一種喇叭-錐角結合藥型罩形成射流的數值模擬

阮光光，雷　偉，岳繼偉，柴艷軍

(1.中北大學環境與安全工程學院，山西 太原030051；2.武漢高德紅外股份有限公司，湖北 武漢430205；3.安徽方圓機電股份有限公司，安徽 蚌阜233010)

引　言

21世紀以來，新型爆炸反應裝甲得到快速發展，各種新概念裝甲如電磁裝甲、主動防御系統等也陸續得到應用，破甲戰斗部也朝著大威力、多用途的方向發展[1-2]。傳統的錐形藥型罩裝藥結構及平頂藥型罩裝藥結構的侵徹能力已難以滿足要求；聚能裝藥結構中在炸藥、裝藥結構等相同的情況下所形成射流的頭部速度越高、抗拉伸性能越好，其侵徹能力就越高[3]，因此通過改變藥型罩的結構來提高射流的頭部速度及抗拉伸性能進而提高聚能裝藥的侵徹能力已成為研究的熱點。

藥型罩的上部結構對形成射流的頭部速度、拉伸性能等有較大影響。陳興等[4]設計了球錐結合藥型罩，并采用數值模擬與實驗驗證相結合的方法研究了其射流對混凝土的侵徹特性，結果表明該結構藥型罩對混凝土的侵徹能力與半球形、錐角藥型罩相比有了一定的提高；顧文斌等[5]設計了一種柱錐結合藥型罩，發現該結構藥型罩雖然提高了射流的頭部速度，但射流頭部卻出現了射流堆積，侵徹能力提升較小；目前文獻報道的球錐結合藥型罩和柱錐結合藥型罩及兩種結合藥型罩不僅對射流的性能提高有限，而且也存在加工困難、效費比較低的缺點。

錐角藥型罩、平頂藥型罩具有加工工藝簡單、成本低的優勢。喇叭形藥型罩與錐角藥型罩、平頂藥型罩相比雖然具有母線長、形成的射流頭部速度高、抗拉伸性能好的優勢，但是其加工困難[6]。

為了提高錐角藥型罩、平頂藥型罩形成射流的頭部速度以及抗拉伸性能，本研究通過改變錐角藥型罩、平頂藥型罩的上部結構為大曲率半徑的喇叭形結構形成喇叭-錐角結合藥型罩，使藥型罩的母線長度變長。對喇叭-錐角結合藥型罩、錐角藥型罩、平頂藥型罩3種藥型罩射流的形成過程及對45號鋼板的侵徹過程進行數值模擬，以期為新型破甲戰斗部的設計提供參考。

1　數值模擬

1.1　裝藥結構設計

為了研究喇叭-錐角結合藥型罩、錐角藥型罩、平頂藥型罩3種裝藥結構射流的性能，選擇張角為60°的錐角藥型罩，并在此基礎上改變其頂部結構為平頂藥型罩和喇叭-錐角結合藥型罩；3種裝藥結構采用相同的裝藥條件，其物理模型剖面圖如圖1所示；其中3種藥型罩材料均為紫銅，開口直徑為76mm，厚度為1mm，裝藥口徑為80mm。

1.2　數值模型的建立

由于裝藥模型具有結構對稱和爆炸作用載荷對稱的特性，為縮短計算時間，取1/4結構建立3D模型，在對稱面上通過施加對稱約束來保證計算的準確性。模型均采用solid164實體單元類型，用映射網格劃分；對3種裝藥結構射流的成型過程進行模擬時有炸藥、藥型罩、空氣3種數值模型；在模擬射流侵徹45號鋼板過程中有炸藥、藥型罩、空氣、45號鋼板4種數值模型。為了解決射流過程中網格畸變問題，建模時炸藥、藥型罩、空氣均劃分為Euler單元，靶板用Lagrange單元，兩者之間定義多物質流固耦合算法求解。3種裝藥結構實體模型及對45號鋼板侵徹過程的實體模型分別見圖2和圖3，其中45號鋼板尺寸為400mm×20mm×20mm，炸高為200mm。

1.3　材料模型及參數的確定

炸藥選用HIGH-EXPLOSIVE-BURN模型，狀態方程為JWL；藥型罩采用MAT_JOHNSON_COOK模型，狀態方程采用GRUNEISEN；空氣域采用無偏應力流體動力模型( NULL) ，狀態方程采用GRUNEISEN；靶板采用MAT_JOHNSON_COOK模型，狀態方程采用GRUNEISEN;具體參數如表1～4所示。

表1 　炸藥材料模型及其 JWL 狀態方程參數

表2　藥型罩材料模型及其GRUNEISEN狀態方程參數

表3　空氣材料模型及其線性多項式狀態方程參數

表4　靶板材料模型及GRUNEISEN狀態方程參數

1.4　算法的確定

對射流的形成過程進行數值模擬時采用ALE算法，對45號鋼板進行侵徹過程的數值模擬采用流固耦合算法。起爆方式均為炸藥頂端中心點起爆，并使用后處理軟件lsprepost觀察數值模擬結果。

