新型復合藥型罩設計研究

李學嶺

摘 要：文章介紹了復合藥型罩的優點，設計了一種復合藥型罩，運用ANSYS/LS-DYNA 3D有限元軟件對藥型罩射流成型進行了仿真，將單金屬藥型罩與復合藥型罩射流成型進行對比，驗證復合藥型罩優越性。

1 引言

復合藥型罩就是由不同性能的金屬或合金按著藥型罩體不同結構部位的性能要求復合而成的藥型罩。與傳統的單金屬藥型罩相比，其能量轉換與吸收機制更合理，化學能的利用率更充分，破甲性能更優越，造價也相對低廉，具有廣泛的開發應用前景。

2 研究目的

聚能裝藥破甲彈的射流是由藥型罩在炸藥爆轟作用下產生的高溫、高壓、高速質量流，藥型罩性能直接影響射流質量，如射流密度、射流速度和連續射流長度等，是決定聚能裝藥破甲彈威力的關鍵因素之一。

聚能裝藥破甲彈藥型罩材料有兩個研究方向，即單金屬材料和多相復合材料。

單金屬藥型罩由于爆轟波作用于表面時，其反射較為嚴重，因而爆轟波能量不能被充分轉化為金屬破甲射流的動能，能量轉化效率低。要想增大射流的長度就必須增大射流的速度梯度，而射流速度梯度的極大提高是很難用單金屬藥型罩得以解決的。

復合材料制品將不同性能的金屬或合金按照藥型罩的設計符合來發揮綜合優勢。

3 數值模擬

3.1 計算模型

鉬作為難熔金屬中的一種，具有高聲速和高密度等特點，是制造破甲藥型罩的另一理想材料，已在穿甲彈等軍工產品中得到實際應用。

本文采用鉬和紫銅混合而成的藥型罩，為減小運算數據，采用小口徑裝藥。如圖示，在紫銅藥型罩頂端放置一塊鉬材料制成的φ4.5mm、高度2mm圓板，采用JH-2裝藥，裝藥口徑50mm，裝藥高度65mm，紫銅藥型罩壁厚0.5mm，錐角60°。

圖1 復合藥型罩戰斗部三維剖面圖

3.2 材料模型

材料模型主要包括材料的狀態方程、強度模型及失效模型。本次仿真共涉及藥型罩、炸藥、空氣等4種材料。在研究高壓下固體中激波傳播時，需要考慮材料的狀態方程，材料的狀態方程關系到材料壓力、密度和熱力學參數，反映材料的體積特性。由于破甲彈射流的形成以及靶板的毀傷過程涉及大變形，因此破甲彈藥型罩和靶板材料模型均采用具有彈塑性屬性的J-C模型。

利用ANSYS/LS-DYNA 3D有限元軟件進行仿真分析，根據仿真模型的對稱性只建立了四分之一模型，并在對稱邊界面上施加對稱約束，在空氣自由邊界面上施加非反射邊界約束。通過網格劃分建立仿真模型。模型a中鉬材料劃分了1200個實體單元，銅材料劃分了4880個實體單元；模型b中銅材料劃分了4880個實體單元，如下圖示。模擬過程中采用ALE算法進行射流的仿真模擬，采取端面中心點起爆方式，建模時，采用cm-g-us-k為單位進行仿真模擬。

4 仿真結果分析：

4.1 射流形成過程對比

圖3中a）和b）為兩種狀態藥型罩射流形成過程。對比a）和b）可知，由于藥型罩結構不同，復合藥型罩射流成型時間明顯低于銅的單金屬藥型罩；在32us時，復合藥型罩形成射流長度已達到12.5cm，單金屬藥型罩形成射流長度已達到8.8cm。

4.2 靜態觀測點分析

4.2.1 靜態觀測點設置

從藥型罩底端沿軸線向下每隔5cm截取一個靜態觀測點如圖4所示。在藥型罩的壓垮過程中，靜態觀測點不會隨著材料的運動而運動，可以清晰的觀察材料的速度變化。

4.2.2 運動速度對比

由圖5可知，A觀測點在8us時已經觀測到復合藥型罩射流速度，其最大速度為8932m/s；在9us時觀測到單金屬藥型罩射流速度，其最大速度為6120m/s 。同時，復合藥型罩形成射流速度在圖中A觀測點速度已達最大，單金屬藥型罩在圖中B觀測點速度最大。

5 結論

本文提出了一種簡單結構的復合藥型罩——在普通藥型罩頂端加裝一塊鉬材料制成的圓板；通過ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件分析復合藥型罩與單金屬藥型罩射流形成的情況，得出了如下結論：

1）復合藥型罩形成射流時間較單金屬藥型罩形成射流時間快；

2）復合藥型罩形成射流長度較單金屬藥型罩形成射流長度長；

3）復合藥型罩形成射流速度較單金屬藥型罩形成射流速度大。

參考文獻：

[1]李國賓.復合藥型罩的研究進展.兵器材料與工程，1995. 18.1

[2]周旭紅，楊益航.一種藥型罩用鉬銅復合材料及其制備方法.兵器材料科學與工程，2015.38.3

[3]沈慧銘，李文彬.變壁厚雙層藥型罩壁厚匹配的數值計算與實驗驗證.火炸藥學報，2015.38.3

[4]藤勝居，陳磊.不同材料雙層藥型罩EFP成型及侵徹性能數值模擬.彈箭與制導學報，2014.34.5