一種新型圓柱-半球結合藥型罩形成射流以及侵徹性能的數值模擬及試驗驗證

王慶華，劉 寧，張建仁，王鳳英，劉天生，阮光光

(1.中國人民解放軍駐山西江陽化工有限公司軍事代表室，山西 太原030051；2.中北大學環境與安全工程學院，山西 太原030051；3.山西江陽化工有限公司，山西 太原030051)

引 言

在聚能裝藥結構形成射流的過程中，藥型罩是其關鍵部件，在相同裝藥條件下，藥型罩形狀不同形成的射流性能也有較大差異，例如，喇叭形藥型罩形成射流的頭部速度最高，侵徹能力最強；半球形藥型罩形成射流的頭部速度較低，侵徹能力最差，但其開孔效果較好，具有侵徹孔徑大且均勻的優勢；二次世界大戰后，聚能裝藥理論有了較大的發展，其不僅廣泛用于軍事領域，在礦山、石油開采等民用領域也有著廣泛的應用[1-3]。

半球形藥型罩由于具有較好的開孔效果，在石油開采行業應用較多，但其侵徹能力較差，為了改進半球形藥型罩形成射流的頭部速度較低；侵徹能力較差的缺點，國內學者已做了一些研究。劉定勝等[4]通過在半球形藥型罩的底部開孔以改善半球形藥型罩形成射流的侵徹能力低的缺點；陳興等[5]設計了一種圓錐-半球結合藥型罩，并采用數值模擬的方法研究了該藥型罩形成射流的特性。顧文斌等[6]設計了柱錐結合藥型罩，其頂部的圓柱結構在一定程度上可提升射流的能量以及密度。

本研究基于上述柱錐結合藥型罩中的圓柱結構并改變其參數，設計了一種新型圓柱-半球結合藥型罩，以提高半球形藥型罩形成聚能射流的能量以及密度。在保證開孔大且均勻的優勢下，提升半球形藥型罩的侵徹能力，可對改進半球形藥型罩侵徹能力差的特點以及藥型罩的設計提供參考。

1 藥型罩及裝藥結構設計

1.1 藥型罩的設計

采用等壁厚(厚度為2mm)、開口直徑為56mm的半球形藥型罩，藥型罩材料為紫銅，其剖面圖如圖1(a)所示；新型圓柱-半球藥型罩是在圖1(a)的基礎上在藥型罩的中心軸線頂部設計了一個直徑為12mm、高度為6mm、厚度為2mm的圓柱殼體，其剖面圖如圖1(b)所示。

圖1 兩種藥型罩幾何平面圖Fig.1 Geometric plane graphs of two kinds of liners

1.2 裝藥結構的設計

本研究的裝藥結構采用藥型罩為圓柱-半球結合型，口徑為60mm，炸藥為8701炸藥，裝藥高度為40mm，其結構剖面圖如圖2所示。

圖2 兩種聚能裝藥結構幾何平面圖Fig.2 Geometric plane graphs of two kinds of shaped charge structures

2 數值模擬

2.1 數值模型的建立

在整個數值模型所有部分均選用3D164solid實體單元；本研究中兩種裝藥結構均為圓柱形，且具有對稱性，因此，在建立兩種裝藥結構及兩種裝藥結構侵徹靶板的數值模型時均建立四分之一模型以提升計算效率，并在X軸和Z軸對稱面上通過相應對稱約束使計算能夠進行；在空氣的外表面添加邊界無反射，使爆轟波可以透射出去。兩種聚能裝藥結構的數值模型包含：炸藥、藥型罩、空氣域；裝藥結構侵徹45號鋼板的數值模型中包含：炸藥、藥型罩、空氣域和鋼靶；其中所有的模型都采用六面體映射網格，且裝藥結構中炸藥、藥型罩、空氣采用共點歐拉網格模型，鋼板采用拉格朗日網格，并與炸藥、藥型罩、空氣不共節點。兩種裝藥幾何結構的數值模型圖如圖3所示。

