藥型罩切分方式對射流形成影響的數值模擬

雷 偉，呂春玲，劉媛媛，吳 鵬

(中北大學環(huán)境與安全工程學院，山西 太原 030051)

藥型罩切分方式對射流形成影響的數值模擬

雷 偉，呂春玲，劉媛媛，吳 鵬

(中北大學環(huán)境與安全工程學院，山西 太原 030051)

為了研究藥型罩切分方式對其形成射流性能的影響，利用數值模擬軟件ANSYS/LS-DYNA對橫向切分和縱向切分的藥型罩以及未切分藥型罩在爆轟波作用下形成射流的過程以及對45號板的侵徹能力進行了數值模擬，比較了不同切分方式的藥型罩在爆轟波作用下形成射流的形狀、頭尾部速度、拉伸長度和抗拉伸性能及其對45號鋼板的侵徹能力。結果表明，在相同裝藥條件下，橫向切分藥型罩相比縱向切分藥型罩的頭部速度提高約220m/s，且抗拉伸性能更好，對45號鋼板的侵徹深度提高約3.26cm；橫向切分藥型罩相比未切分藥型罩的頭部速度提高約360m/s，對45號鋼板的侵徹能力提高約5.62cm。

藥型罩；射流；數值模擬；切分方式；侵徹；破甲戰(zhàn)斗部

引 言

藥型罩作為破甲戰(zhàn)斗部的核心部件之一，其形狀變化對破甲能力有著巨大的影響[1-2]。如雙層串聯藥型罩[3]、雙球缺組合藥型罩[4]等對破甲能力具有不同的影響。目前，對藥型罩的研究已取得大量成果。陳興等[5]設計了球錐結合藥型罩，并采用數值模擬與實驗驗證相結合的方法研究了其射流對混凝土的侵徹特性，結果表明該結構藥型罩對混凝土的侵徹能力相比半球形、錐角藥型罩有了一定的提高；岳繼偉等[6]提出了切分藥型罩的概念，并采用數值模擬的方法研究了上下結合藥型罩因兩部分比例的變化，對其形成射流的影響，但未研究切分藥型罩耦合方式對射流性能的影響。目前，有關切分藥型罩的研究相對較少。

本研究在切分藥型罩的基礎上，將藥型罩母線的長度按1∶1進行橫向、縱向切分，并采用數值模擬軟件ANSYS /LS-DYNA 對不同耦合方式的切分藥型罩形成射流的過程及其對45號鋼板的侵徹過程進行數值模擬，以期為切分藥型罩的應用及破甲戰(zhàn)斗部的設計提供參考。

1 數值模擬

1.1 藥型罩設計

為了研究藥型罩切分方式對形成射流的影響，選取錐形藥型罩，錐角為60°，口徑為40mm，厚度1mm；將藥型罩按1∶1進行橫向、縱向切分成上下兩部分，因切分方式不同從而造成其耦合方式也發(fā)生變化，兩種切分方式藥型罩以及未切分藥型罩示意圖如圖1所示。由圖1可看出，橫向切分的藥型罩上下兩部分為搭接接觸，縱向切分的藥型罩上下兩部分為鑲嵌接觸。

1.2 數值計算模型的建立

3種裝藥結構采用相同的裝藥條件，裝藥口徑為40mm，裝藥高度為60mm，炸藥采用8701炸藥，未切分藥型罩以及切分藥型罩各部分材料均選用紫銅；由于裝藥模型具有結構對稱和爆炸作用載荷對稱的特性，為縮短計算時間，取1/4結構建立3D模型，在對稱面上通過施加對稱約束來保證計算的準確性。模型均采用solid164實體單元類型，用映射網格劃分；對3種裝藥結構射流的成型過程進行模擬時包含有3種材料及物質模型,分別為炸藥、藥型罩、空氣；在模擬射流侵徹45號鋼板過程中有炸藥、藥型罩、空氣、45號鋼板4種材料及物質模型。為了解決射流過程中網格畸變問題，建模時炸藥、藥型罩、空氣均劃分為Euler單元，靶板用Lagrange單元，兩者之間定義多物質流固耦合算法求解。建立的射流形成有限元模型及結構布局圖如圖2所示，建立的有限元模型及結構布局圖如圖3所示，其中45號鋼板尺寸為200mm×20mm×20mm，炸高為120mm。

1.3 材料模型的確定

炸藥選用HIGH-EXPLOSIVE-BURN模型，狀態(tài)方程為JWL；藥型罩采用MAT_JOHNSON_COOK模型，狀態(tài)方程采用GRUNEISEN;空氣域采用無偏應力流體動力模型，狀態(tài)方程采用GRUNEISEN;靶板的模型采用MAT_JOHNSON_COOK模型，狀態(tài)方程采用GRUNEISEN;其具體參數如表1～4所示。

