罩頂藥高影響藥型罩的射流轉(zhuǎn)化特性*

侯秀成,楊金龍,陳智剛,印立魁,付建平

(1 清華大學(xué)材料學(xué)院,北京 100084; 2 中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,太原 030051)

罩頂藥高影響藥型罩的射流轉(zhuǎn)化特性*

侯秀成1,2,楊金龍1,陳智剛2,印立魁2,付建平2

(1 清華大學(xué)材料學(xué)院,北京 100084; 2 中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,太原 030051)

為了給射流形成機(jī)理的深入分析及高效聚能裝藥結(jié)構(gòu)的研究提供參考,基于分段藥型罩形成射流時(shí)的杵體水回收實(shí)驗(yàn),應(yīng)用非線性動(dòng)力學(xué)有限元軟件LS-DYNA及動(dòng)態(tài)示蹤點(diǎn)處理方法研究藥型罩形成射流時(shí)的材料分配關(guān)系。在數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比有較好一致性的前提下,重點(diǎn)研究了無(wú)殼裝藥結(jié)構(gòu)罩頂藥高對(duì)錐形藥型罩形成射流時(shí)的材料分配規(guī)律。結(jié)果表明,罩頂藥高在0.2～2.0倍裝藥直徑范圍內(nèi)時(shí),等壁厚錐形藥型罩形成射流時(shí)的材料分配規(guī)律均為自頂向底成指數(shù)分布。裝藥高度增加時(shí),藥型罩壁厚方向有更多比例的材料形成射流,而在軸向方向的材料比例不受影響。罩頂藥高大于1.6倍裝藥直徑時(shí),射流轉(zhuǎn)化率及對(duì)鋼靶板穿深增幅均不明顯。

聚能裝藥;有效射流;數(shù)值模擬;示蹤點(diǎn)法

0 引言

射流是聚能裝藥破甲彈藥對(duì)目標(biāo)侵徹時(shí)的典型毀傷元素之一,其對(duì)目標(biāo)的毀傷效應(yīng)與射流性能有著密切關(guān)系[1]。裝藥高度在一定范圍的增加,會(huì)體現(xiàn)為射流對(duì)靶板的穿深提高[2],但經(jīng)驗(yàn)表明罩頂裝藥高度(簡(jiǎn)稱罩頂藥高)大于一定值時(shí),穿深的增加將不再明顯[3]。裝藥高度的變化究竟影響了藥型罩材料的哪些區(qū)域形成射流是一個(gè)值得深入探討的問(wèn)題。

射流的作用過(guò)程較為復(fù)雜,理論研究不能形象直觀的描述藥型罩材料微元與射流微元之間的關(guān)系,到底是靠近藥型罩內(nèi)層哪部分材料形成的毀傷元對(duì)鋼靶的穿深有貢獻(xiàn),長(zhǎng)期以來(lái)一直困擾著聚能裝藥領(lǐng)域的研究者。已有的研究結(jié)果表明,有效射流的確來(lái)源于藥型罩材料的某一特定區(qū)域,但其形成過(guò)程不是等厚度的從藥型罩內(nèi)表面剝離的[4],裴思行、陳智剛[5]等人采用分段切割藥型罩的實(shí)驗(yàn)方法證明了典型60°錐形藥型罩在形成射流時(shí),除罩底約20%罩高范圍不形成射流外,其材料分配是從罩頂向罩底沿罩軸線呈指數(shù)規(guī)律的。侯秀成[6]等人采用數(shù)值模擬的示蹤點(diǎn)處理方法研究該結(jié)構(gòu)時(shí)也得出了同樣的規(guī)律。文中將在以往實(shí)驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上,對(duì)裝藥高度影響藥型罩形成射流時(shí)的材料分配關(guān)系作進(jìn)一步研究,以期為聚能裝藥結(jié)構(gòu)中炸藥的做功效率研究提供參考,進(jìn)而為高效聚能裝藥及復(fù)合藥型罩的深入研究提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)研究

