不同爆轟波形對串聯(lián)聚能射流影響的數(shù)值模擬?

閆玉鳳,陳智剛,周迪鋒,魯修國

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,山西 太原 030051）

0 引 言

聚能裝藥作為一種產(chǎn)生高能量密度的技術(shù),在軍事領(lǐng)域和民用領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用,特別是在軍事領(lǐng)域.近年來,隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展,各種軍事目標(biāo)的防護(hù)和抗打擊能力不斷提高,用傳統(tǒng)的穿、破甲彈藥摧毀目標(biāo)的困難越來越大,這就對射流性能提出了更高的要求.針對上述問題,本文提出了一種新型的裝藥結(jié)構(gòu),即雙級串聯(lián)藥型罩.通過對此藥型罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來研究其射流成形及增效機(jī)理,從而達(dá)到大幅度提高穩(wěn)定生成且相互加強(qiáng)的呈同軸分布的金屬射流量的目的.金屬射流在運(yùn)動(dòng)過程中,經(jīng)連續(xù)拉長后,能夠顯著提高穿深,并提高效費(fèi)比,具有極其重要的理論和工程應(yīng)用價(jià)值.

1 串聯(lián)裝藥結(jié)構(gòu)描述

本文所述的新型串聯(lián)聚能藥型罩方案如圖1所示.

它是在傳統(tǒng)聚能裝藥射流穩(wěn)定技術(shù)的基礎(chǔ)上拓展引伸的一種裝藥結(jié)構(gòu),用于增大穿深或破孔孔徑.本結(jié)構(gòu)基于同軸射流這一思路,當(dāng)后級裝藥爆炸壓垮藥型罩形成金屬射流時(shí),由于其屬小錐角藥型罩,頭部速度較高迅速通過兩級裝藥結(jié)合部的圓柱形通道,此時(shí)前級炸藥被引爆,爆轟產(chǎn)物推動(dòng)藥形罩向軸線方向運(yùn)動(dòng),形成的金屬射流在藥型罩軸線方向與后級射流發(fā)生匯聚,進(jìn)一步加大金屬射流的長度及破孔直徑,并保持金屬射流的穩(wěn)定性,實(shí)現(xiàn)了對目標(biāo)的接力侵徹.兩級間為與藥型罩材料相同的隔板.

2 計(jì)算模型及材料模型

圖1 串聯(lián)成型裝藥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diag ram of tandem shaped charge jet structu re

2.1 計(jì)算模型

本文采用多物質(zhì) ALE[1]方法和運(yùn)動(dòng)網(wǎng)格法來進(jìn)行模擬.因?yàn)榫勰苎b藥作用過程是一種包括裝藥爆炸、藥型罩壓垮、射流形成及拉伸等多物質(zhì)相互作用的大變形運(yùn)動(dòng),所以用 Lagrange[2]方法難以準(zhǔn)確模擬.為了減少計(jì)算量,本文中全部采用 1/4模型進(jìn)行數(shù)值模擬,有限元模型采用 Truegrid前處理軟件建立,為了使沖擊波在模型外表面不產(chǎn)生反射,在計(jì)算模型中空氣介質(zhì)外表面施加透射壓力邊射條件.

2.2 材料模型

數(shù)值模擬中,炸藥采用狀態(tài)方程來描述爆轟產(chǎn)物的壓力-體積能量特性,其形式如式 (1)所示[3]

式中:p——壓力;

E——單位體積內(nèi)能;

V——比容(單位體積裝藥產(chǎn)生的爆轟產(chǎn)物的體積);

狀態(tài)方程中的系數(shù) A′,B′,R1,R2,k為描述 JW L方程必須的 5個(gè)獨(dú)立物理常數(shù).

使用 Johnson-Cook材料模型與 Gruneison狀態(tài)方程合用定義藥型罩材料,采用具有高延展率的金屬材料紫銅,其材料參數(shù)[4]見表1.

采用 8701炸藥,其主要參數(shù)分別是[5]:炸藥密度為 1.787 g/cm3,爆速為 7.98 km/s,CJ壓力為29.5 GPa.表2給出了 8701炸藥 JW L狀態(tài)方程的主要參數(shù).

