輔助藥型罩材料對(duì)超聚能射流性能影響的數(shù)值模擬

石軍磊，劉迎彬，胡曉艷，張旭光

(中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原 030051)

輔助藥型罩材料對(duì)超聚能射流性能影響的數(shù)值模擬

石軍磊，劉迎彬，胡曉艷，張旭光

(中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原 030051)

為了研究超聚能射流形成過(guò)程中輔助藥型罩材料對(duì)射流性能的影響，利用AUTODYN-2D軟件，采用高精度多物質(zhì)求解器Euler-2D Multi-material對(duì)輔助藥型罩材料分別為Wu、Cu、Fe，錐形藥型罩材料為Al的截頂輔助藥型罩超聚能裝藥進(jìn)行模擬。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)聚能裝藥相比，超聚能裝藥結(jié)構(gòu)形成的射流性能更優(yōu)。輔助藥型罩材料密度越大，超聚能射流形態(tài)和連續(xù)性越好；超聚能射流具有更高的頭部速度和能量。用Wu、Cu、Fe作輔助藥型罩材料時(shí)，超聚能射流的最大速度分別為14400、13300和13100m/s，最大能量分別為10.2×107、8.5×107、7.5×107J/kg，并且材料密度越大，起爆后相同時(shí)刻的射流形態(tài)越細(xì)越長(zhǎng)。

AUTODYN；超聚能射流；輔助藥型罩；數(shù)值模擬

引 言

在反裝甲聚能裝藥戰(zhàn)斗部中，聚能金屬射流得到了廣泛應(yīng)用。隨著裝甲防護(hù)系統(tǒng)的不斷改進(jìn)，裝甲防護(hù)能力逐漸提升，聚能射流的侵徹能力也需要進(jìn)一步提高。近年來(lái)，研究人員分別從藥型罩材料成分配比、含能材料藥型罩和裝藥結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了研究，研制出更具侵徹能力的聚能裝藥戰(zhàn)斗部[1-2]。

俄羅斯V.F.Minin等[3]對(duì)截頂加輔助藥型罩裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，超聚能裝藥形成的射流與傳統(tǒng)射流相比具有更高的速度和穿深能力。王淦龍[4]以截頂輔助藥型罩為研究對(duì)象，結(jié)合數(shù)值模擬方法對(duì)裝藥結(jié)構(gòu)在不同裝藥長(zhǎng)徑比、藥型罩錐角和不同輔助藥型罩厚度下形成的超聚能射流的速度和能量進(jìn)行了分析。王成等[5]對(duì)截頂加錐形鈦合金輔助藥型罩超聚能裝藥進(jìn)行了研究，得出該裝藥結(jié)構(gòu)可以明顯提高聚能射流的整體速度和有效質(zhì)量分?jǐn)?shù)的結(jié)論。李慶鑫等[6]對(duì)“蘑菇形”超聚能裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明選用銅、鉭、鎢作藥型罩材料可以獲得良好成型效果的高速射流。

綜上所述，國(guó)內(nèi)學(xué)者在超聚能裝藥相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行了一定的研究，但對(duì)于輔助藥型罩材料對(duì)超聚能射流性能影響的報(bào)道較少。本研究以截頂輔助藥型罩為對(duì)象，通過(guò)改變輔助藥型罩的材料，對(duì)不同情況下超聚能射流的形成情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，探討了輔助藥型罩材料對(duì)超聚能射流性能的影響規(guī)律。

1 模擬計(jì)算

1.1 計(jì)算模型

在超聚能裝藥結(jié)構(gòu)中，輔助藥型罩材料分別選用Wu、Cu、Fe，錐形罩材料為Al。本研究所涉及的模型具有軸對(duì)稱性質(zhì)，采用二維建?？梢詽M足要求，因此選用AUTODYN-2D模擬軟件進(jìn)行模擬。模型涉及多物質(zhì)大變形運(yùn)動(dòng)，為提高計(jì)算精度，采用AUTODYN高精度多物質(zhì)求解器Euler-2D Multi-material求解器進(jìn)行數(shù)值模擬。

超聚能裝藥結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，錐形藥型罩為等壁厚，藥型罩的錐角為60°，厚度為1.73mm，材料為Al；輔助藥型罩厚度為4mm，直徑為20mm，材料分別為Wu、Cu、Fe，截頂處直徑為14mm，不同材料裝藥結(jié)構(gòu)下炸藥均為HMX，殼體材料為鋼，厚度為2mm。模擬軟件建立模型如圖2所示。

圖1 超聚能裝藥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of hyper shaped charge structure

圖2 超聚能裝藥模型Fig.2 Model of hyper shaped charge

1.2 計(jì)算方法

炸藥爆炸后，在爆轟波的作用下，藥型罩被壓垮，形成高溫、高速、高能量密度的聚能射流，其過(guò)程十分復(fù)雜，為簡(jiǎn)化理論模型，作出如下假設(shè)[7]：