在聚能裝藥的射流形成過(guò)程中,通常假設(shè)藥型罩是不可壓縮流體,且罩上某固定段的質(zhì)量守恒?；谝陨霞僭O(shè),將藥型罩采用分段切割法結(jié)合杵體水回收實(shí)驗(yàn)研究單銅藥型罩形成射流時(shí)的材料分配關(guān)系及射流結(jié)構(gòu)模式。依據(jù)分段切割藥型罩,開(kāi)展了射流形成時(shí)的分段杵體水回收實(shí)驗(yàn),詳細(xì)的杵體回收實(shí)驗(yàn)裝置及過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)[4-5]。射流形成之后,分段切割罩的典型杵體水回收實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1,由于射流形成具有一定的規(guī)律性,根據(jù)編號(hào)及回收到的杵體質(zhì)量數(shù)據(jù),則可得到各段藥罩材料形成射流的質(zhì)量比,得到沿藥型罩母線形成射流部分的質(zhì)量與對(duì)應(yīng)分段藥型罩的質(zhì)量比為大致呈指數(shù)分配的規(guī)律[4-5]。

圖1 分段切割藥型罩的杵體回收結(jié)果

2 數(shù)值模擬

2.1 算法及材料模型

聚能裝藥射流的作用過(guò)程是一種典型的多材料作用下大變形復(fù)雜物理過(guò)程,應(yīng)用LS-DYNA求解時(shí)采用多物質(zhì)Van Leer ALE算法[7-10]描述炸藥爆炸驅(qū)動(dòng)金屬藥型罩的過(guò)程有較好的精確度。當(dāng)涉及射流侵徹靶板或裝藥結(jié)構(gòu)帶有殼體的情況下,通常結(jié)合流固耦合算法來(lái)處理。其中B炸藥的材料模型則采用高能炸藥燃燒模型和JWL狀態(tài)方程共同描述[7-10],采用的炸藥主要參數(shù)[11]分別為:密度ρ=1.717 g/cm3,爆速D=7.98 km/s,爆壓PCJ=29.5 GPa,其對(duì)應(yīng)的JWL狀態(tài)方程參數(shù)如表1所列。藥型罩材料選用紫銅,使用Steinberg模型和Gruneisen狀態(tài)方程[9]來(lái)描述,表2給出了紫銅藥型罩材料模型的主要參數(shù)?？諝獠捎肗ULL材料,密度為1.25×10-3g/cm3,并采用線性多項(xiàng)式方程描述。45鋼質(zhì)靶板材料為彈塑性硬化材料,其材料模型參數(shù)[12]如下,密度ρ=7.85 g/cm3,彈性模量E=210 GPa,泊松比μ=0.3,屈服強(qiáng)度σy=0.855 GPa,參數(shù)β=1.0。

2.2 裝藥結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格模型

參考已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,依據(jù)聚能裝藥的相似性原理,選用一帶有小錐角罩的典型無(wú)殼裝藥結(jié)構(gòu)做數(shù)值模擬。主要裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)如下:裝藥直徑CD=40 mm,罩錐角2α=60°,罩壁厚δ=0.025CD,罩頂內(nèi)圓角半徑R=2.5 mm,炸高設(shè)為Ha=3.0CD用于射流拉伸所需的空間區(qū)域,先分析的裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的罩頂裝藥高度為H=0.6CD。

表1 炸藥JWL狀態(tài)方程參數(shù)

注:E0體積內(nèi)能,A、B、R1、R2和Ω為炸藥性能相關(guān)的輸入系數(shù)。

表2 紫銅Gruneisen模型材料參數(shù)

