一種M型藥型罩形成環(huán)形射流的數(shù)值模擬研究

童宗保，王小春，程　劍，劉　燕，胡善寶，

劉智華，雷勇濤，胡潤娟，馮　梅

(湖南湘潭江南工業(yè)集團(tuán)有限公司，湖南 湘潭　411207)

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一種M型藥型罩形成環(huán)形射流的數(shù)值模擬研究

童宗保，王小春，程劍，劉燕，胡善寶，

劉智華，雷勇濤，胡潤娟，馮梅

(湖南湘潭江南工業(yè)集團(tuán)有限公司，湖南 湘潭411207)

摘要：對串聯(lián)戰(zhàn)斗部前級聚能裝藥開孔不大的問題開展了研究，提出了一種M型藥型罩，通過分析該藥型罩結(jié)構(gòu)設(shè)計的原理，運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA仿真軟件對該藥型罩形成環(huán)形聚能射流進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明：M型藥型罩能夠形成直徑較大的環(huán)形射流，射流持續(xù)穩(wěn)定；軍用領(lǐng)域，能夠用作串聯(lián)戰(zhàn)斗部的前級藥型罩，對靶板切割成一定孔深且孔徑大的環(huán)形孔，方便后級隨進(jìn)戰(zhàn)斗部對靶板形成充塞破壞；民用領(lǐng)域，可以對一定厚度的靶板進(jìn)行快速打孔。

關(guān)鍵詞：M型藥型罩；環(huán)形切割；大孔徑;串聯(lián)戰(zhàn)斗部

Citation format:TONG Zong-bao, WANG Xiao-chun, CHEN Jian, et al.Study on Numerical Simulation of M Shaped Charged Liner form Annular Jet[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(3):143-145.

聚能裝藥結(jié)構(gòu)主要用來侵徹和破壞某些特殊的目標(biāo)，如裝甲車、機(jī)場跑道、地下指揮所等一些典型的結(jié)構(gòu)，在軍用領(lǐng)域，其多用在兩級串聯(lián)戰(zhàn)斗部的設(shè)計當(dāng)中[1]，前級戰(zhàn)斗部首先作用，利用聚能效應(yīng)對硬目標(biāo)開孔為后級隨機(jī)戰(zhàn)斗部的侵徹開辟通道，問題的關(guān)鍵是設(shè)計前級聚能裝藥對目標(biāo)切割出一個直徑足夠大的孔；對民用領(lǐng)域，可以用來石油開采，爆炸切割等。

目前，串聯(lián)戰(zhàn)斗部中前級使用的藥型罩大部分為錐形、雙錐形、半球形、喇叭形，弧錐形等[2-6]，這些藥型罩均不能在毀傷的目標(biāo)上形成直徑足夠大的孔，不利于后級隨進(jìn)戰(zhàn)斗部的進(jìn)一步毀傷。盡管已經(jīng)有學(xué)者對環(huán)形切割進(jìn)行了研究，但藥型罩剖面還主要集中在錐形結(jié)構(gòu)上[7]，針對剖面是M型藥型罩結(jié)構(gòu)形成環(huán)形聚能射流過程、速度和孔徑大小的研究還不很多。

本研究提出了一種M型藥型罩，能夠在炸藥的爆炸作用下形成直徑足夠大的環(huán)形射流，在目標(biāo)上形成大的開孔且具有一定的孔深，用作串聯(lián)戰(zhàn)斗部前級聚能裝藥對目標(biāo)靶進(jìn)行環(huán)形切割，方便后級隨進(jìn)戰(zhàn)斗部對目標(biāo)靶形成充塞破壞，而且還可以用來對一定厚度的鋼板進(jìn)行快速打孔。本文作者以理論分析為基礎(chǔ)，通過數(shù)值模擬的方法對其形成直徑足夠大的射流進(jìn)行仿真分析。

1理論分析

圖1為M型藥型罩以及其裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計幾何模型，藥型罩的壁厚的為δ，兩邊對稱的“倒V”型罩錐角為α，兩對稱軸之間夾角為θ，兩對稱軸的交點O為炸藥的起爆點。

炸藥在O點起爆之后，就會形成球形爆轟波，當(dāng)球形波到達(dá)藥型罩的罩頂A和A′時，就會對藥型罩進(jìn)行壓垮，罩頂位置形成杵體，由于兩對稱軸在球形爆轟波的徑向，所以形成的聚能射流不會彎曲，而是兩道成直線的聚能射流。

