F裝藥雙層藥型罩射流性能的數(shù)值研究＊

魯修國，梁增友

（中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051）

0 引言

裝甲防護(hù)技術(shù)的發(fā)展不斷對聚能裝藥結(jié)構(gòu)提出新的要求，成型裝藥的研究日益得到重視。為了提高聚能裝藥的威力，人們對裝藥、爆轟波形、藥型罩材料以及藥型罩結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了大量研究，提出了雙錐形藥型罩［1］、空心裝藥藥型罩［2］、分離式藥型罩［3］、環(huán)錐式藥型罩［4］、W形藥型罩［5］等新型藥型罩結(jié)構(gòu)并作了相應(yīng)的研究與試驗(yàn)。而針對與分離式裝藥類似的F裝藥［6］條件下的雙層藥型罩射流的研究報(bào)道較少，目前公開發(fā)表的資料中，僅有試驗(yàn)結(jié)果，沒有設(shè)計(jì)思想、原理以及方法方面的內(nèi)容。

文中以雙層等壁厚錐形藥型罩為研究對象，在簡述F裝藥結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用LS－DYNA有限元計(jì)算程序作為研究工具，對F裝藥條件下的雙層藥型罩射流形成過程進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，探討了不同外罩材料及雙層罩間隙對射流特性參數(shù)的影響，可以為成型裝藥研究提供一種新的選擇。

1 F裝藥雙層藥型罩結(jié)構(gòu)描述

F裝藥條件下的雙層藥型罩是使雙層藥型罩的內(nèi)外兩層間產(chǎn)生一定的間距，即兩罩間存在一個(gè)空氣層，如圖1所示，相當(dāng)于在炸藥與內(nèi)罩材料間加入了兩層介質(zhì)。

裝藥起爆后，爆轟以其爆速由罩頂向下傳播，炸藥能量傳遞給外罩，整個(gè)傳遞過程也是由罩頂向下依次進(jìn)行的，這種劇烈的爆轟過程驅(qū)動(dòng)外罩和內(nèi)罩向軸線運(yùn)動(dòng)。由于外罩向內(nèi)壓垮的初速度要比內(nèi)罩的大，結(jié)果外罩追上內(nèi)罩的相應(yīng)部分并發(fā)生高速碰撞，從而提高內(nèi)罩的壓垮速度，根據(jù)射流成型理論和破甲理論可知，內(nèi)層金屬的壓垮速度提高會(huì)導(dǎo)致射流頭部速度增大，最終提高破甲能力。

圖1 F裝藥結(jié)構(gòu)簡圖

2 計(jì)算模型及材料模型

2.1 計(jì)算模型

為簡化計(jì)算，計(jì)算模型中不考慮殼體，僅包括內(nèi)、外層藥型罩、炸藥、空氣四部分，采用多物質(zhì)ALE格式來模擬炸藥的爆轟和藥型罩的壓垮及射流的形成過程，且空氣范圍足以覆蓋爆轟產(chǎn)物和射流流動(dòng)的空間。網(wǎng)格單元選用Solid164八節(jié)點(diǎn)六面體單元。由于此雙層藥型罩是對稱結(jié)構(gòu)，因此只建立1／4三維模型進(jìn)行計(jì)算，并在模型的邊界節(jié)點(diǎn)上施加壓力流出邊界條件，避免壓力在邊界上的反射。

圖2為計(jì)算中所用的有限元模型。其中，裝藥直徑為42 mm，內(nèi)、外罩壁厚均為1 mm，兩罩間隙取1 mm、2 mm、3 mm，錐角α為60°。計(jì)算采用c m－g－μs單位制。

圖2 F裝藥有限元模型

2.2 材料模型

文中算例中，內(nèi)罩材料采用紫銅。外罩材料選擇2024鋁、工業(yè)純鐵、紫銅、鎢。所有金屬材料都采用JOHNSON－COOK材料模型和GRUNEISEN狀態(tài)方程，其材料參數(shù)見表1。炸藥為8701炸藥，選用HIGH＿EXPLOSIVE＿BURN材料模型和J WL狀態(tài)方程來描述?？諝獠捎每瘴镔|(zhì)材料（NULL）描述，對應(yīng)的狀態(tài)方程為多線性狀態(tài)方程。炸藥與空氣的材料參數(shù)具體參見文獻(xiàn)［7］。

表1 金屬材料參數(shù)