注:G為剪切模量;σy為屈服強(qiáng)度;C為材料聲速;S1、S1、γ0為與材料相關(guān)的其它系數(shù)。

圖2 聚能裝藥有限元網(wǎng)格模型

網(wǎng)格模型為1/4軸對(duì)稱的三維網(wǎng)格,其中裝藥結(jié)構(gòu)及其周邊網(wǎng)格模型如圖2所示,用于射流形成過(guò)程分析的網(wǎng)格單元數(shù)為124 296,節(jié)點(diǎn)數(shù)為137 806。用于射流侵徹過(guò)程分析時(shí),將藥型罩口部以下空間區(qū)域加長(zhǎng)到靶板底部,當(dāng)裝藥高度變化時(shí),罩頂裝藥對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格數(shù)沿軸線方向也按尺寸比例增加相應(yīng)的網(wǎng)格數(shù)量,確保在計(jì)算不同工況時(shí)在網(wǎng)格尺寸方面的一致性。在通過(guò)藥型罩軸線的截面上設(shè)置動(dòng)態(tài)示蹤點(diǎn),其中參考壁厚方向1 mm范圍內(nèi)至少設(shè)置20個(gè)點(diǎn),共計(jì)17 655個(gè),用于藥型罩材料的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè);沿罩頂自炸高范圍內(nèi)設(shè)置靜態(tài)示蹤點(diǎn)[9]70 792個(gè),用于射流性能詳細(xì)參數(shù)的后續(xù)處理。在個(gè)人計(jì)算機(jī)平臺(tái)(4核CPU 3.4 G內(nèi)存16 G)上計(jì)算約1 h,可得到射流形成過(guò)程。

2.3 射流形成過(guò)程

射流的作用過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程,在其形成、拉伸及侵徹靶板階段用于描述射流性能的參數(shù)一直在變化當(dāng)中,為統(tǒng)一量化標(biāo)準(zhǔn),在本研究中,所有的射流性能參數(shù)均取自射流頭部剛好接觸到靶板上表面的時(shí)刻,并取裝藥中心點(diǎn)起爆時(shí)刻為t=0 μs。當(dāng)射流頭部接觸到靶板上表面時(shí),計(jì)算自動(dòng)終止,圖3為罩頂藥高為0.8CD所對(duì)應(yīng)裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的射流形成過(guò)程,由圖3可知射流運(yùn)動(dòng)到3.0CD的炸高時(shí)需要用時(shí)31.3 μs。

圖3 射流形成過(guò)程

2.4 藥型罩形成射流時(shí)的材料分配

應(yīng)用示蹤點(diǎn)分析方法[12-13],將速度大于2 km/s的射流段稱為有效射流。圖4為得到的有效射流對(duì)應(yīng)藥型罩材料區(qū)域,其中有效射流質(zhì)量為3.61 g,射流轉(zhuǎn)化率為17.2%。定義藥型罩錐部高度為Hc(下同),可知藥型罩底部約0.2Hc范圍內(nèi)不形成有效射流。射流低速段區(qū)域最厚處為藥型罩壁厚的0.46倍,高速段區(qū)域由靠近藥型罩內(nèi)表面頂部材料形成,其厚度為0.12倍罩壁厚,藥型罩材料參與形成射流的比例為由罩頂?shù)秸值壮手饾u增大的趨勢(shì)。

圖4 有效射流對(duì)應(yīng)藥型罩材料分配關(guān)系

由于有效射流來(lái)源于藥型罩材料,可將有效射流對(duì)應(yīng)的初始藥型罩材料區(qū)域稱為有效區(qū)域,將以上示蹤點(diǎn)信息做進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理[5],可以得到有效區(qū)域與藥型罩質(zhì)量比例沿軸線分布的關(guān)系,將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖4(b)所示,結(jié)果顯示,在0

ηm=aebx+c(0

(1)

3 結(jié)果分析

3.1 裝藥高度影響藥型罩材料分配關(guān)系

已往的研究結(jié)果已表明,射流是由靠近藥型罩內(nèi)表面的材料轉(zhuǎn)化所形成,由于藥型罩為薄壁件(0.2%～0.4%CD),若將錐形藥型罩沿其軸線分割為若干微元段,形成射流的質(zhì)量與藥型罩微元的質(zhì)量比可以近似的等同為其厚度比,可以推測(cè)出藥型罩微元形成的厚度比也呈某種規(guī)律。為了更為直觀的描述射流,通過(guò)對(duì)示蹤點(diǎn)的結(jié)果數(shù)據(jù)作進(jìn)一步處理,進(jìn)而獲得了藥型罩沿軸線方向形成射流部分的材料與罩壁厚度比的規(guī)律也呈相應(yīng)的指數(shù)分配關(guān)系,不同裝藥高度條件下對(duì)應(yīng)藥型罩形成射流時(shí)的材料分配規(guī)律如圖5所示。

