偏轉(zhuǎn)角度為0°時,相對于x軸的力矩近似為0;當初始偏轉(zhuǎn)角度為10°時,力矩的最大峰值約為140 N·mm;初始偏轉(zhuǎn)角度增加到20°時,最大峰值變?yōu)?50 N·mm;初始偏轉(zhuǎn)角度為30°時,力矩最大峰值增大到370N·mm,從銅射流顆粒所受力矩隨偏轉(zhuǎn)角度變化的趨勢可得,隨著初始偏轉(zhuǎn)角度的增加,射流顆粒所受力矩逐漸增加。由初始偏轉(zhuǎn)角度為0°時的力矩曲線可以看出,相對于y軸的力矩有一定的幅值,理想情況下應該為0,出現(xiàn)此情況是由于仿真模型網(wǎng)格劃分精度不足引起的誤差所致。

為了研究磁場對不同材料的聚能射流顆粒翻轉(zhuǎn)抑制和修正能力,本文同時對鋁材料的聚能射流顆粒進行了仿真,得到了如圖12所示鋁射流顆粒所受力以及力矩的變化曲線。

通過圖12可知,其力和力矩變化趨勢與銅射流顆粒的相似,只是幅值不同。當初始偏轉(zhuǎn)角度為0°時,相對于x軸的力矩近似為0;當初始偏轉(zhuǎn)角度為10°時,力矩的最大峰值約為110 N·mm;偏轉(zhuǎn)角度增加到20°時,最大峰值增加到210 N·mm;偏轉(zhuǎn)角度為30°時,最大峰值變?yōu)?70 N·mm,相對于銅射流顆粒所受力矩,鋁射流顆粒的力矩幅值相同工況下都有所降低,造成此結(jié)果的原因主要是兩者的電阻率不同,銅的電阻率(T=293 K)為1.75×10-8Ω·m,鋁的電阻率為2.83×10-8Ω·m,電阻率的增加導致聚能射流顆粒內(nèi)部產(chǎn)生感應電流的能力減弱,因此,最終出現(xiàn)的磁感應強度隨之降低,使磁場對該射流顆粒翻轉(zhuǎn)的抑制能力減弱。

通過對比銅射流顆粒和鋁射流顆粒與外加磁場相互作用的仿真結(jié)果可知,相同外加磁場下,聚能射流顆粒的電阻率越低,磁場對其翻轉(zhuǎn)抑制和修正的能力越強,反之越弱。

圖10　不同起始偏轉(zhuǎn)角度銅聚能射流顆粒磁感應強度分布

圖11　不同初始偏轉(zhuǎn)角度的銅聚能射流顆粒在磁場中所受力及力矩

圖12　不同初始偏轉(zhuǎn)角度的鋁聚能射流顆粒在磁場中所受力及力矩

4結(jié)束語

本文進行了磁場抑制和修正翻轉(zhuǎn)聚能射流顆粒的試驗研究,并按照試驗條件進行了數(shù)值仿真。試驗和仿真分析表明:①外加磁場對聚能射流顆粒的翻轉(zhuǎn)有很好的抑制和修正作用;②幾何尺寸以及材料相同的前提下,磁場對翻轉(zhuǎn)的聚能射流顆粒產(chǎn)生的力矩大小與起始翻轉(zhuǎn)角度有關(guān);③磁場對射流翻轉(zhuǎn)的抑制和修正能力受射流顆粒電阻率的影響比較明顯,電阻率越低,磁場對其翻轉(zhuǎn)的抑制和修正能力越強,反之則越弱。

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Experimental Investigation and Numerical Simulation on Magnetic

Field Inhibiting Rotation of Shaped Charge Jet Particles

MA Bin,HUANG Zheng-xiang,ZU Xu-dong,XIAO Qiang-qiang,JIA Xin

(School of Mechanical Engineering,NUST,Nanjing 210094,China)

Abstract:To research the subject of magnetic field inhibiting rotation of shaped charge jet-particles,the interaction process of external magnetic field and the shaped charge jet particles was analyzed according to the experiments,and the experiments of the shaped charges with the diameter of 56 mm interacting with the magnetic field at the standoff of 490 mm and 650 mm respectively were carried out.The force and torque of the shaped charge jet-particles with different initial rotation angle inside the external magnetic field were simulated by Ansoft Maxwell software.The simulation results are consistent with the experimental results.The simulation results show that the external magnetic field can inhibit rotation of the jet particles,and the force and torque of the jet particles inside the magnetic field are obviously affected by the initial rotation angle and the material resistivity.

Key words:shaped charge jet;break up;rotation

中圖分類號:TJ413.2

文獻標識碼:A

文章編號:1004-499X(2015)04-0077-07

作者簡介:馬彬(1988- ),男,博士研究生,研究方向為高效毀傷技術(shù)。E-mail:dashu.000@163.com。

基金項目:國家自然科學基金項目(11272157);高校博士學科點專項科研基金項目(20123219120052)

收稿日期:2015-07-15