圖3 兩種聚能裝藥結構數值模型圖Fig.3 Numerical model diagrams of two kinds of shaped charge structures

2.2 材料模型的確定

本研究中炸藥選用高能爆轟High-Explosive-Burn材料模型，其爆炸載荷采用JWL狀態方程描述；藥型罩和45號鋼板靶板的形變、溫度等變化均采用J-C模型和GRUNEISEN狀態方程共同表征；裝藥結構外圍的空氣模型選用空白材料模型NULL，狀態方程采用GRUNEISEN。其具體參數如表1～4所示[8]。

表1 炸藥高能爆轟模型及其狀態方程部分參數Table 1 Part parameters of high energy detonation model of explosive and its equation of state

表2 藥型罩J-C模型及其狀態方程部分參數Table 2 Part parameters of J-C model of liner and its equation of state

表3 空氣材料模型及其線性多項式狀態方程參數Table 3 Air material model and the parameters of liner polynomial equation of state

表4 45號鋼板J-C模型及其狀態方程部分參數Table 4 Part parameters of J-C model of No. 45 steel plate and equation of state

2.3 計算方法

本研究兩種裝藥結構的起爆點均設置在炸藥頂端圓心處，在兩種裝藥結構起爆后形成聚能侵徹體的過程采用多物質組耦合的ALE算法。在兩種裝藥結構形成聚能侵徹體后侵徹靶板的過程中采用流固耦合算法。計算完成后，使用后處理軟件lsprepost查看數值模擬結果，并對提取數據進行定性和定量分析。

3 數值模擬結果分析

3.1 圓柱-半球結合藥型罩射流形成過程及機理分析

半球形藥型罩在爆轟波作用下通過翻轉形成了射流，其射流的形成機理已有文獻[7]報道，本研究主要對圓柱-半球結合藥型罩形成射流的機理進行研究。圓柱-半柱球結合藥型罩形成射流的過程如圖4所示。由圖4可以看出，炸藥起爆后，爆轟波首先作用于上端圓柱結構，在5～10μs時刻，藥型罩的圓柱在爆轟波作用下，其頂部與側面相互擠壓，首先形成環形射流，環形射流經二次匯聚形成了射流的頭部;圓柱殼體結構形成射流的頭部后，在10～25μs時刻，藥型罩中的半球形結構在爆轟波作用下開始翻轉變形，并形成射流補充到先前射流中去，最終形成了如圖中60μs時刻的射流形狀。

圖4 圓柱-半球結合藥型罩形成射流過程圖Fig.4 Process chart of cylinder-hemisphere combination liner jet formation

3.2 兩種藥型罩射流的數值模擬結果對比

由于半球形藥型罩和圓柱-半球形藥型罩的結構不同，形成射流的機理也發生了一定的變化，因此兩種結構的藥型罩形成射流的形態和性能均將發生變化，通過后處理軟件lsprepost觀察射流的形成過程，在100μs時刻射流形態如圖5所示。

由圖5可知，兩種藥型罩形成射流形態及杵體均發生了變化，在100μs時刻，半球形藥型罩形成的射流直徑比較均勻，且較為粗壯，拉伸長度較短，在頭部與尾部出現斷裂；圓柱-半球形藥型罩形成的射流頭部較細，向尾部逐漸變粗，且只在頭部發生斷裂；兩種射流的杵體形狀也發生了改變，半球形藥型罩的杵體部分較短且為一個整體，而圓柱-半球形藥型罩形成的射流杵體較長且明顯分為前后兩部分，通過觀察射流的成型過程發現，圓柱體結構在爆轟波作用下，一部分形成了射流的頭部，另一部分形成了射流的最后部分的杵體，其中的半球形結構在爆轟波作用下形成射流并補充到先前射流的過程中又形成了前面部分的杵體。

