聚能戰(zhàn)斗部起爆方式對(duì)射流成形的影響分析

汪家祥

摘 要：采用有限元分析軟件對(duì)聚能戰(zhàn)斗部爆破形成射流的過程進(jìn)行仿真模擬。在藥型罩、炸藥等參數(shù)相同的情況下，改變起爆方式，對(duì)射流形態(tài)和射流的基本參數(shù)變化進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，采用多點(diǎn)（環(huán)形）起爆方式在射流形成時(shí)間、速度及射流拉伸長(zhǎng)度方面較單點(diǎn)（中心）起爆有了一定提高。

關(guān)鍵詞：聚能戰(zhàn)斗部；起爆方式；有限元分析

0 引言

聚能戰(zhàn)斗部主要由金屬藥型罩、殼體、炸藥裝藥和起爆序列組成，裝藥爆炸后，爆炸產(chǎn)物產(chǎn)生爆轟波形成足夠壓力壓垮藥型罩，使藥型罩從頂部發(fā)生翻轉(zhuǎn)，形成聚能射流（EFP）。其中EFP的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，尤其是速度，是研究中的重點(diǎn)，在給定裝藥和藥型罩的前提下，起爆方式直接影響著射流的有效質(zhì)量及速度梯度。本文在起爆方式對(duì)射流影響方面進(jìn)行了數(shù)值模擬及分析。

1 爆轟波C-J理論

爆轟波形的控制是多模毀傷形成的關(guān)鍵。通過改變起爆方式，合理控制爆轟波形，可以實(shí)現(xiàn)不同毀傷元的轉(zhuǎn)換。Chapman和Jouguet提出了爆轟波C-J理論。爆轟波是一種伴有化學(xué)反應(yīng)的沖擊波，由于爆轟波在炸藥中傳播時(shí)得到了炸藥本身化學(xué)反應(yīng)時(shí)放出的能量，因而可以抵消它在傳播過程中損失的能量，保證整個(gè)過程的穩(wěn)定性，直到炸藥反應(yīng)結(jié)束為止。

研究表明，不同起爆方式下爆轟波壓垮藥形罩形成毀傷元的參數(shù)不盡相同，其中單點(diǎn)起爆產(chǎn)生恒定的C-J爆轟壓力，而環(huán)形起爆由于爆轟波的相互碰撞，使得碰撞點(diǎn)爆轟波壓力高出C-J壓力很多，尤其是當(dāng)碰撞產(chǎn)生馬赫波時(shí)，高壓爆轟不只產(chǎn)生在一點(diǎn)，而是形成了一定長(zhǎng)度的馬赫桿，同時(shí)高壓爆轟波壓力可達(dá)C-J壓力的3倍以上。

2 數(shù)值模擬

應(yīng)用非線性動(dòng)力學(xué)軟件AUTODYN 進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，采用Euler算法，該算法可以很好地解決大應(yīng)變、高應(yīng)變率的問題。網(wǎng)格模型為二維軸對(duì)稱模型，設(shè)置無反射邊界條件，使所有物質(zhì)在邊界處無障礙流出。2.1 計(jì)算模型采用JH-2裝藥，裝藥口徑為38mm，裝藥高度為46.5mm；殼體壁厚1mm，采用Al2A12；藥型罩采用軍用紫銅材料，錐角為83°，壁厚1.5mm，罩頂高20mm。

2.2 材料模型

材料模型主要包括材料的狀態(tài)方程、強(qiáng)度模型及失效模型。本次仿真共涉及殼體、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(shí)，需要考慮材料的狀態(tài)方程，材料的狀態(tài)方程關(guān)系到材料壓力、密度和熱力學(xué)參數(shù)，反映材料的體積特性。由于射流的形成涉及大變形，因此破甲彈藥型罩材料模型采用具有彈塑性屬性的J-C模型。

2.3 爆點(diǎn)設(shè)置

2.3.1 單點(diǎn)（中心）起爆

單點(diǎn)起爆戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，二維網(wǎng)格的建立主要靠點(diǎn)和線來構(gòu)造，通過網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量和長(zhǎng)度尺寸來確定網(wǎng)格的疏密度。