圖1　M型藥型罩及裝藥結(jié)構(gòu)幾何模型

2數(shù)值模擬研究

2.1計算模型和算法介紹

采用LS-DYNA仿真分析軟件對M型藥型罩形成環(huán)形聚能射流的過程進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，計算模型如圖2所示。有限元計算模型包括炸藥和藥型罩，藥型罩壁厚δ為3 mm，兩邊對稱的“倒V”型罩錐角α為61°，兩對稱軸之間夾角θ為16°，計算模型采用solid162二維實體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，炸藥和藥型罩之間采用CONTACT_2D_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE接觸算法，由于藥型罩在形成射流的過程中，單元會產(chǎn)生大變形，因此要使用自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)。當(dāng)計算時間達(dá)到60 μs時，炸藥基本爆轟完畢，對射流的形成影響很小，因此可以刪除炸藥的part以及炸藥與藥型罩之間的接觸，炸藥和藥型罩均采用Lagrange算法，計算單位為cm-g-μs。

圖2　計算模型

2.2材料模型和狀態(tài)方程

炸藥選用PBX9010炸藥，采用高能炸藥模型(HIGH_EXPLOSIVE_BURN)和JWL狀態(tài)方程進(jìn)行描述，相關(guān)參數(shù)[8]見表1所示，JWL狀態(tài)方程精確的描述了在爆炸驅(qū)動過程中，爆轟氣體產(chǎn)物的壓力、體積、能量的特征，JWL狀態(tài)方程的表達(dá)式為

(1)

式(1)中：P是等熵壓力；V是爆轟產(chǎn)物的相對體積；A、B、R1、R2、ω為輸入的參數(shù)；E為體積內(nèi)能。

表1　炸藥材料模型和狀態(tài)方程參數(shù)

藥型罩材料為銅，選用適用于大變形的Johnson-Cook材料本構(gòu)模型，采用Gruneisen狀態(tài)方程來描述。其本構(gòu)模型為

(2)

式(2)中：σeq是等效應(yīng)力；A是屈服應(yīng)力；B是應(yīng)變硬化系數(shù)；N是應(yīng)變硬化指數(shù)；M是溫度相關(guān)系數(shù)；ε*是無量綱塑性比，ε*=εeq/ε0；εeq為等效塑性應(yīng)變；ε0為參考塑性應(yīng)變，一般取ε0為1s-1；T*為無量綱溫度，T*=(T-Tr)/(TM-Tr)；T為當(dāng)前溫度；Tr為室溫；TM為熔點溫度，當(dāng)溫度T到達(dá)融化溫度TM時，屈服應(yīng)力為零。

Gruneisen狀態(tài)方程的具體表達(dá)式在壓縮狀態(tài)下，即μ>0：

(3)

在膨脹狀態(tài)下，即μ<0:

(4)

表2　藥型罩材料模型和狀態(tài)方程參數(shù)

3數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1聚能射流形成分析

通過數(shù)值模擬的方法可以看到M型藥型罩形成聚能射流的全過程，一些典型時刻的結(jié)果如圖3所示。

圖3(a)為M型藥型罩形成環(huán)形聚能射流的初始狀態(tài)；圖3(b)為炸藥爆轟46 μs后，爆轟波剛傳播到M型藥型罩的頂端，與藥型罩剛接觸，接下來爆轟波開始壓垮藥型罩；圖3(c)為炸藥爆轟60 μs后，炸藥爆轟基本完成，此時炸藥對射流的影響很小，可以刪除炸藥的part以及炸藥與藥型罩之間的接觸；圖3(d)為M型藥型罩在爆轟波壓垮的作用下，杵體開始形成；圖3(e)為藥型罩閉合為射流的自由運(yùn)動，由于速度梯度的存在，聚能射流在運(yùn)動中逐漸拉伸；圖3(f)表示M型藥型罩在爆轟波的驅(qū)動下能夠形成細(xì)長而且穩(wěn)定的射流。