(1)炸藥、藥型罩、殼體和空氣為連續(xù)均勻介質(zhì)；(2)超聚能射流速度隨射流長(zhǎng)度呈線性分布；(3)忽略超聚能射流的重力作用；(4)整個(gè)射流的形成過(guò)程為絕熱過(guò)程。

采用AUTDYN-2D Euler算法進(jìn)行數(shù)值模擬，建立1/2模型。初始條件設(shè)置為Still Air，邊界條件為Flow-out。

炸藥采用奧克托金(HMX)，狀態(tài)方程為JWL，該方程能精確地描述爆轟氣體產(chǎn)物的體積、壓力、能量等特性。輔助藥型罩材料均從Autodyn-2D標(biāo)準(zhǔn)材料庫(kù)中選取，鎢選用材料TUNGSTEN，采用Shock狀態(tài)方程和Steinberg強(qiáng)度模型；銅選用COPPER，采用Shock狀態(tài)方程和PiecewiseJC強(qiáng)度模型；鐵選用IRON，采用Shock狀態(tài)方程和PiecewiseJC強(qiáng)度模型，鋁選用Al2024T351，采用Shock狀態(tài)方程和Johnso-Cook強(qiáng)度模型。殼體材料選用Steel 1006，采用Shock狀態(tài)方程和Johnso-Cook強(qiáng)度模型。各材料具體參數(shù)如表1和表2所示。

表1 HMX材料模型及其狀態(tài)方程參數(shù)

表2 不同材料的材料模型及其狀態(tài)方程參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 輔助藥型罩材料對(duì)超聚能裝藥射流形成過(guò)程的影響

采用控制變量法進(jìn)行對(duì)比分析，裝藥高度為40mm，裝藥直徑為44mm，錐形藥型罩為等壁厚，材料為Al，錐角2α為60°，通過(guò)改變輔助藥型罩的材料，在不同結(jié)構(gòu)下觀察不同輔助藥型罩材料時(shí)超聚能裝藥結(jié)構(gòu)形成射流的頭部最大速度，以及起爆后10、30、50μs形成的射流速度及其形態(tài)，并對(duì)射流長(zhǎng)度、連續(xù)性、能量進(jìn)行分析，其中，輔助藥型罩材料為Wu、Cu、Fe。將形成的超聚能射流與不添加輔助藥型罩情況下的傳統(tǒng)射流進(jìn)行對(duì)比分析，研究不同輔助藥型罩材料對(duì)聚能射流的作用。數(shù)值模擬過(guò)程中，以罩口軸線為坐標(biāo)原點(diǎn)，起爆方式采用平面起爆，起爆面模型直徑位置坐標(biāo)為(-66，10)和(-66，-10)，起爆位置示意圖如圖3所示。

圖3 線起爆位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of line detonation

圖4～圖6分別為無(wú)輔助藥型罩的傳統(tǒng)聚能裝藥(以下簡(jiǎn)稱無(wú))和添加不同材料輔助藥型罩的超聚能裝藥起爆10、30和50μs后的射流形態(tài)。

圖4 10μs時(shí)的射流形態(tài)Fig.4 Jet shape corresponding in 10μs

超聚能裝藥起爆后，起爆處的爆轟波以極快的速度在炸藥內(nèi)部傳播，當(dāng)爆轟波傳到藥型罩后，藥型罩將承受極大的爆轟壓力(最大能達(dá)到200GPa，平均壓力大于20GPa)，在巨大的壓力作用下，藥型罩被壓垮，以2000～3000m/s的速度向藥型罩對(duì)稱軸閉合。被壓垮的藥型罩在極短的時(shí)間間隔內(nèi)變形非常大，應(yīng)變率達(dá)到104～107s-1，最大應(yīng)變超過(guò)10。

從圖4可以看出，起爆10μs后，藥型罩還未完全壓垮，普通聚能裝藥射流形成過(guò)程較慢，從形態(tài)圖中可以看出，未加輔助藥型罩時(shí)，藥型罩壓垮形成的射流較粗，射流頭部呈圓形狀，并且杵體部分較大；當(dāng)加入輔助藥型罩后，形成的射流頭部成細(xì)錐形，杵體也相對(duì)越少。隨著起爆時(shí)間的延續(xù)，射流被拉長(zhǎng)，可以看出，輔助藥型罩能夠使形成的射流更加細(xì)長(zhǎng)，杵體部分減少，射流有效含量較大，并且輔助藥型罩密度越大，射流越細(xì)越長(zhǎng)。