圖5 罩頂藥高影響藥型罩形成射流沿軸向的壁厚比分配

文獻(xiàn)[5]中提到該指數(shù)分配關(guān)系因藥型罩錐角而不同,因此不同的罩壁厚、變壁厚罩的壁厚差、罩頂藥高等條件將對(duì)應(yīng)不同的指數(shù)分配關(guān)系。圖5所示結(jié)果表明,當(dāng)藥型罩結(jié)構(gòu)確定時(shí),罩頂藥高不改變藥型罩在母線長(zhǎng)度方向的材料分配比例,只改變藥型罩在壁厚方向的材料分配比例,當(dāng)罩頂藥高在1.0CD～1.6CD時(shí),罩頂部以下的材料射流轉(zhuǎn)化率只有小幅增加,當(dāng)罩頂藥高在1.6CD～2.0CD時(shí),射流轉(zhuǎn)化比例變化較小。罩頂藥高與射流性能參數(shù)的關(guān)系列于表3。

表3 罩頂藥高影響射流性能參數(shù)

注:H為罩頂藥高;vjt為射流頭部速度;mj為有效射流質(zhì)量;r為有效射流轉(zhuǎn)化率;Lp為穿深。

3.2 罩頂藥高與有效射流轉(zhuǎn)化率的關(guān)系

圖6顯示為罩頂藥高與射流轉(zhuǎn)化率的關(guān)系,圖7顯示為罩頂藥高與穿深的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由圖可見(jiàn),當(dāng)罩頂藥高在0.2CD～2.0CD范圍內(nèi)時(shí),隨著罩頂藥高的增加,射流轉(zhuǎn)化率及穿深也相應(yīng)地增加,但裝藥高度大于1.6CD時(shí),射流轉(zhuǎn)化率及穿深的增幅不再明顯。將圖6所示的數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合為關(guān)系式r=a1[1-exp(b1Hc)],分析可知該關(guān)系式為過(guò)原點(diǎn)的增函數(shù),有上限,式中a1=25.35,b1=-1.241,c=0.373 8,其極限轉(zhuǎn)化率約為25.35%。

將圖7所示的數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合為相應(yīng)的關(guān)系式為L(zhǎng)=a2ln(1+xb2),可知該曲線過(guò)原點(diǎn)的增函數(shù),其中,a2=6.828,b2=0.171。

圖6 罩頂藥高與藥型罩射流轉(zhuǎn)化率關(guān)系

圖7 罩頂藥高與穿深的關(guān)系

以上數(shù)值模擬為理想軸對(duì)稱條件,實(shí)際裝藥高度變化引起裝藥內(nèi)部平均密度的變化及裝配誤差未能體現(xiàn);可為射流形成機(jī)理的深入分析及高效聚能裝藥結(jié)構(gòu)的研究提供參考。

4 結(jié)論

應(yīng)用數(shù)值模擬及示蹤點(diǎn)處理方法,針對(duì)典型無(wú)殼裝藥結(jié)構(gòu)小錐角等壁厚藥型罩形成射流時(shí)的材料分配問(wèn)題,研究了罩頂藥高在0.2CD～2.0CD范圍內(nèi),影響有效射流與藥型罩的材料分配關(guān)系的規(guī)律,得到如下結(jié)論:

1)藥型罩材料在壓垮形成射流時(shí),其沿罩軸線方向進(jìn)入射流的部分與藥型罩壁厚的關(guān)系為指數(shù)分布。

2)罩頂藥高只影響藥型罩壁厚方向的材料分配,不影響藥型罩形成射流在軸線方向的材料分配。

3)罩頂藥高與藥型罩有效射流轉(zhuǎn)化率的關(guān)系為一個(gè)存在極限值的增函數(shù),罩頂藥高大于1.6CD射流轉(zhuǎn)化率的增加趨勢(shì)變緩,對(duì)應(yīng)的穿深的增加趨勢(shì)也不再明顯。

[1] 侯秀成,陳智剛.成型裝藥射流速度梯度數(shù)值模擬 [J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),2009,29(6):115-117.