圖3　聚能射流形成過程

3.2聚能射流速度分析

在聚能射流頭部選取編號為6581的節(jié)點，通過后處理軟件觀看其速度隨時間變化曲線，結(jié)果如圖4所示。

圖4　時間-速度曲線

根據(jù)圖4分析可知：總體來說，M型藥型罩在炸藥爆轟的驅(qū)動作用下形成的射流速度不高，達(dá)不到錐形罩的射流速度。約125 μs時刻，射流速度達(dá)到最大值，約為3 300 m/s，之后逐漸衰減。射流速度不高的原因可能跟裝藥結(jié)構(gòu)和藥型罩的材料有關(guān)，接下來的工作是對裝藥結(jié)構(gòu)和藥型罩材料進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，提高射流的速度。

3.3形成環(huán)形射流孔徑分析

圖5為環(huán)形聚能射流頭部的局部放大圖，通過后處理軟件可以測量射流頭部兩點之間的距離，即為環(huán)形射流的孔徑大小。

圖5　環(huán)形射流孔徑

由圖5分析可知，該M型藥型罩形成的環(huán)形聚能射流的孔徑為184 mm，孔徑很大，說明該藥型罩可以用作串聯(lián)戰(zhàn)斗部的前級藥型罩，碰靶瞬間前級裝藥起爆，爆轟波壓垮M型藥型罩，形成的環(huán)形射流可以對目標(biāo)靶進(jìn)行環(huán)形切割，在目標(biāo)靶上形成一個具有一定深度且孔徑很大的環(huán)形孔，該孔徑大于現(xiàn)在很多反坦克導(dǎo)彈和反艦導(dǎo)彈后級隨進(jìn)戰(zhàn)斗部的口徑[10]，可以方便后級隨進(jìn)戰(zhàn)斗部對其形成充塞破壞，進(jìn)而對內(nèi)部目標(biāo)毀傷。

4結(jié)論

本研究針對一種新型的M型藥型罩形成聚能射流的過程進(jìn)行了數(shù)值模擬仿真分析，得出了以下結(jié)論：

1) 該M型的藥型罩在炸藥爆轟的驅(qū)動下被壓垮，能夠形成細(xì)長而且穩(wěn)定的射流。

2) 可能由于裝藥結(jié)構(gòu)和藥型罩材料的影響，導(dǎo)致該M型藥型罩形成的聚能射流頭部速度不高。接下來的工作將對裝藥結(jié)構(gòu)和藥型罩的材料進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，提高聚能射流速度并且開展試驗研究，通過試驗驗證該藥型罩設(shè)計的合理性以及侵徹毀傷金屬靶板的威力。

3) 該藥型罩形成的環(huán)形射流孔徑為184 mm，大于目前大部分的反坦克導(dǎo)彈和反艦導(dǎo)彈的后級隨進(jìn)戰(zhàn)斗部的外徑，可以用作串聯(lián)戰(zhàn)斗部的前級藥型罩，在目標(biāo)靶上形成一定的外徑深度且直徑較大環(huán)形孔，方便后級隨進(jìn)戰(zhàn)斗部對目標(biāo)靶形成充塞破壞。

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(責(zé)任編輯唐定國)

Study on Numerical Simulation of M Shaped Charged Liner form Annular Jet

TONG Zong-bao, WANG Xiao-chun, CHEN Jian, LIU Yan, HU Shan-bao,LIU Zhi-hua, LEI Yong-tao, HU Run-juan, FENG Mei

(Hunan Xiangtan Jiangnan Industry Group Co., Ltd., Xiangtan 411207, China)

Abstract:The problem that the precursory shaped charge in the tandem warhead cannot form big hole was studied. We presented a new shaped charge liner of M and the design principle of its structure was analyzed, and numerial simulated the process of this shaped charge liner form annular jet with the ANSYS/LS-DYNA software. The result shows that M shaped charge liner can form annular jet with big hole and the jet is sustained and steady. In military fields, it can be used as a tandem warhead of pre-shaped charge liner and can be cut into the target with a depth and large circular hole which can convenient make the stage warhead to destroy the target with plug. In civil field, it can fastly drill in the target with a certain thickness.

Key words:M shaped charger liner；annular cut；big hole；tandem warhead

文章編號：1006-0707(2016)03-0143-04

中圖分類號：TJ41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.03.034

作者簡介：童宗保(1988—)，男，助理工程師，主要從事戰(zhàn)斗部設(shè)計研究。

收稿日期：2015-08-31；修回日期：2015-09-15

本文引用格式：童宗保，王小春，程劍，等.一種M型藥型罩形成環(huán)形射流的數(shù)值模擬研究[J].兵器裝備工程學(xué)報，2016(3):143-145.

【機(jī)械制造與檢測技術(shù)】