表1 炸藥材料模型及其 JWL 狀態(tài)方程參數

表2 藥型罩材料模型及其 Gruneisen 狀態(tài)方程參數

表3 空氣材料模型及其線性多項式狀態(tài)方程參數

表4 靶板材料模型及參數

1.4 計算方法的確定

ANSYS/LS-DYNA程序主要包括Lagrange、Euler和ALE算法。射流成型過程中，炸藥的爆炸和藥型罩的壓垮過程以及對靶板的侵徹過程，網格將會發(fā)生大的畸變，計算網格的畸變將導致計算過程因出現錯誤而終止，因此對射流成型及侵徹全過程采用Lagrange算法難以滿足要求。Euler算法雖然能完成模擬過程，但網格中物質界面流動不清晰，在網格不一致時其精確性較低。ALE算法兼有Lagrange和Euler兩種算法的優(yōu)點，其所采用的網格既不是歐拉的固定網格，又不是拉格朗日的隨體網格，而是每步或隔若干步根據物質區(qū)域的邊界構造一個合適的網格，以避免在嚴重扭曲的網格上進行計算[7]。根據算法的優(yōu)缺點，本研究在模擬射流的形成過程中采用ALE算法，在對45號鋼板侵徹過程進行數值模擬時采用流固耦合算法；起爆方式均為中心點起爆。使用后處理軟件lsprepost觀察射流的形成過程以及對45號鋼板的侵徹過程。

2 數值模擬結果分析

2.1 不同切分方式藥型罩上下部分姿態(tài)的變化

為了研究切分方式對切分藥型罩形成射流的影響，通過后處理軟件lsprepost觀察切分藥型罩射流形成過程中因其耦合方式的不同，上下兩部分在爆轟波作用下姿態(tài)的變化。不同切分方式切分藥型罩在炸藥爆炸10μs 時的形狀如圖4所示。

由圖4(a)可看出，未切分藥型罩在爆轟波的作用下從頂部到藥型罩尾部逐漸被壓垮，并以一定的速度向藥型罩的軸線方向運動，在軸線處被壓垮的藥型罩發(fā)生碰撞擠壓從而形成聚能射流。切分藥型罩在爆轟波作用下其尾部因切分方式的不同受上部的作用力也發(fā)生變化；根據圖4(b)、(c)可得出，切分藥型罩的尾部在受到爆轟波驅動時不受前段藥型罩的作用力，自身姿態(tài)發(fā)生迅速改變，由于切分藥型罩頭尾兩部分的接觸方式不同，所以在爆轟波作用下姿態(tài)的改變也發(fā)生變化；橫向切分的藥型罩在爆轟波作用下，由于藥型罩的上部分搭接在下部分之上，上部分在被壓垮的過程中會給下部分一個作用力，從而使藥型罩下部分的姿態(tài)發(fā)生變化，使后續(xù)的爆轟波作用其上的角度減小，大大減小了爆轟能量的損耗；縱向切分藥型罩在爆轟波作用下，藥型罩的上部分首先被壓垮形成射流，而由于其上部鑲嵌在下部中，因此下部分受到上部分藥型罩的作用力較小，姿態(tài)變化較小，且上部分藥型罩形成射流后進入到下部分藥型罩中，從而對上部分藥型罩形成的射流造成了一定的干擾，然后下部分藥型罩被壓垮后補充到射流的尾部。

2.2 不同切分方式對藥型罩形成射流性能的影響

通過對不同方式切分藥型罩在爆轟波作用下上、下兩部分的姿態(tài)分析發(fā)現，由于藥型罩的切分方式不同，造成藥型罩上、下兩部分之間的接觸方式發(fā)生變化，在爆轟波作用下藥型罩的上、下兩部分之間的作用力也發(fā)生變化，從而造成下部分藥型罩的姿態(tài)發(fā)生不同的改變，進而影響射流的頭尾部速度、拉伸長度等性能。不同的射流頭部速度和不同的速度梯度直接決定了射流的拉伸長度及其侵徹能力。為了研究3種裝藥結構射流的性能，運用后處理軟件lsprepost觀察射流的形成過程以及形態(tài)變化；為了排除爆炸激波的干擾，觀察射流在100μs 時在空氣域中的形態(tài)，如圖5所示，相關參數見表5。

