錐罩材料對組合藥型罩射流成型的影響

張小靜，吳國東，王志軍，胡哲成，董方棟

(1.中北大學 機電工程學院， 太原 030051; 2.瞬態(tài)沖擊技術(shù)重點實驗室, 北京 102202)

為了提高常規(guī)彈藥的毀傷能力及應對不同的裝甲目標，提出了許多不同的戰(zhàn)斗部方案，對藥型罩的改進就是其中一個重要方向。隨著復合裝甲、反應裝甲、主動防御裝甲等新型裝甲不斷出現(xiàn)并趨于成熟，許多新型戰(zhàn)斗部也被不斷設計出來，串聯(lián)藥型罩、復合藥型罩、匯聚式藥型罩、星型藥型罩、多層藥型罩和各種組合藥型罩等都已經(jīng)出現(xiàn)，并且進行進一步優(yōu)化研究[1-3]。

桿式射流幾乎不形成杵體，所有的藥型罩都形成了射流，但是速度相比較于聚能射流(JET)較低；聚能射流速度很高，但是具有侵徹能力的射流部分只占藥型罩的百分之十幾。錐形罩-球缺罩組合藥型罩結(jié)合了聚能射流和桿式射流的優(yōu)點，聚能射流形成小射流對桿式射流起到加速作用，使形成的復合射流速度高于普通桿式射流。V.F.Minin提出并定義了超聚能射流的概念，做了初步的仿真研究[4]；徐文龍從理論和實驗的角度研究了超聚能射流的成型過程[5]；石軍磊研究了超聚能結(jié)構(gòu)中，輔助結(jié)構(gòu)的材料對射流性能的影響[6]；陳莉等研究了截頂輔助藥型罩的材料對射流成型的影響，得出鈦和鉭組合優(yōu)于其他組合[7]；伊建亞對偏心亞半球鉬罩形成桿式射流進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化[8]；劉亞昆等研究了F裝藥內(nèi)外層密度和間距對形成包覆式復合侵徹體的影響[9]；何洋揚對圓錐、球缺組合式戰(zhàn)斗部空氣中成型技術(shù)進行數(shù)值模擬研究[10]；周方毅對圓錐-球缺藥型罩聚能戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計進行研究，采用了正交優(yōu)化設計[11]。

本文將對錐形-球缺罩的成型過程進行具體研究，并通過改變錐罩的材料,得到不同材料組合的特點。

1 數(shù)值仿真模型與材料模型

1.1 建立數(shù)值仿真模型

為便于直觀地對戰(zhàn)斗部的結(jié)構(gòu)和各尺寸進行觀察，在AutoCAD中繪制戰(zhàn)斗部的幾何模型，如圖1所示。各初始參數(shù)為：彈體直徑為D=100 mm，裝藥直徑為d=96 mm，殼體壁厚為t=2 mm，錐罩各部分厚度均勻且厚度為δ=3 mm，藥型罩高度h=86 mm，藥型罩錐角為2α=50°，球缺外徑為R1=51 mm，球缺內(nèi)徑為R2=48 mm，長徑比為1.5,裝藥長度L=150。

在Autodyn-2D中創(chuàng)建二分之一有限元模型，如圖2所示。有限元模型中所有的結(jié)構(gòu)均采用Euler算法，因為在爆炸中，藥型罩會發(fā)生翻轉(zhuǎn)等變形很大的情況，而Euler算法中，網(wǎng)格固定，材料在網(wǎng)格之間流動，不會引起網(wǎng)格的大變形，從而大大減小計算出錯的概率；而Lagrange算法是網(wǎng)格隨材料一起運動，所以只適用于小變形的靶板等結(jié)構(gòu)。

空氣域邊界類型定義為Flow-Out，是所有物質(zhì)可以流出，來模擬無限空間，以防止材料在邊界反射使得仿真結(jié)果出現(xiàn)較為嚴重的誤差，確保仿真的可靠性。

圖1 幾何模型

圖2 有限元模型

1.2 建立材料模型

有限元仿真模型中所用到的材料均是從Autodyn自帶材料庫中選取[12]，材料參數(shù)是默認Autodyn給出的。殼體用硬鋁AL 2024-T4，藥型罩用紫銅COPPER；炸藥用COMP B,密度為1.717 g/cm3，爆速為7980.001 m/s,爆壓為2.95×107kPa。材料模型參數(shù)如表1所示。

表1 材料模型參數(shù)

從圖2中可以看出有COPPER1和COPPER兩種銅的編號，其實這兩種銅編號是一種材料，參數(shù)都一樣，這里采用不同編號是為了區(qū)分錐罩部分的射流和球缺藥型罩部分形成的桿式射流，為研究射流成型和分析射流參數(shù)等方面提供了方便。

2 仿真結(jié)果及其分析

2.1 錐罩材料對射流成型的影響

為研究錐罩材料對錐罩-球缺組合藥型罩射流成型的影響，選擇硬鋁、鋼、紫銅、鉭和鎢作為錐罩材料，紫銅作為球缺罩材料進行數(shù)值仿真研究。

由圖3可以看到，錐罩形成的射流被球缺罩射流截成了兩段，為了便于敘述，將錐罩射流前面的那部分射流命名為射流1，尾部的射流命名為射流3，球缺罩射流命名為射流2。

1) 當錐罩材料依次為鋁合金時，錐罩射流形成的射流1最長；銅和鋼作為錐罩材料時射流1長度次之；鎢作為錐罩材料時，錐罩幾乎沒有形成射流1，都聚集在尾部，形成杵體(即射流3)。

