材料對截頂輔助藥型罩形成聚能侵徹體的影響

陳　莉，王志軍，尹建平，徐永杰，趙春龍

(中北大學 機電工程學院，太原　030051)

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材料對截頂輔助藥型罩形成聚能侵徹體的影響

陳莉，王志軍，尹建平，徐永杰，趙春龍

(中北大學 機電工程學院，太原030051)

摘要：為了討論不同材料對截頂輔助藥型罩裝藥結構形成的影響情況，采用非線性動力學軟件AUTODYN-2D對其進行數值仿真，分析了對銅、鋁、鈦3種材料作為主藥型罩和鎢、鉭、鐵3種材料作為輔助藥型罩時形成的射流形態的情形，并選出最優材料，然后在選出的材料結構下討論了輔助藥型罩位置的變化對射流成型的影響；研究表明：對于截頂輔助藥型罩裝藥結構來說，選取鈦和鉭的材料組合優于其他材料組合；輔助藥型罩位置的變化對射流的成型影響并不大；研究結果可為聚能射流研究提供參考。

關鍵詞：數值仿真；射流；截頂輔助藥型罩結構

本文引用格式：陳莉，王志軍，尹建平，等.材料對截頂輔助藥型罩形成聚能侵徹體的影響[J].兵器裝備工程學報，2016(7):20-22.

Citation format:CHEN Li，WANG Zhi-jun，YIN Jian-ping，et al.Effect of Material on Additional Body of a Trunconical Liner Shaping Shaped Charge Penetrator[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(7):20-22.

聚能裝藥也稱成型裝藥或空穴裝藥，自Von Foerster在他的著作中第一次用實驗的方法證明了聚能裝藥爆炸效應的存在，聚能裝藥到目前為止已經在軍事上和民用上得到了越來越廣泛的應用[1]。在軍事上，用于反裝甲目標，包括攻擊目標為坦克、混凝土結構、防御工事、大型水面艦艇以及航空母艦等在內的導彈、魚雷以及多種破甲彈[2-6]；在民用上，石油開采、礦山挖掘、隧道開通、水下切割等也都可以利用炸藥聚能作用。而隨著科技的進步，裝甲車輛及坦克防護能力不斷提高，各種武器裝備防金屬射流侵徹的能力也大大提高，陶瓷復合裝甲、反應裝甲、間隔裝甲等的出現和應用，對聚能裝藥提出了新的要求，所以世界各國研究人員一直熱衷于有效提高反裝甲彈藥侵徹能力的研究。當炸藥被引爆時，在空穴中集聚爆炸產物的能量，產生強大的聚能作用，更高效地利用炸藥做功。如果在空穴內加一藥型罩，爆轟能量通過壓垮藥型罩將之匯聚成射流或者爆炸彈丸，能夠顯著提高能量轉化效率和能量密度，聚能裝藥所產生的聚能效果會進一步增強。

截頂輔助藥型罩[7]就是將傳統截頂藥型罩進行改進，去掉截頂，取而代之一塊直徑稍大圓板型輔助藥型罩。王成等[8]對錐形鈦合金藥型罩、截頂錐形鈦合金藥型罩和截頂加片錐形鈦合金藥型罩聚能裝藥爆炸形成聚能射流過程進行了數值模擬，比較了3種不同結構的藥型罩所形成的射流速度和有效射流質量分數。本文采用非線性動力學軟件AUTODYN-2D對不同材料作為截頂輔助藥型罩的材料進行數值仿真，并在選出的最優材料結構下討論了輔助藥型罩位置的變化對射流成型的影響。

1模型建立

1.1幾何模型

截頂輔助藥型罩裝藥結構幾何模型，如圖1所示。其中：裝藥直徑D=100 mm，裝藥高度H=150 mm，鋼板壁厚δ=2 mm，主藥型罩壁厚δ1=1 mm，藥型罩夾角2α=50°，輔助藥型罩δ2=2 mm，直徑為38.9 mm，d=1 mm，L=69.9 mm；起爆方式選用裝藥頂端面起爆。

圖1　幾何模型

1.2有限元模型

截頂輔助藥型罩裝藥結構仿真幾何模型與仿真有限元模型，如圖2所示。由于該結構為軸對稱結構，因此采用Autodyn-2D 程序進行二維計算，且只需建立1/2模型。炸藥、藥型罩以及空氣均采用Euler算法。為獲得較好的射流形態，在射流流經通道上采用網格加密[9]的方式建立有限元模型；通過在空氣邊界上添加“FLOW OUT”邊界條件消除邊界效應。材料采用軟件自帶材料庫中的材料[10],其中炸藥選用B炸藥，狀態方程為JWL，B炸藥主要參數如表1所示；主藥型罩材料和輔助藥型罩材料分別選取材料庫中的3種材料進行對比。數值模擬中單位制：cm-g-us-Mbar。

