藥型罩結構對超聚能射流性能影響的數值模擬

胡曉敏，劉迎彬，胡曉艷，孫 淼，趙家駿

(中北大學 環境與安全工程學院， 太原 030051)

聚能射流的速度和質量對射孔彈的破甲性能有著直接的影響。而藥型罩的結構是影響射流的形狀、速度和質量的重要因素之一。因此，研究藥型罩結構對超聚能射流性能的影響，對研究破甲彈等反坦克彈種、對增強我國武器裝備、對提高我國在國際上的軍事地位都有著及其深遠的意義。

V.F.Minin等[1]首次提出超聚能射流。他采用數值模擬分析設計了多種超聚能裝藥結構，開拓了聚能裝藥模擬仿真領域的新篇章。P.Y.Chanteret等[2]研究并設計的郁金香型藥型罩目前在大炸高的情況使用，產生了速度高梯度小的射流。王成等[3]利用Autodyn-2D對比分析，得出截頂加附加裝置的錐形鈦合金藥型罩所形成的射流能夠有效地提高鈦合金射流的整體速度和有效射流質量分數。王淦龍[4]以截頂輔助藥型罩為研究對象，利用數值模擬方法對裝藥結構在不同裝藥長徑比、下形成的超聚能射流的速度和能量以及藥型罩利用率進行了分析。石軍磊等[5]對超聚能射流的材料進行研究，發現輔助藥型罩材料密度越大，射流頭部最大速度也越大，射流能量也隨著變大。陳莉等[6]發現對于截頂輔助藥型罩裝藥結構來說，選取鈦和鉭的材料組合優于其他的材料組合，且變換輔助藥型罩的位置對射流的形成影響并不大。

本文聯系各方面對超聚能射流性能的發展需要，沿著超聚能射流的探索方向繼續研究。主要研究藥型罩錐角及輔助藥型罩厚度的改變是否會影響超聚能射流連續性及速度方面的性能，通過Ansys-Autodyn軟件模擬超聚能射流，并探索其性能特點。經對比分析后得出結論，為實際實驗提供數據，更好的應用于實際情況。

1 數據模擬

1.1 材料選取

炸藥爆炸使藥型罩被壓垮形成聚能射流的過程十分復雜，為簡化理論模型，作出如下假設[7]：

① 該模擬中所有物質均為連續均勻介質；

② 超聚能射流速度隨射流長度線性分布；

③ 忽略其他作用力的影響，如，重力等；

④ 整個過程為絕熱過程。

聚能裝藥結構為軸對稱結構,因此采用Autodyn-2D程序進行二維計算,且只需建立1/2模型。炸藥、空氣域、藥型罩和輔助藥型罩采用Euler網格與耦合算法。在射流形成過程中，空氣區域在徑向邊界節點上設置flow out的邊界條件，初始條件設為still air。因為模型二維對稱，故只需在模型對稱面上施加該約束條件。本文所做的數值模擬中截頂式輔助藥型罩中選取炸藥為HMX(奧克托今)，狀態方程為JWL狀態方程，該方程能精確地描述爆轟氣體產物的體積、壓力、能量等特性(表1)。錐形罩材料為鋁，選用Al2024T351，采用Shock狀態方程和Johnson-Cook強度模型。輔助藥型罩材料為銅，采用Shock狀態方程和Piecewise JC強度模型。殼體材料為Steel 1006，采用Shock狀態方程和Johnson-Cook強度模型。具體材料狀態方程參數如表2所示。

1.2 建立模型

超聚能裝藥結構如圖1所示。裝藥長度為60 mm，裝藥直徑為40 mm，殼體厚度為2 mm，截頂間隙14 mm，輔助藥型罩直徑為18 mm，錐形罩厚度為1 mm，起爆方式為面起爆。各方案裝藥密度均不變。模擬軟件建立模型如圖2所示。通過改變錐角和輔助藥型罩厚度，方案設計如表3所示。

2 數值模擬結果與分析

本文采用控制變量的方法，通過改變輔助藥型罩厚度和錐角的大小，設計了9種方案，利用Autodyn-2D對各個方案進行數值模擬。模擬過程中，坐標原點為罩口軸線處，起爆方式為平面起爆，起爆面模型的位置坐標為(-60，8)到(-60，-8)。

圖1 超聚能裝藥結構示意圖

圖2 超聚能裝藥實際模型

編號輔助藥型罩厚度/mm錐形罩錐角/(°)編號輔助藥型罩厚度/mm錐形罩錐角/(°)116062802170736031808370426093805270

2.1 不同方案對超聚能射流形成過程的影響

圖3～圖5分別為方案1～9聚能裝藥起爆10 μs、20 μs和40 μs后的射流形態。射流長度如表4所示。表4給出了20 μs、40 μs時射流的長度。

圖3 10 μs時射流形態

圖4 20 μs時射流形態

圖5 40 μs時射流形態

裝藥結構射流長度/mm20 μs40 μs方案1166.25386.75方案2161.00368.50方案3153.75355.50方案4178.25399.50方案5169.25389.00方案6164.75379.25方案7172.75391.50方案8163.50379.50方案9159.50374.25

添加輔助藥型罩將給藥型罩一個更強更持久的沖擊壓力，使罩壁微元起爆后的運動形式發生改變，壓垮角度大于將180°，提高了藥型罩的利用率，使射流有效質量增加。由于藥型罩頂部發生翻轉的同時也向中心擠壓，所以超聚能射流頭部速度不低于傳統射流[8]。通過這種方式，我們可以實現超聚能射流模擬，并且該結構的藥型罩利用率很高，甚至超過90%。不同裝藥結構條件下，采用變壁厚藥型罩進行切割爆破切割的效果各異，要想在工程中達到最理想的效果，就要找到最佳的罩壁變化率，掌握射流隨罩厚的變化規律[9]。

