基于SPH法的不同壁厚球缺型藥形罩桿式射流成型數值模擬

趙玉志 崔 瀚*

(沈陽工學院能源與水利學院,遼寧 撫順113122)

1 概述

桿狀射流是近幾年間在聚能裝藥方向上的熱點研究問題,它是通過采用某種藥型罩的結構以及適當起爆方式,使壓垮藥型罩產生的聚能裝藥侵徹體在一定距離的飛行過程中被逐漸的拉長,但是桿式射流的斷裂時間相對滯后,這種聚能裝藥侵徹體形式具有較高的速度和較低速度梯度,能保持較大侵徹深度且有較大的侵徹孔徑[1]。桿狀射流由彈丸內藥形罩形成,藥形罩的結構直接影響影響桿狀射流狀態。

本文運用AUTODYN軟件中采用SPH法對不同壁厚結構的球缺型藥型罩形成桿式射流進行仿真計算,最后進行結果輸出,得出不同壁厚的球缺型藥型罩形成桿式射流的過程數據,并對其進行分析對比。

2 材料模型及參數

炸藥材料選為B炸藥,材料模型為None,狀態方程為JWL方程；藥形罩材料為CU-OFHC無氧銅,材料模型為Johnson Cook,狀態方程為Linear。無氧銅密度為8.9 g·cm-3,炸藥密度為1.619 g·cm-3。

球缺型藥型罩模型的幾何尺寸為:炸藥藥柱直徑取D1=55mm；炸藥藥柱高度取H1=54mm；球缺罩口部直徑取D2=52 mm；球缺罩高度取H2=17.2 mm；藥型罩中心壁厚為δ1,外側壁厚為δ2,聚能裝藥結構如圖1所示,其中壁厚參數為控制變量。

圖1 藥型罩及炸藥結構

3 仿真結果

3.1 等壁厚球缺型藥型罩桿式射流

此時取δ1=δ2=2mm,即藥形罩中心與外側厚度一致,經過仿真不同時刻形成桿式射流形態如圖2所示,從圖中可以看出產生射流形狀較為均勻。提取的仿真結果如圖3所示,從圖3可知射流頭部速度在0.02 ms達到最大值,為3245.29 m/s,之后穩定在2960±5m/s區間；尾部速度穩定在1385±5m/s區間。中部速度在0.03 ms后穩定在1740±5m/s區間。

圖2 等壁厚藥型罩桿式射流形成過程不同時刻狀態

圖3 等壁厚藥型罩桿式射流形成過程不同時刻速度變化曲線圖

3.2 中間厚外側薄球缺型藥型罩桿式射流

中間厚外側薄藥形罩取參數δ1=2.5 mm,δ2=1.5 mm,經過仿真不同時刻形成桿式射流形態如圖4所示,從圖中可以發現產生的射流形狀頭部細,尾部粗,向軸線集中,射流頭部直徑約為4.1 mm,射流尾部直徑約為9.5 mm,射流中部直徑約為7.6 mm,射流長度約為235mm。提取的仿真結果如圖5所示,從圖中可知頭部速度在0.038 ms后達到最大值,為2136.30 m/s,之后穩定在2050±5m/s區間；尾部速度在0.01 ms到0.03 ms之間速度波動較大,之后穩定在800±20m/s區間；中部速度在0.03 ms后穩定在630±5m/s區間。

圖4 中間厚外側薄藥型罩桿式射流形成過程不同時刻狀態

圖5 中間厚外側薄藥型罩桿式射流形成過程不同時刻速度變化曲線圖

3.3 中間薄外側厚球缺型藥型罩桿式射流

中間薄外側厚藥形罩厚度取值為δ1=1.5 mm,δ2=2.5 mm。經過仿真不同時刻形成桿式射流形態如圖6所示,從圖中可以看出射流形狀分散,在0.05 ms后出現空心的情況,射流直徑約為6.5 mm,長度約為258mm。提取的仿真結果如圖7所示,從圖中可知,頭部速度在0.03 ms達到最大值,為2020.15 m/s,之后穩定在1975±5m/s區間；尾部速度最大值1104m/s,隨后下降到250m/s左右；中部速度在0.03 ms后穩定在975±5m/s區間。

圖6 中間薄外側厚藥型罩桿式射流形成過程不同時刻狀態

圖7 中間薄外側厚藥型罩桿式射流形成過程不同時刻速度變化曲線圖

3.4 綜合分析

從上述仿真結果可以看出,速度梯度對桿式射流的斷裂有著明顯的影響,具有的速度梯度越大,桿式射流產生斷裂的時間就越早,中間薄外側厚球缺型藥型罩形成的桿式射流頭部和尾部速度差以及速度梯度最大,在形成射流過程中最早產生斷裂現象,形成的射流最長,但是射流的密實性較差；中間厚外側薄球缺型藥型罩的頭部和尾部速度差同其速度梯度最小,產生斷裂的時間最晚,形成的射流長度適中；等壁厚球缺型藥型罩的頭部和尾部速度差和其產生的速度梯度適中,其產生斷裂的時間早于中間厚外側薄球缺型藥型罩,其具有的頭部速度和尾部速度是三種設計方案中最高的,而且其射流長度是最短的,三種方案的仿真對比數據如表1所示。

表1 球缺型藥型罩形成的桿式射流在0.1 ms時的主要參數表

4 結論

通過SPH方法對球缺型藥形罩形成桿式射流的過程進行數值模擬對比分析,等壁厚球缺型藥型罩形成的桿式射流速度最高,頭尾兩端速度差值最小,速度隨時間變化穩定；能形成一定長度桿式射流,射流形狀為頭尾兩端大小較為均勻的柱狀。綜上所述,等壁厚球缺型藥型罩形成的桿式射流最為穩定。