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 F裝藥雙層藥型罩射流形成過程

如圖3所示為爆轟載荷下F裝藥鋁銅雙層藥型罩間隙為1 mm時(shí)射流的形成過程，從模擬結(jié)果可以清楚地看出雙層藥型罩射流壓跨、射流形成和延展的過程。

圖3 間距1 mm時(shí)雙層藥型罩形成射流的仿真圖像

由圖3可知，外層罩（靠近炸藥）沒有成為射流，只是成了杵體的一部分，射流由密度較高、延展性較好的內(nèi)層金屬構(gòu)成。這與普通裝藥即雙層藥型罩之間無間隙時(shí)形成射流過程類似。

3.2 相同間隙時(shí)外罩材料對射流特性的影響

其它條件不變，只改變外罩材料，分別對2024鋁、工業(yè)純鐵、紫銅、鎢作外罩的情況進(jìn)行了模擬。圖4和圖5示出了兩罩間隙為1 mm時(shí)不同外罩材料形成射流的情況。

圖4 射流頭部速度時(shí)間歷程比較

圖5 射流速度梯度分布比較

圖4 為不同外罩材料下射流頭部速度時(shí)間歷程對比，圖5為t＝40μs時(shí)射流速度梯度分布結(jié)果對比。圖中，νh為射流頭部速度，νj為射流速度，L為軸向位置。

由圖4可知，當(dāng)內(nèi)外罩間隙一定時(shí)，不同的外罩材料對雙層藥型罩形成射流有一定的影響，外罩為紫銅時(shí)退化為帶有空氣間隙的單金屬罩，射流頭部在16μs時(shí)達(dá)到最大值5487 m／s，與其相比，鋁合金作為外罩時(shí)，射流頭部在20μs時(shí)達(dá)到最大值6285 m／s，速度最大提高了14.5%。純鐵作為外罩時(shí)射流頭部速度最大提高了1.8%。而鎢作為外罩時(shí)射流頭部速度明顯降低。

由圖5可以看出，雙層藥型罩形成射流并處于穩(wěn)定拉伸階段時(shí)，雙層罩質(zhì)材料尾部（杵體部分）相對速度恒定，前部（射流部分）大致為線性遞增，這與PER理論相吻合。另一方面，由于鋁合金的密度相比純鐵和紫銅較小，雙層罩質(zhì)材料形成射流的杵體部分主要是外罩材料，因而鋁銅雙層罩射流的杵體部分速度要大于以純鐵或紫銅為外罩的射流杵體速度，這在一定程度上有助于增加射流的穩(wěn)定性。

3.3 不同間隙對雙層罩射流特性的影響

對于F裝藥條件下的雙層藥型罩，內(nèi)、外罩間的間距必然對其射流的形成有一定影響。仿真時(shí)分別對兩罩間隙取1 mm、2 mm、3 mm進(jìn)行了計(jì)算，對采用相同內(nèi)外罩組合的雙層罩射流進(jìn)行了比較。表2示出了t＝50μs時(shí)不同間隙條件、不同材料組合方式下的雙層藥型罩形成射流的性能參數(shù)。表中，νh為射流頭部速度，νt為杵體尾部速度，l為射流長度。

表2 t＝50μs時(shí)射流性能參數(shù)表

由表2可以看出，當(dāng)組成雙層罩的內(nèi)外罩間隙一定時(shí)，低密度的鋁作外層罩時(shí)有更高的射流頭部速度和杵體尾部速度，可以預(yù)見其射流侵徹結(jié)果將優(yōu)于鐵-銅、銅 銅及鎢-銅雙層罩射流。另一方面，隨著內(nèi)外罩間隙逐漸增大，低密度外罩材料的雙層罩射流頭部速度有所降低，杵體速度增加，而高密度外罩材料的雙層罩射流的頭部速度則隨著雙層罩間隙的增大而增加，杵體速度也在增加，且外罩材料密度越大，其射流速度隨罩間距變化變動(dòng)越大。表明：外罩密度大于內(nèi)罩密度或與內(nèi)罩密度相差不大時(shí)，雙罩間距越大，外罩向內(nèi)壓垮的速度越大，與內(nèi)罩碰撞前能充分加速，最終導(dǎo)致對內(nèi)罩的碰撞速度增大，從而增加射流頭部速度。

為了進(jìn)一步研究F裝藥雙層藥型罩射流特點(diǎn)，對無間隙（0 mm）雙層罩射流也進(jìn)行了模擬。表3為t＝50μs時(shí)無間隙條件下不同材料組合方式的雙層藥型罩形成射流的性能參數(shù)。