2) 當錐罩材料依次為鎢時，球缺罩形成的桿式射流(即射流2)最長；鉭作為錐罩材料時射流2長度次之；銅、鋼、鋁作為錐罩材料時，射流2的長度逐漸減小。

3) 當鋁合金作為錐罩材料時，射流直徑最大；鋼作為錐罩材料時，射流直徑最小。

圖3 80 μs時錐罩材料不同的射流成型

2.2 數(shù)值結(jié)果分析

2.1節(jié)中詳細分析了錐罩材料不同時，對組合藥型罩射流成型效果的影響，可以看出，錐罩材料不同時，組合藥型罩的射流形態(tài)有很大的不同。接下來，將通過采集各組合在80 μs時錐罩射流與球缺罩射流的頭部速度、尾部速度、射流長度以及射流質(zhì)量進行直觀研究。

圖4通過對射流長度和射流速度對錐罩-球缺組合藥型罩射流成型進行了繪圖分析，可以看出：

1)從圖4 (a)可以發(fā)現(xiàn)：鋁作為錐罩材料時，射流1頭部速度最大，射流2頭部速度最小；坦和鎢作為錐罩材料時，,射流1頭部速度最小；鎢作為錐罩材料時，,射流2頭部速度最大。

2)從圖4(b)可以發(fā)現(xiàn)：錐罩材料不同，對射流2尾部速度影響不大；錐罩材料為鋼時，射流3頭部速度最大；錐罩材料為鋁時，射流3頭部速度最小。

3)從圖4 (c)可以發(fā)現(xiàn)：鎢作為錐罩材料時，射流2最長，其次是鉭，最小的是鋁；鋁作為錐罩材料時，射流1最長，其次是鋼和銅，最小的是鎢。

圖4 錐罩材料對射流速度和長度的影響

圖5通過對射流1的質(zhì)量和有效射流有效質(zhì)量對錐罩-球缺組合藥型罩射流成型進行了繪圖分析，可以看出：

1)從圖4 (c)中可以知道，錐罩材料不同時，射流1的長度也不同。錐罩材料不同，密度也不同，所以射流1的質(zhì)量也不同。圖5 (a)可以看出：銅作為錐罩材料時，射流1的質(zhì)量最大；鎢作為錐罩材料時，射流1的質(zhì)量最小。

2)圖5 (b)可以看出：銅作為錐罩材料時的組合藥型罩有效射流質(zhì)量最大；鎢作為錐罩材料時的組合藥型罩有效射流質(zhì)量最大。

圖5 錐罩材料對射流質(zhì)量的影響

2.3 錐罩材料不同對無限靶板的侵徹

組合藥型罩錐罩材料的不同，射流形態(tài)與頭部速度也不同。為研究錐罩材料不同對組合藥型罩形成射流的侵徹能力，將5組不同組合藥型罩的戰(zhàn)斗部對無限靶進行侵徹。

由圖6、圖7和圖8可以發(fā)現(xiàn)：

1) 鋁作為錐罩時，戰(zhàn)斗部對無限靶的侵徹孔呈現(xiàn)外寬內(nèi)窄的喇叭形，侵徹孔徑最大，結(jié)合圖3可以知道，這是由于錐罩射流使得球缺罩射流外徑變大，對侵徹孔有擴孔作用；鋼、銅、鉭和鎢作為錐罩材料時，侵徹孔徑較為均勻。

2) 銅作為錐罩時，戰(zhàn)斗部對無限靶侵徹深度最大；鋁作為錐罩時，戰(zhàn)斗部對無限靶版侵徹深度最小。

3) 圖7表示：錐罩材料不同時，戰(zhàn)斗部對無限靶侵徹孔徑也不同(其中孔徑的數(shù)據(jù)是取侵徹孔徑最大處)。可以知道，當錐罩材料為鋁時，孔徑最大；錐罩材料為鋼時，孔徑最小。

4) 圖8表示：錐罩材料不同時，戰(zhàn)斗部對無限靶侵徹孔深也不同。可以看出，當錐罩材料為銅時，孔深最大，這是由于錐罩材料為銅時的組合藥型罩形成的有效射流質(zhì)量最大；錐罩材料為鋁時，孔深最小，這是由于球缺罩射流主要作用于擴孔，導致侵徹孔徑大而孔深小。

綜上所述，可以知道，對薄裝甲侵徹時，選擇鋁作為錐罩材料較好，可以獲得較大的侵徹孔徑，從而增大毀傷能力；銅作為錐罩材料時，對靶板的穿深最大，打穿靶板后射流離子的剩余速度最大，適合侵徹厚靶板。

圖6 錐罩材料不同時的侵徹深度

圖7 孔徑隨錐罩材料不同的變化

圖8 孔深隨錐罩材料不同的變化

3 結(jié)論

1) 鋁最為錐罩材料時，射流直徑最大，侵徹無限靶板的孔徑最大，擴孔能力最好。

2) 錐罩材料為銅時，射流有效質(zhì)量最大，侵徹無限靶板的孔深最大，侵徹能力最好。

綜合對比分析發(fā)現(xiàn)：錐罩材料會直接影響射流成型的形態(tài)和射流速度、長度、質(zhì)量。可以根據(jù)不同需要來選擇相應的組合。

本研究內(nèi)容對優(yōu)化組合藥型罩的材料搭配，提高戰(zhàn)斗部的毀傷能力有一定的研究意義。