圖5 100μs時刻兩種藥型罩聚能侵徹體成型圖Fig.5 Forming drawing of two kinds of liner shaped charge penetrator at 100μs

由兩種射流的形態差異可知，兩種藥型罩形成射流的頭尾部速度，斷裂時間等均發生變化，為了分析兩種射流的性能，通過后處理軟件lsprepost觀察兩種射流在100μs時刻內的速度變化并測量其相關參數，如表5所示，其在100μs時刻射流的速度云圖如圖6所示。

圖6 100μs時刻兩種聚能侵徹體速度云圖Fig.6 Velocity nephogram of two kinds of shaped charge penetrator at 100μs

表5 100μs時兩種藥型罩形成聚能侵徹體的相關參數Table 5 Related parameters of the shaped charge penetrator of two kinds of liner at 100μs

注：v1為頭部速度；v2為尾部速度；D為杵體直徑；t為拉伸斷裂時間；E為動能；Δv1為v1相對增量。

由表5和圖6可知，在裝藥條件一致的情況下，相比半球形藥型罩形成的射流，圓柱-半球形藥型罩形成的射流具有更高的頭部速度，其頭部速度增長了16.67%,而且具有更高的動能；此外，圓柱-半球形藥型罩形成的射流抗拉伸斷裂能力更強，在相同時間段內拉伸長度較長，根據聚能裝藥侵徹原理，可判斷本研究設計的圓柱-半球形藥型罩形成的射流具有更強的侵徹能力。

3.3 兩種藥型罩射流侵徹45號鋼板的對比分析

3.3.1 兩種裝藥結構侵徹45號鋼板的數值模擬結果分析

為驗證兩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對半球形藥型罩、圓柱-半球形藥型罩兩種裝藥結構在120mm炸高下對45號鋼板的進行侵徹穿深的數值模擬實驗，靶板尺寸為100mm ×20mm × 20mm；并使用后處理軟件lsprepost觀察兩種射流的侵徹過程，兩種裝藥結構失去侵徹能力時靶板效果圖如圖7所示，并測量兩種藥型罩所形成的射流失去侵徹能力時靶板的相關參數，如表6所示。

圖7 兩種裝藥結構失去侵徹能力時的靶板效果圖Fig.7 Target plate effect diagram of two shaped charge structures without penetrating ability

表6 兩種藥型罩形成射流侵徹靶板后的相關參數Table 6 Relevant parameters after penetrating the target for two types of liner formation jet

注：H為侵徹深度；d為靶板表面開孔直徑；ΔH為H相對增量。

由圖7及表6可知，在相同裝藥條件下，圓柱-半球形藥型罩形成射流對45號鋼板的侵徹深度相比半球形藥型罩提升約16.82%，而且其開孔直徑并未明顯降低，并基本保持了半球形藥型罩開孔相對均勻的優勢。

3.3.2 半球形裝藥結構侵徹45號鋼板的試驗分析

為了對數值模擬結果的準確性進行驗證，在與數值模型相同的裝藥參數及炸高下，用半球形裝藥結構對45號鋼板進行侵徹試驗，其靶板試驗效果圖如圖8所示。

圖8 半球形裝藥結構侵徹45號鋼板試驗效果圖Fig.8 Experimental effect diagrams of hemispherical charge penetration into No. 45 steel plate

經過測量可知，靶板侵徹孔深度為50.6mm，表面開孔直徑為13.74mm。數值模擬和試驗結果的侵徹深度誤差為3.4%，表面開孔直徑的誤差為2.9%，證明了數值模擬結果的準確性。

4 結 論

(1) 圓柱-半球結合藥型罩形成射流頭部的方式與半球形藥型罩不同，因此其射流的頭部速度發生了變化，相對半球形藥型罩提升約16.67%。

(2) 與半球形藥型罩相比，圓柱-半球結合藥型罩形成射流的侵徹能力提高了16.82%，且基本上仍然保持了半球形藥型罩開孔大且均勻的優勢。

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