由圖5可看到，3種藥型罩的拉伸長度以及拉斷間隙均有變化。

表5 不同切分方式藥型罩形成射流的相關參數

注：v為射流速度；d為射流杵體直徑；L為射流拉伸長度；t為射流斷裂時間；E為射流侵徹前動能。

由表5可知，藥型罩被切分后形成的射流頭尾部速度以及拉伸性能均有提高，切分方式對射流的頭尾部速度以及拉伸性能有較大影響。橫向切分藥型罩的頭部速度比縱向切分藥型罩提高約220m/s，比未切分藥型罩提高約360m/s。橫向切分藥型罩形成的射流頭部速度最大、速度梯度最大、拉伸長度最長、抗拉斷性能最好，根據射流的侵徹機理[8]可得出，在相同的裝藥條件下，橫向切分藥型罩形成的射流侵徹能力最強。

2.3 不同切分方式藥型罩形成射流的侵徹能力

使用數值模擬軟件ANSYS/LS-DYNA 對3種藥型罩在相同裝藥條件下對45號鋼板的侵徹過程進行數值模擬；選取3倍裝藥口徑，120mm炸高，靶板尺寸為200mm×20mm×20mm，3種裝藥結構失去侵徹能力時靶板效果圖如圖6所示。

由圖6可看出，在相同的裝藥條件下，3種藥型罩所形成的射流對45號鋼板的侵徹能力有一定的差異，這是由于3種裝藥結構的射流頭尾部速度、速度梯度、拉伸長度等均不同，從而造成3種射流的侵徹能力發(fā)生變化。經過測量3種裝藥結構失去侵徹能力后靶板侵徹孔參數如表6所示。

藥型罩切分方式H/cmd/cm未切分 13.201.02橫向切分18.820.83縱向切分15.560.71

注：H為侵徹深度；d為開孔直徑中，橫向切分藥型罩。

由表6可知，橫向切分藥型罩對45號鋼板的侵徹深度比縱向切分藥型罩提高約3.26cm，比未切分藥型罩提高約5.62cm，表明在相同的裝藥結構中，橫向切分藥型罩形成的射流侵徹能力最強，縱向切分藥型罩形成的射流次之，未切分藥型罩的侵徹能力最弱。

2.4 實驗驗證

圖7為未切分藥型罩形成射流對靶板的侵徹試驗結果。

由圖7可知，未切分藥型罩的平均開孔直徑為1.03cm,平均侵徹深度為13.79cm。 數值模擬結果表明，未切分藥型罩形成射流對45號鋼板的侵徹深度為13.20cm。試驗結果與模擬結果誤差不超過5%，證實了數值模擬計算的準確性。根據以上模擬結果可以推斷，橫向切分和縱向切分藥型罩的侵徹試驗也能取得與未切分藥型罩相同的結果。

3 結 論

(1)與未切分藥型罩相比，切分藥型罩形成射流的頭尾部速度增加，射流的拉伸長度增加，有效提高了藥型罩材料的利用率。

(2)在裝藥條件相同的情況下，切分藥型罩可有效提高射流的侵徹能力，不同切分方式對藥型罩的射流性能有較大影響，橫向切分藥型罩比縱向切分藥型罩形成的射流性能更好，侵徹能力更強。

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NumericalSimulationontheEffectofDifferentSegmentationMethodsofShapedChargeLinerontheFormationofJet

LEI Wei, Lü Chun-ling, LIU Yuan-yuan, WU Peng

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

To study the effect of different segmentation methods of shaped charge liner on the formation of jet, the numerical simulation of the formation process of jet under the effect of detonation wave for different segmentation methods of shaped charge liner, including horizontal segmentation and longitudial segmentation, shaped charge liner without segmentation, and the penetration ability to 45# steel plate were performed by employing numerical simulation software ANSYS/LS-DYNA. The shape and head to tail speed of jet, stretching length and tensile properties formed under the effect of detonation wave for different segmentation methods of shaped charge liner and its penetration to 45# steel target plate were compared. Results show that under the same charge conditions, compared to longitudial segmentation type shaped charge liner, the head speed of horizontal segmentation type shaped charge liner improves by about 220m/s and its tensile performance is better, the penetration depth to 45# target plate increases by about 3.26mm. Compared with shaped charge liner without segmentation, the head speed of horizontal segmentation type shaped charge liner improves by about 360m/s, and the penetration depth to 45# steel target plate increases by about 5.62cm

liner; jet; numerical simulation; segmentation method；penetration; armor-penetrating warhead

TJ55;O358

A

1007-7812(2017)05-0102-05

10.14077/j.issn.1007-7812.2017.05.020

2017-04-19；

2017-06-20

雷偉(1993-)，男，碩士，從事含能材料性能研究。E-mail:997343585@qq.com