圖5 30μs時(shí)射流形態(tài)Fig.5 Jet shape corresponding in 30μs

圖6 50μs時(shí)射流形態(tài)Fig.6 Jet shape corresponding in 50μs

由圖6可知，聚能裝藥起爆50μs后，無(wú)輔助藥型罩時(shí)，射流在前期的連續(xù)性較好，隨著時(shí)間的增加，斷裂開(kāi)始明顯，并且斷裂間隙較大。Wu作輔助藥型罩材料時(shí)，形成的射流有5處斷裂間隙，由于Wu的密度和硬度較大，并沒(méi)有形成射流。Cu作輔助藥型罩材料時(shí)，在相同時(shí)刻形成的射流長(zhǎng)度比Wu的短，并且有6處斷裂間隙。Fe作輔助藥型罩材料時(shí)，射流斷裂間隙較大，射流連續(xù)性較差。表4給出30μs和50μs時(shí)射流的長(zhǎng)度。

表3 30 μs和50μs時(shí)超聚能射流長(zhǎng)度

由以上結(jié)果可以得出，輔助藥型罩沒(méi)有充分形成射流，而是與射流尾部混合在一起。起爆30μs后，輔助藥型罩與錐形罩出現(xiàn)分離的趨勢(shì)，50μs時(shí)，兩者已完全分離。加上輔助藥型罩后，射流斷裂間隙減少，材料為Wu時(shí)的超聚能射流主體部分連續(xù)性最好。

與普通聚能裝藥相比，超聚能裝藥形成的超聚能射流連續(xù)性相對(duì)較好，增加了射流的有效長(zhǎng)度，射流比較細(xì)長(zhǎng)，杵體較少，輔助藥型罩密度越大，此特征越明顯。

2.2 輔助藥型罩材料對(duì)超聚能射流速度影響

在模型中心軸線上設(shè)置固定觀測(cè)點(diǎn)，以裝藥口徑的倍數(shù)設(shè)置高斯點(diǎn)11個(gè)，以觀測(cè)射流在軸線上的速度分布和能量變化。觀測(cè)點(diǎn)1的坐標(biāo)為(0，0)，觀測(cè)點(diǎn)2的坐標(biāo)為(20，0)，依次排列，如圖7所示。不同裝藥結(jié)構(gòu)形成的射流速度如圖8所示。

圖7 高斯觀測(cè)點(diǎn)分布示意圖Fig.7 Schematic diagram of gauge observation points distribution

圖8 不同裝藥結(jié)構(gòu)射流速度分布Fig.8 Velocity distribution of jet corresponding to different shaped charge

從圖8可以看出，普通聚能裝藥結(jié)構(gòu)形成的聚能射流頭部最大速度只有 9200m/s，速度下降梯度較小。使用Wu作輔助藥型罩材料，其超聚能裝藥結(jié)構(gòu)射流的頭部最大速度為14400m/s，隨后降到13000m/s，然后以較小的梯度逐漸遞減。表5給出了不同輔助藥型罩材料對(duì)超聚能裝藥結(jié)構(gòu)射流的頭部速度的影響。

表5 在不同時(shí)間所測(cè)不同裝藥結(jié)構(gòu)射流頭部速度

表5表明，用Wu作輔助藥型罩材料時(shí)，射流頭部最大速度較高，是普通聚能射流的1.54倍；使用Cu材料時(shí)，射流頭部最大速度是普通聚能射流的1.43倍；使用Fe材料時(shí)，射流頭部最大速度與Cu相差不大，為1.40倍。

使用Wu、Cu、Fe作輔助藥型罩材料時(shí)，10μs開(kāi)始聚能射流頭部速度明顯高于普通射流頭部速度，并且材料密度越大，射流頭部速度也越大。同時(shí)可以看出，隨著時(shí)間的增加，速度梯度都是從大到小逐漸變化。

對(duì)于普通聚能裝藥結(jié)構(gòu)，藥型罩兩側(cè)受到爆轟波的作用，從而沿軸線方向被壓垮。圖9為普通聚能裝藥和超聚能裝藥在起爆6μs后壓垮初始受爆轟波作用壓力云圖。由圖9可知，加上輔助藥型罩形成超聚能裝藥結(jié)構(gòu)后，爆轟波對(duì)藥型罩的作用被改變，錐形罩兩側(cè)壓力明顯增大，同時(shí)，爆轟壓力通過(guò)輔助藥型罩作用于錐形罩截頂處，錐形罩壓垮情況也隨之改變。此時(shí)，錐形罩受到更大爆轟壓力后，產(chǎn)生更高的壓垮速度。因此，超聚能裝藥能夠產(chǎn)生速度更高的射流。

圖9 6μs時(shí)藥型罩受爆轟波壓力云圖 Fig.9 The pressure nephogram subjected to detonation wave for liner in 6μs