表3 t＝50μs時(shí)射流性能參數(shù)表

對比表2和表3發(fā)現(xiàn)，低密度外罩材料的無間隙雙層藥型罩射流性能優(yōu)于有小間隙的F裝藥射流，而高密度外罩材料在內(nèi)外罩間隙較大時(shí)，其射流性能優(yōu)于無間隙時(shí)的射流。分析原因在于無間隙雙層藥型罩在爆轟作用下，透射過外層罩的爆轟波壓力直接作用于內(nèi)層罩，在雙層罩材料滿足阻抗分配原則［8］時(shí)，合適的外罩材料可以增大爆轟波透射壓力，從而增大了內(nèi)層罩的壓垮速度；在雙層罩材料不滿足阻抗分配原則時(shí)，適當(dāng)調(diào)整雙層罩間的間隙，形成F裝藥，高密度外罩材料在強(qiáng)爆轟作用下充分加速，獲得較大的比動(dòng)能，與內(nèi)層罩的高速碰撞提高了內(nèi)層罩壓垮速度，從而提高了射流速度。另一方面，根據(jù)爆炸應(yīng)力波在介質(zhì)中的反射透射作用原理，應(yīng)力波通過空氣材料后，其強(qiáng)度降低，從而減弱應(yīng)力波對空氣層后面材料或物體的作用，同時(shí)，外層罩壓垮變形后，中間的空氣層不再是完全的封閉區(qū)，而是被壓縮并與外界連通，稀疏波在極短的時(shí)間內(nèi)傳入兩層罩的間隙，由于中間空氣層的衰減緩沖吸能作用，使透射過外層罩的爆炸壓力作用于內(nèi)層罩上的壓力減小，導(dǎo)致外層罩與內(nèi)層罩的高速碰撞成為內(nèi)層罩壓垮的主要?jiǎng)恿?，在兩層罩的間隙較小時(shí)，外層罩不能充分加速，這在一定程度上使內(nèi)層罩形成射流的速度較無間隙雙層藥型罩射流速度低。

研究表明，在F裝藥條件下，雙層罩罩質(zhì)材料的杵體部分的速度高于無間隙雙層罩罩質(zhì)材料的杵體部分，這在小錐角條件下，能更好的保證其射流的穩(wěn)定性，且在延展過程中不易斷裂，同時(shí)，適當(dāng)調(diào)整雙層罩間隙的大小與罩質(zhì)材料，可以產(chǎn)生性能較無間隙雙層罩更優(yōu)的射流。

4 結(jié)論

通過對F裝藥條件下，雙層藥型罩以不同外罩材料及雙層罩間隙的組合形式形成射流過程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到的主要結(jié)論有：

1）F裝藥雙層藥型罩在爆轟載荷下能夠形成射流，且射流形成過程與普通無間隙裝藥雙層藥型罩類似。

2）F裝藥條件下，不同的外罩材料對雙層藥型罩射流特性有顯著影響。在內(nèi)外罩組合材料不變時(shí)，改變內(nèi)外罩間距對射流的速度略有影響，合理的間距能改善射流的速度和延展性。

3）F裝藥雙層藥型罩射流比無間隙雙層罩有更高的杵體速度，其穩(wěn)定性也得到了提高，不易拉斷。

4）由于本數(shù)值研究僅為探索性的，在此基礎(chǔ)上應(yīng)進(jìn)一步深入研究，從理論上展開F裝藥機(jī)理的研究與論證，并對不同內(nèi)外罩厚度比、不同炸藥選擇、不同起爆方式等裝藥特性影響進(jìn)行模擬計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證，為F裝藥雙層藥型罩提供實(shí)踐和理論支持。

［1］ Walters W P，Zukas J A.Fundamentals of shaped charges［M］.New Yor k ：Wiley Interscience，1989：267－275.

［2］ 周天勝.串聯(lián)聚能裝藥戰(zhàn)斗部技術(shù)綜述［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，1997，17（1）：61－65.

［3］ Fred I，Stanley G，G olaski K.Hydrocode computational and experi mental investigations of explosive staged shaped charge devices，AD－A109714［R］.1981.

［4］ 董永香，陳國光，辛長范，等.一種新型裝藥結(jié)構(gòu)的探討［J］.華北工學(xué)院學(xué)報(bào)，1999（3）：17－21.

［5］ 王成，寧建國，盧捷.環(huán)形射流形成及侵徹的數(shù)值方法研究［J］.北京大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2003，39（3）：316－321

［6］ 羅鍵，楊光.聚能裝藥新技術(shù)［C］／／中國宇航無人飛行器學(xué)會(huì)戰(zhàn)斗部與毀傷效率專業(yè)委員會(huì)第七屆學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，中國兵器工業(yè)第204研究所，2001：133－136.

［7］ 時(shí)尚勇，李裕春，張勝民.基于 ANSYS／LS－DYNA8.1進(jìn)行顯示動(dòng)力學(xué)分析［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

［8］ 鄭宇，王曉鳴，李文彬.雙層藥型罩侵徹半無限靶板的數(shù)值仿真研究［J］.南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，32（3）：313－317.