雙層藥型罩結構參數對其射流影響的重要度分析

李帥孝，邢存震，徐鶴峰，潘慧瑩

（1.陸軍裝備部駐沈陽地區軍事代表局駐沈陽地區第二軍事代表室，遼寧 沈陽 110004；2.遼沈工業集團有限公司，遼寧 沈陽 110045）

0 引言

傳統藥型罩基本上都是單層的[1]，能量利用率不高[2]，其原因是炸藥爆炸后只有小部分金屬形成了射流，其余大部分的金屬都形成了杵體[3]。為了提高彈藥的作戰能力，許多研究者提出雙層藥型罩的理念，雙層藥型罩所形成的射流頭部速度不但明顯提高，射流性能也有改善，而且還能夠大大提高藥型罩的利用率。因此雙層復合藥型罩已成為國內外的研究的熱點[4]。雙層復合藥型罩是一種新型的聚能裝藥結構，也是近幾十年才發展起來，由于其利用率高且制作簡單，所以各國在積極地深入研究。如，英國開發研究的雙層復合藥型罩的爆炸成型彈丸，內罩用等離子濺射法使外層帶有高密度的金屬，外罩是由低密度的金屬形成[5]。實驗結果分析，使用這種方法得到的藥型罩形成的射流侵徹能力顯著提高并且方向性良好。以色列學者在制備雙層藥型罩的過程中使用爆炸焊接技術，并對錐角小的雙層藥型罩進行試驗仿真[6]。減濤成對多層藥型罩的形成射流的過程進行了研究和分析[7]，且使用X 射光技術分析了銅-鋁雙層藥型罩的射流的形成過程，從中得知雙層藥型罩的結構形成的射流可以獲得較高的頭部速度[8]。鄭宇[9]就雙層藥型罩裝藥結構進行了分析，確定藥型罩的厚度比對射流的成型有較大影響，在藥型罩的質量不變的情況下，改變藥型罩的內外罩的材料，分析了它們的射流形成及侵徹等問題。雙層復合藥型罩相比于單層藥型罩的優勢不僅在于雙層藥型罩的利用率高且節省資源，而且雙層藥型罩形成射流的性能優于傳統的單層藥型罩，就不同因素對雙層藥型罩形成射流性能影響的重要度進行分析。

1 結構設計及材料參數

雙層復合藥型罩的聚能裝藥幾何結構如圖1 所示，藥型罩外罩為鋁，內罩為銅，裝藥高度為50 mm，錐角為60°，藥型罩的長度為40 mm，壁厚為1.5 mm，內外罩壁厚等比例建模。

圖1 幾何結構

數值模擬的模型由內、外藥型罩、空氣域、B 炸藥等組成，內藥型罩主要形成射流，外藥型罩主要形成杵體，B 炸藥采用高能炸藥材料模型，其狀態方程用以計算爆轟產物的壓力，方程為：

式中：ρ0為炸藥初始密度；ρ為產物密度；e為內能；E為是炸藥單位體積中的內能；A= 524.2 GPa；B=7.678 GPa；R1= 4.2；R2= 1.1；ω= 0.34。

其中，B炸藥的爆速為7980 m/s，爆壓為2.95 ×107kPa，其余材料直接從AUTODYN 的材料數據庫中選擇，見表1。

表1 材料參數

2 數值模擬

2.1 有限元模型建立

采用Autodyn 中2D 建模，內外藥型罩、空氣及炸藥均采用歐拉算法，聚能裝藥在中心單點起爆，簡化為軸對稱模型如圖2 所示，采用mm-mg-ms 單位制。

圖2 雙層藥型罩有限元模型

2.2 射流形成過程

當炸藥裝藥起爆后，爆轟波傳到金屬藥型罩的頂端時，產生的產物將會以強大的壓力沖量沖擊金屬藥型罩頂端，金屬藥型罩就會產生巨大的變形。理論和實驗都表明，金屬藥型罩內表面的壓垮速度小于合成速度，就形成射流；如果藥型罩罩外的壓垮速度大于罩外表面的合成速度，就會形成杵體，射流形成過程如圖3 所示。

圖3 射流形成過程

2.3 正交優化方案設計

影響藥型罩射流的因素有很多，除了外界因素，藥型罩自身的結構參數也會對射流的速度和狀態有不同程度的影響，裝藥高度、藥型罩的錐角及壁厚是影響雙層藥型罩形成射流性能的重要參數，將探討上述因素對射流性能影響的重要度排序。將藥型罩錐角α、壁厚n、藥型罩裝藥高度h分別作為變量進行數值模擬，每個因素設置三個水平，各個因素的水平取值見表2。采用數值模擬思路對文獻[10]中工況2 的模型進行仿真計算并與其試驗結果相比較，工況2 的試驗結果為內罩速度為2486 m/s，通過數值模擬思路仿真計算出其內罩速度為2410 m/s，數值模擬結果與試驗結果誤差不超過4%，證明了數值模擬的準確性，且設計的正交實驗中不考慮交互作用的影響。

表2 正交優化各因素水平

2.4 構造正交設計表

根據金屬射流侵徹的原理，現將頭部速度作為考量指標，根據三因素三水平正交表，將各組組合的不同參數進行數值模擬，計算結果見表3，水平正交分析表見表4。

表3 水平正交結果

表4 水平正交分析

由表4 的水平正交分析表數據可知：在射流頭部速度為指標中，因素壁厚的極差為最大，說明雙層藥型罩的壁厚是射流頭部速度重大的影響因素，它為主要因素；因素錐角的極差值最小，說明其對雙層藥型罩的射流頭部速度影響最小，根據極差分析法可知，這3 個因素從大到小重要程度排序為：壁厚n﹥裝藥高度h﹥錐角α。以及在上述的九組實驗數據可得出的最優組合是A1B1C3，也就是錐角為50°、壁厚為2 mm、裝藥高度為75 mm。將最優組合的結構參數的雙層藥型罩進行數值模擬，射流的速度梯度如圖4所示，從圖4 中可以看出，正交設計優化后的結構參數形成射流的頭部速度為5004 m/s。

圖4 優化后的射流速度梯度

3 結語

設計了一種雙層復合藥型罩結構，采用有限元AUTODYN 軟件對其形成射流進行數值模擬，通過正交設計出九種試驗方案，分別進行仿真分析，將射流的頭部速度為參考指標，采用極差分析方法，得出不同因素對雙層藥型罩影響的重要程度，其中藥型罩壁厚對雙層藥型罩的影響最大，裝藥高度次之，藥型罩錐角影響較小。

通過正交設計優化后的結構參數為：外罩為鋁，內罩為銅，壁厚為2 mm，錐角50°，裝藥高度為75 mm，將此參數的結構進行數值模擬，其射流的頭部速度最優。