對于傳統聚能裝藥結構來說，當錐角增大為110°以上時，起炸后藥型罩大部分翻轉，被壓合成為一個直徑較小的高速爆炸成型彈丸，簡稱EFP,不區分射流和杵體兩部分。運動過程中有所拉長，直徑較粗，但基本上保持完整[10]，而截頂式藥型罩結構形成的超聚能射流和杵體隨著錐角的增大分離的越清晰，其中射流依然為錐形。

如圖3、圖4所示，輔助藥型罩并沒有與錐形罩一起形成射流，而是同射流尾部混合在一起。起爆20 μs后，藥型罩還未被完全壓垮，射流頭部為細錐形，杵體相對而言較少。隨著起爆時間的延續，射流繼續拉長后可以看出，當輔助藥型罩厚度一定時，錐角越大，形成的射流長度越短。錐角為60°時，超聚能射流杵體和射流區分相對沒有明確的界限，整體長度較長。當藥型罩錐角為70°和80°時，超聚能射流整體長度減小，杵體和射流有較明顯的界限，射流的最大直徑大于杵體直徑，杵體尺寸較小，形狀類似細長桿。射流連續性綜合觀察可知，隨著錐角的增大，超聚能射流的直徑增大，而整體長度減小，射流的有效質量明顯也減少了。當錐角一定時，隨著輔助藥型罩厚度的增加，射流的長度先增加后減少。

如圖5所示，起爆后40 μs，射流已經出現斷裂。隨著錐角的增加，射流的長度逐漸減小，而杵體長度卻逐漸增加，因此射流的有限質量也逐漸減小。雖然錐角為60°時射流斷裂明顯，但是由于射流整體長度較長，且射流直徑更大，實際斷裂現象并沒有錐角為70°和80°時嚴重。當錐角一定時，隨著輔助藥型罩厚度的增加，射流長度先增大后增加。

2.2 不同藥型罩結構對超聚能射流速度影響分析

表5給出了不同方案組成超聚能裝藥結構射流的頭部速度。不同輔助藥型罩厚度射流速度分布如圖6。

表5 不同裝藥結構最大速度及射流頭部速度在不同時間所測結果

圖6 不同輔助藥型罩厚度射流速度分布

由表5和圖6可知：當截頂間隙不變時，隨著藥型罩錐角的增加，超聚能射流的最大速度有逐漸減小的趨勢。對比錐角為60°和80°的兩個藥型罩，其最大頭部速度之間相差7.5%，這一藥型罩錐角變化引起的最大速度變化差異同傳統射流相似。藥型罩錐角為80°時，最大速度仍然超過10 000 m/s，明顯大于傳統裝藥射流的頭部速度。不同錐角形成射流頭部速度相差不大，其中藥型罩錐角為60°形成的射流頭部速度最大，為15 213 m/s，且速度下降趨勢最為遲緩。

當藥型罩錐角不變時，隨著截頂間隙的增加，射流的最大頭部速度呈現先減小后增大的趨勢。其中截頂間隙為1 mm，錐角為80°時形成射流頭部速度最小，為13 825.3 m/s，但仍遠遠大于傳統聚能裝藥射流的頭部速度。

2.3 不同藥型罩結構對超聚能射流能量影響分析

圖7、圖8分別給出了超聚能射流不同時刻的能量分布和不同方案組成超聚能裝藥結構形成的最大動能對比。

藥型罩在爆轟波的作用下被壓垮而形成聚能射流，此過程將會釋放很大的能量，目標在高速高能的射流侵徹下毀傷將會更嚴重。由圖7可知：超聚能裝藥在起爆后10 μs前均有很高的動能，但隨即大幅度降低。如圖8所示，隨著錐角的增大，超聚能射流具有的最大能量反而隨之減小。綜合分析頭部速度及動能，對比發現，錐角為60°、輔助藥型罩厚度為2 mm的藥型罩形成的射流有效質量最多，且射流最大頭部速度最大的同時，擁有最大的動能。由此可知在其他條件一定時，錐角為60°、輔助藥型罩厚度為2 mm的藥型罩形成的射流毀傷效果更好。

圖7 超聚能裝藥不同時刻射流能量分布

圖8 不同方案組成超聚能裝藥結構射流的最大能量

3 結論

1) 超聚能裝藥結構形成的射流形態比較細長，在其他條件一定的情況下，隨著錐角的增加，超聚能射流長度越短，杵體越多，射流有效質量越少，連續性也越來越差。在不同輔助藥型罩厚度的情況下，隨著厚度的增加，射流長度呈先增加后減少的趨勢，射流連續性變化不大。

2) 超聚能裝藥形成的超聚能射流頭部最大速以及速度減小的趨勢也與藥型罩結構有關。隨著錐角的增加，射流頭部最大速度逐漸較小；隨著輔助藥型罩厚度的增加，速度先增大后減小，但總體相差不大。其中當錐角為60°，輔助藥型罩厚度為2 mm時，射流頭部速度最大且下降趨勢最為緩慢，為15 213 m/s。

3) 超聚能射流的最大動能隨著藥型罩錐角增大而減小。當輔助藥型罩厚度為1 mm、2 mm和3 mm時，厚度為2 mm時對應的聚能射流的最大動能最大。