2.3.2 多點(diǎn)（環(huán)形）起爆

環(huán)起爆是一個(gè)理論上的概念，在實(shí)際應(yīng)用過程中一般采用多點(diǎn)起爆代替環(huán)形起爆。Bourne、J.P.Curtis、K.G..Cowan等人在研究多點(diǎn)起爆聚能戰(zhàn)斗部時(shí)，提出隨著在某一半徑的圓環(huán)上起爆點(diǎn)數(shù)目的增多，當(dāng)采用超過4點(diǎn)以上的多點(diǎn)起爆，形成的侵徹體類似于采用環(huán)起爆方式得到的結(jié)果。

為了提高計(jì)算效率，初始方案設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算時(shí)將多點(diǎn)起爆簡(jiǎn)化為二維環(huán)形起爆，這樣在起爆點(diǎn)模型基礎(chǔ)上，通過改變起爆點(diǎn)位置即可形成環(huán)形起爆網(wǎng)格模型。

3 結(jié)果分析

3.1 射流形成過程對(duì)比

圖4中圖a）和圖b）為兩種起爆點(diǎn)的射流形成過程。對(duì)比圖a）和圖b）可知，由于起爆點(diǎn)位置不同，多點(diǎn)（環(huán)形）起爆形成的射流時(shí)間明顯低于傳統(tǒng)的單點(diǎn)（中心）起爆， 40μs時(shí)，單點(diǎn)起爆的藥型罩開始拉伸完全，多點(diǎn)起爆的藥型罩已完成拉伸且頭部已經(jīng)拉斷。

a） 單點(diǎn)起爆射流成型過程

3.2 射流尺寸對(duì)比

從圖5可以看出，在50um時(shí)刻，多點(diǎn)起爆形成的射流已發(fā)生大規(guī)模斷裂，整體長(zhǎng)度較單點(diǎn)起爆射流長(zhǎng)；直徑比單點(diǎn)起爆形成射流直徑短。

3.3 動(dòng)態(tài)高斯點(diǎn)分析

3.3.1 動(dòng)態(tài)高斯點(diǎn)設(shè)置

從藥型罩錐頂截取處到錐底均勻布置一排動(dòng)態(tài)高斯點(diǎn)（1點(diǎn)到14點(diǎn)），如圖7所示。在藥型罩的壓垮過程中，動(dòng)態(tài)高斯點(diǎn)會(huì)隨著材料的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，可以清晰的觀察材料的運(yùn)動(dòng)軌跡。此方法可以通過設(shè)置大量的動(dòng)態(tài)高斯點(diǎn)精確地得到藥型罩材料微元在流動(dòng)中的分布情況。由圖可知：藥型罩的外表面都形成了杵體，大部分內(nèi)表面都形成了射流；罩頂內(nèi)表面1點(diǎn)形成了杵體， 13點(diǎn)、14點(diǎn)與射流主體分離，此部分材料將會(huì)形成無用的銅圈；藥型罩內(nèi)表面頂部從2點(diǎn)到12點(diǎn)依次形成射流的頭部到尾部。

3.3.2 不同起爆點(diǎn)材料微元運(yùn)動(dòng)速度運(yùn)動(dòng)速度對(duì)比

由圖7可知，多點(diǎn)起爆下材料高于單點(diǎn)起爆下材料微元運(yùn)動(dòng)速度，單點(diǎn)起爆微元速度最大為3976m/s，多點(diǎn)起爆微元速度最大為4832m/s。

4 結(jié)論

（1）應(yīng)用數(shù)值模擬研究了不同起爆方式對(duì)射流成型的影響。

（2）用動(dòng)態(tài)高斯點(diǎn)研究了藥型罩材料的流動(dòng)規(guī)律，得出多點(diǎn)起爆微元運(yùn)動(dòng)速度高于單點(diǎn)起爆；

（3）多點(diǎn)起爆方式射流成型快，射流尺寸短。

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