表1　B炸藥的主要材料參數

圖2　仿真模型

2數值模擬結果及分析

2.1射流成型過程

圖3為該結構在不同時刻的成型狀態。主裝藥起爆約15 μs后，輔助藥型罩首先受到爆轟壓力的作用，并作用于主藥型罩被壓垮、閉合，在中心發生相互碰撞、擠壓，25 μs 時已完成匯聚，形成高速侵徹體，頭部速度可達 10 000 m/s以上，由于頭尾速度差的存在，侵徹體在運動中逐漸拉伸，出現勁縮現象，當運動到一定炸高時射流被拉斷。由圖3看出該結構的主藥型罩在被壓垮閉合過程中具有射流成型各階段的典型特征。

圖3　射流成型過程

2.2材料對截頂輔助藥型罩裝藥結構影響的數值仿真及結果分析

本文采用的截頂輔助藥型罩裝藥結構有主藥型罩和輔助藥型罩兩種材料，在本文的計算中主藥型罩采用了銅、鋁和鈦3種材料，輔助藥型罩采用鎢、鉭和鐵3種材料。40 μs時不同組合裝藥結構的射流成型結果如圖4所示。

從成型效果來看，銅射流成型后形成的杵體較大，這樣形成的有效射流質量就會變小，相較而言鋁和鈦射流成型后杵體較小，形成的有效射流質量會高；從圖中還可看出鐵作為輔助藥型罩材料時會影響射流的成型。

圖4　40 μs時射流成型效果圖

附注：圖標中前邊的材料為主藥型罩材料，后邊的材料為輔助藥型罩材料；銅、鐵的結構無法成型。

該結構形成的侵徹體的性能參數如表2所示：

表2　計算結果

由表2可知，截頂輔助藥型罩裝藥結構可以較好地形成高速射流并有效地提高了藥型罩材料的利用率。從計算結果可以看出，由3種藥型罩材料組成的截頂輔助藥型罩裝藥結構形成的射流頭部速度均能達到10 000 m/s以上，但是鋁和鈦材料形成射流的有效質量高于銅材料，銅和鈦材料形成射流的總能量高于鋁材料。

綜合考慮，從射流頭部速度、射流總能量、有效射流長度比及有效射流質量比來分析，在本文所選的材料中鈦優于銅和鋁；考慮到射流的成型狀態，鈦和鉭材料的組合是最優選擇。

2.3輔助藥型罩位置的變化對射流成型的影響

本文2.2節中得出鈦和鉭的材料組合是該結構的最優選擇，所以本節以截頂輔助藥型罩結構為裝藥結構，并以鈦作為主藥型罩、鉭作為輔助藥型罩材料，本節主要討論輔助藥型罩位置的變化對射流成型的影響，通過變換輔助藥型罩到罩底的距離，即圖1中L的距離來觀察射流的成型及形成侵徹體的性能。本節中對L選取了8.19 mm、7.79 mm、7.39 mm及6.99 mm 4個參數，計算結果如表3所示。

表3　40 μs時計算結果

從表3中可以看出，改變輔助藥型罩到罩底的距離L后不論是射流的頭尾速度、能量，還是有效射流的長度比例、質量比都沒有太大的變化。所以輔助藥型罩位置的變化對射流的成型影響并不大。

4結論

采用非線性動力學軟件AUTODYN-2D就材料對截頂輔助藥型罩形成聚能侵徹體的影響進行了數值模擬研究，仿真研究結果表明：

1) 在所選的材料中，對于截頂輔助藥型罩裝藥結構而言，鈦作為主藥型罩且鉭作為輔助藥型罩的裝藥形成的射流優于其他材料，并且形成的射流速度高、質量大和能量高，更能滿足實際需要。

2) 對于同一種材料的截頂輔助藥型罩而言，輔助藥型罩位置的變化對射流的成型影響不大。

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[10]ANSYSAUTODYNUserManual：Release12.1[M].ANSYSIn，2009：56-58.

(責任編輯周江川)

收稿日期：2016-01-29；修回日期：2016-02-29

基金項目：國家自然科學基金(11572291)；中北大學第十二屆研究生科技基金項目(20151210，20151205)

作者簡介：陳莉(1989—)，女，碩士研究生，主要從事高效毀傷技術與仿真研究。

doi:10.11809/scbgxb2016.07.005

中圖分類號：TJ413

文獻標識碼：A

文章編號：2096-2304(2016)07-0020-04

Effect of Material on Additional Body of a Trunconical Liner Shaping Shaped Charge Penetrator

CHEN Li，WANG Zhi-jun，YIN Jian-ping，XU Yong-jie，ZHAO Chun-long

(College of Mechatronic Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

Abstract:In order to discuss the reaction of jet which different materials for structure of a additional body of a trunconical liner, numerical simulations of this situation were carried out by AUTODYN-2D software, and the shape of jet of main liner of copper, aluminum, titanium and auxiliary liner of tungsten, tantalm iron and choosing the best material were discussed. The reaction of shape of jet under the change of place of auxiliary liner under the selected material was discussed. The results show that the group of titanium and tantalum is better than others in the selected material for structure of a additional body of a trunconical liner; and the reaction of shape of jet under the change of place of auxiliary liner is little, which will provide reference for the achievement of penetration without detonation.

Key words:numerical simulation; jet; structure of additional body of trunconical liner

【裝備理論與裝備技術】