2.3 超聚能射流能量分析

在模型軸線上設(shè)置11個(gè)高斯點(diǎn)，如圖7所示，每個(gè)高斯點(diǎn)可以觀測(cè)出通過(guò)射流的頭尾速度和能量。藥型罩在爆轟波的作用下，瞬間被壓垮而形成射流，此過(guò)程會(huì)釋放很大的能量，聚能射流正是以高速、高能的特征對(duì)目標(biāo)形成毀傷。圖10為不同時(shí)刻在高斯觀測(cè)點(diǎn)處聚能射流的能量分布。

圖10 不同時(shí)刻聚能射流能量分布Fig.10 Energy distribution of shaped charge jet at different times

由圖10可知，與普通聚能裝藥相比，超聚能裝藥在起爆后10μs前均有很高的能量，但之后大幅度降低。用Wu作輔助藥型罩材料時(shí)，最大能量超過(guò)108J/kg，有3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)處的能量超過(guò)8×107J/kg；用Cu作藥型罩材料時(shí)，最大能量超過(guò)8×107J/kg；用Fe作藥型罩材料時(shí)，最大能量為7.5×107J/kg。普通射流最大能量不是在起爆之初生成，而是在50μs左右，約為2.8×107J/kg，比超聚能射流能量小的多。綜上可知，超聚能射流比普通射流具有更高的能量，并且最大能量與輔助藥型罩的材料有關(guān)，輔助藥型罩密度越大，射流能量越高。

從模擬結(jié)果可以看出，如果選擇合適的輔助藥型罩材料，超聚能射流具有很高的速度和內(nèi)能；從射流形態(tài)上看，超聚能射流更細(xì)更長(zhǎng)，連續(xù)性較好，射流的有效質(zhì)量分?jǐn)?shù)更大。這對(duì)聚能裝藥破甲技術(shù)的進(jìn)一步研究和發(fā)展具有一定的意義。

3 結(jié) 論

(1)運(yùn)用AUTODYN-2D軟件，采用高精度多物質(zhì)求解器模擬計(jì)算了輔助藥型罩材料對(duì)超聚能射流形成過(guò)程的影響。結(jié)果表明，與普通聚能裝藥結(jié)構(gòu)相比，超聚能裝藥結(jié)構(gòu)形成的射流形態(tài)比較細(xì)長(zhǎng)，并且在相同錐角情況下，超聚能射流形態(tài)與輔助藥型罩材料密度有關(guān)。密度越大，射流越細(xì)越長(zhǎng)，并且射流連續(xù)性好，杵體越少，藥型罩利用率越高。

(2)超聚能裝藥形成的超聚能射流頭部最大速度較普通聚能裝藥大很多，材料的密度越大，射流頭部最大速度也越大。用Wu作輔助藥型罩材料時(shí)，超聚能射流頭部最大速度是普通聚能射流的1.54倍；用Cu作材料時(shí)，超聚能射流頭部最大速度是普通聚能射流的1.43倍；用Fe作材料時(shí)，超聚能射流頭部最大速度是普通射流的1.40倍。

(3)超聚能射流具有更高的內(nèi)能，并且隨著輔助藥型罩材料密度的增加，射流能量也隨之增大。用Wu、Cu、Fe作輔助藥型罩材料時(shí)，對(duì)應(yīng)的聚能射流最大內(nèi)能分別為10.2×107、8.5×107、7.5×107J/kg，而普通聚能射流最大能量只有2.8×107J/kg。

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Numerical Simulation of Effect of Material of Additional Liner on the Performances of Hypercumulation

SHI Jun-lei,LIU Ying-bin,HU Xiao-yan,ZHANG Xu-guang

(School of Chemical Engineering and Environment,North University of China,Taiyuan 030051,China)

To study the effect of material of additinal liner on the jet performances in the hypercumulation formation process,the numerical simulation of hyper shaped charge of a trunconical additinal liner,with material of additional liner is Wu,Cu and Fe,respectively and material of conical shaped charge liner is Al,was carried out using AUTODYN-2D simulation software and high precision multi material solver Euler-2D Multi-material.The results show that the maximum velocity of hypercumulation of additional liner material as Wu,Cu and Fe are 14400,13300 and 13100m/s,respectively,the maximum energy are 10.2×107,8.5×107and 7.5×107J/kg respectively,and the hypercumulation after detonation becomes slender and longger after the density of the material increases.

AUTODYN; hypercumulation; additional liner;numerical simulation

10.14077/j.issn.1007-7812.2017.01.014

2016-08-29；

2016-11-21

國(guó)家自然科學(xué)基金(No.11572292)

石軍磊(1991-)，男，碩士研究生，從事聚能裝藥和裝甲防護(hù)研究。E-mail:sh_junlei@163.com

劉迎彬(1985-)，男，博士，講師，從事彈藥毀傷防護(hù)與安全工程方面研究。E-mail:liuyb85@mail.ustc.edu.cn

TJ55;TJ410.3+33

A

1007-7812(2017)01-0069-06