表1 紫銅藥型罩材料參數(shù) T meh(k)Tab.1 Material parameters forw ith line

表2 8701炸藥 JW L狀態(tài)方程參數(shù)表Tab.2 JW L equation of state param eters for ex plosives

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 不同起爆方式下聚能射流形成的理論分析

點(diǎn)起爆方式與正向環(huán)形起爆方式下所產(chǎn)生的爆轟波形和藥型罩表面母線所成的夾角如圖2所示,正向環(huán)形起爆對應(yīng)的夾角為U1,點(diǎn)起爆對應(yīng)的夾角為U2.從圖2所示U1＜U2,由此可知,正向環(huán)形起爆所形成的爆轟波形與藥型罩外表面更為貼近,罩微元獲得的爆轟載荷大,壓垮速度也大,因而產(chǎn)生的射流速度大.另外,正向環(huán)形起爆所產(chǎn)生的軸對稱爆轟波在裝藥軸線處發(fā)生碰撞,根據(jù) B.Dunne所提出的爆轟波碰撞模型[6],此時(shí)將在爆轟波碰撞處形成高壓區(qū),也有利于提高射流的速度.隨著起爆直徑的增加,爆轟時(shí)的壓垮角小,有利于形成高速射流,隨著起爆直徑的增加,爆轟波形與藥型罩母線的夾角也逐漸減小,對藥型罩的作用力逐漸增大,藥型罩微元的壓垮速度逐漸增大,導(dǎo)致射流速度越來越大.

圖2 爆轟波形與藥型罩母線夾角示意圖Fig.2 Diag ram of angular section betw een detonation w ave and generatrix of outside liner

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

圖3為不同起爆方式下 t=2μs,4μs,6μs,8μs時(shí)的爆轟波波形.圖3中可以看到:逆向環(huán)形起爆產(chǎn)生倒置的凹錐形爆轟波.正向環(huán)形起爆后,產(chǎn)生軸對稱收斂的喇叭形[7]爆轟波;中心點(diǎn)起爆后,波陣面呈球面;根據(jù)理論分析表明,通過起爆方式可以來控制裝藥中的爆轟波形,不同的爆轟波形導(dǎo)致藥型罩上的爆轟載荷分布規(guī)律和藥型罩的壓垮變形趨勢不同,最終導(dǎo)致射流性能產(chǎn)生差異.

從表3可知,逆向環(huán)形起爆形成的射流頭部速度最高,正向環(huán)形起爆高于點(diǎn)起爆.理論與模擬結(jié)果都表明:作用于藥型罩表面的初始壓力與爆轟波陣面和罩表面母線的夾角U有很大關(guān)系,U角減小,作用于罩內(nèi)的爆轟載荷將會(huì)增加,從而使罩微元的壓垮速度增加,導(dǎo)致射流速度增大.逆向環(huán)形起爆時(shí)其爆轟波從裝藥底端向上傳播,使藥型罩從底部開始被壓垮,藥型罩各微元的壓垮角比正向起爆時(shí)的壓垮角小[8],因而形成了高速的射流.t=22μs時(shí)所形成的速度分布和速度云圖如圖4,圖5所示.

圖3 不同起爆方式下的爆轟波形Fig.3 Detonationwaveforms under differen t initiation ways

表3 t=22μs時(shí)各種起爆方式下所對應(yīng)的射流速度Tab.3 Speed of shaped charge jet under different initiation w ays at t=22μs

圖4 t=22μs時(shí)的射流長度與速度的關(guān)系Fig.4 The relation curves of jet leng th and velocity at 22μs

圖5 t=22μs時(shí)速度云圖Fig.5 Velocity nephogram at 22μs

4 結(jié) 論

1)應(yīng)用 LS-DYNA3D數(shù)值仿真軟件模擬了主裝藥在中心點(diǎn)起爆、正向環(huán)形起爆和逆向環(huán)形起爆等不同方式下射流的形成過程,通過對比其爆轟波形可看出:正向環(huán)形起爆形成的凹錐形爆轟波具有聚心效果;中心點(diǎn)起爆形成的球面爆轟波具有散心效應(yīng).

2)逆向環(huán)形起爆形成高速細(xì)長的射流.當(dāng)采用上薄下厚的藥型罩和裝藥外殼時(shí),針對其爆轟波傳播機(jī)理,可以極大地改善射流性能.從而延長射流斷裂的時(shí)間.

3)在相同裝藥及藥型罩結(jié)構(gòu)下,起爆方式對聚能射流的形成有及其重要的影響.通過起爆方式來控制裝藥中的爆轟波形,可以決定藥型罩上的爆轟載荷分布規(guī)律和藥型罩的壓垮變形趨勢.

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