2　數值模擬結果分析

2.1　射流頭部形成的機理分析

為了研究喇叭-錐角結合藥型罩、錐角藥型罩、平頂藥型罩3種藥型罩頂部結構形成射流頭部的機理，使用后處理軟件lsprepost觀察3種藥型罩在爆轟波作用下形成射流頭部的數值模擬過程，在炸藥爆炸后10μs時，藥型罩頂部結構在爆轟波作用下開始形成射流頭部，10μs時刻射流頭部形態如圖4所示。

由圖4可知，3種裝藥結構在炸藥頂部中心點起爆后形成的爆轟波首先作用于藥型罩的頂部位置，由于其頂部結構的不同，形成射流的頭部方式也有所不同。喇叭-錐角結合藥型罩裝藥和平頂藥型罩形成射流頭部的方式相似，由于喇叭-錐角結合藥型罩的母線部分與頂部平頂的夾角小于100°，因此爆轟波作用下首先形成環形線性射流；平頂藥型罩的母線部分與頂部的平頂部分夾角大于120°從而形成自鍛彈丸；兩種裝藥結構都是經過二次匯聚而形成射流的頭部[7]；錐角藥型罩的頂部結構是在爆轟波作用下直接被壓垮，經過碰撞后形成了射流頭部。

2.2　射流形成的數值模擬結果分析

通過后處理軟件lsprepost觀察3種藥型罩射流的形成過程，藥型罩的頂部結構形成射流頭部后，在射流頭部向前運動的過程中，藥型罩頂部以下的母線部分被壓垮后經過碰撞不斷補充到射流中去，最終形成完整的射流。為了研究3種完整射流的性能，需要觀察射流的形態變化并測量其相關參數；為了排除爆炸激波的干擾，得到100μs時刻射流的相關參數如表5所示，射流形態如圖5所示。

表5　100μs時刻3種藥型罩形成射流參數

注：v為射流速度；D為杵體直徑；t為拉伸斷裂時間；L為拉伸長度；Δv為頭部速度相對增量。

分析圖5的射流形態可知，喇叭-錐角結合藥型罩形成的射流在杵體后面斷裂，而平頂藥型罩及錐角藥型罩形成的射流在射流杵體前面斷裂，且斷裂距離較小。綜合表5的數據可知，在3種藥型罩中，由于喇叭-錐角結合藥型罩形成的射流頭部速度最高，綜合其射流頭部的形成過程可知，喇叭-錐角結合藥型罩和平頂藥型罩形成的射流頭部都是經過二次匯聚形成，但喇叭-錐角結合藥型罩頂部形成環形射流比平頂藥型罩頂部形成的自鍛彈丸速度高，因此其經過二次匯聚形成的頭部速度更高，而錐角藥型罩形成的射流頭部是其頂部結構直接經過壓垮、碰撞形成的，因此速度最低；由于喇叭-錐角結合藥型罩相比平頂藥型罩、錐角藥型罩擁有更長的母線長度，因此其形成射流的拉伸斷裂時間、拉伸長度均有明顯提高。

2.3　射流侵徹鋼靶的數值模擬結果分析

為了研究3種藥型罩在相同裝藥條件下的侵徹能力，使用數值模擬軟件ANSYS/LS-DYNA在200mm炸高下對45號鋼板做最大侵徹穿深的數值模擬，采用后處理軟件lsprepost觀察數值模擬結果，3種裝藥結構失去侵徹能力時靶板效果如圖6所示，其靶板穿深相關參數如表6所示。

結合圖6的靶板最大穿深效果圖以及表6數據可知，在相同裝藥條件下，喇叭-錐角結合藥型罩對45號鋼板的侵徹深度最深，與平頂藥型罩相比提高約12.25%，與錐角藥型罩相比提高約19.82%。

表6　3種裝藥結構失去侵徹能力時靶板相關參數

注：H為侵徹深度；d為侵徹孔直徑；ΔH為喇叭-錐角結合藥型罩侵徹深度相對增量。

3　結　論

(1)相同裝藥條件下，喇叭-錐角結合藥型罩裝藥結構形成的射流頭部速度最高，與錐角藥型罩相比形成的射流頭部速度提高約9.54%，與平頂藥型罩相比形成的射流頭部速度提高約6.36%。

(2)相同裝藥條件下，喇叭-錐角結合藥型罩裝藥形成的射流拉伸長度最長、拉伸性能最好，對45號鋼板的侵徹深度與平頂藥型罩相比提高約12.25%，與錐角藥型罩相比提高約19.82%。

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