[2] 付建平,陳智剛,侯秀成,等.罩頂藥高對(duì)有隔板聚能裝藥的影響 [J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),2013,33(6):70-73.

[3] 王儒策,趙國(guó)志.彈丸終點(diǎn)效應(yīng) [M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1993:200-224.

[4] 裴思行.聚能裝藥射流的結(jié)構(gòu)模式研究 [J].太原機(jī)械學(xué)院學(xué)報(bào),1986(3):97-102.

[5] 解永紅,陳智剛,趙太勇.聚能裝藥藥型罩作用機(jī)理的實(shí)驗(yàn)解析 [J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),2004,24(1):54-55.

[6] 侯秀成,蔣建偉,陳智剛.有效射流與藥型罩材料的分配關(guān)系 [J].兵工學(xué)報(bào),2013,34(8):935-941.

[7] 曹德青,惲壽榕,丁剛毅,等.用ALE方法實(shí)現(xiàn)射流侵徹靶板的三維數(shù)值模擬 [J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2000,20(2):171-173.

[8] 趙楠,惲壽榕.射流形成過(guò)程數(shù)值模擬計(jì)算的實(shí)驗(yàn)考核 [J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),2004,24(2):47-48.

[9] LSTC.LS-DYNA keyword user’s manual,Volume I [M].971st ed.Livermore:LSTC,2007:813,1442-1444.

[10] 白金澤.LS-DYNA 3D理論基礎(chǔ)與實(shí)例分析 [M].北京:科學(xué)出版社,2005:74-100.

[11] 時(shí)黨勇,李裕春,張勝民.基于ANSYS/LS-DYNA 8.1進(jìn)行顯式動(dòng)力分析 [M].北京:清華大學(xué)出版社,2005:282-312.

[12] 侯秀成,蔣建偉,陳智剛.某成型裝藥射流的數(shù)值模擬與射流轉(zhuǎn)化率 [J].火炸藥學(xué)報(bào),2012,35(2):53-57.

[13] 侯秀成,蔣建偉,陳智剛.聚能裝藥仿真專家系統(tǒng)研究 [J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),2014,34(3):87-90.

StudyonConversionCharacteristicsofJetofLinerInfluencedbyExplosiveHeightaboveLiner

HOU Xiucheng1,2,YANG Jinlong1,CHEN Zhigang2,YIN Likui2,FU Jianping2

(1 School of Materials Science and Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China; 2 School of Mechatronics Engineering,North University of China,Taiyuan 030051,China)

In order to provide references for the design of jet formation mechanism and the study on the structure of high efficiency charge,based on experimental result of clubbing water recovery when the jet was formed by a segmented liner,explicit finite software LS-DYNA and tracer point method were used to study the distribution relations of materials when the jet was formed.Under the premise that numerical simulation and experimental results had good consistency,this paper focused on the material distribution law of explosive height above liner with no shell charge structure when the jet was formed by the cone shaped cover.The results indicated that when explosive height above liner was varied from 0.2～2.0 times the charge diameter,the distribution law of the material with the same wall thickness cone shaped jet presented exponential distribution from top to bottom.More proportion material in thickness direction of liner formed jet when charge height increased,while the proportion of material in the axial direction was not affected.When explosive height above liner was greater than 1.6 times the charge diameter,the conversion rate of jet and the penetration depth against steel target did not increase significantly.

energy cumulation charge; effective jet; numerical simulation; tracer point method

10.15892/j.cnki.djzdxb.2017.02.016

2016-06-07

侯秀成(1978-),男,山西繁峙人,講師,博士,研究方向:彈藥系統(tǒng)仿真。

TJ410.33

A