一種喇叭-錐角結(jié)合藥型罩形成射流的數(shù)值模擬

阮光光，雷　偉，岳繼偉，柴艷軍

(1.中北大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，山西 太原030051；2.武漢高德紅外股份有限公司，湖北 武漢430205；3.安徽方圓機(jī)電股份有限公司，安徽 蚌阜233010)

引　言

21世紀(jì)以來，新型爆炸反應(yīng)裝甲得到快速發(fā)展，各種新概念裝甲如電磁裝甲、主動防御系統(tǒng)等也陸續(xù)得到應(yīng)用，破甲戰(zhàn)斗部也朝著大威力、多用途的方向發(fā)展[1-2]。傳統(tǒng)的錐形藥型罩裝藥結(jié)構(gòu)及平頂藥型罩裝藥結(jié)構(gòu)的侵徹能力已難以滿足要求；聚能裝藥結(jié)構(gòu)中在炸藥、裝藥結(jié)構(gòu)等相同的情況下所形成射流的頭部速度越高、抗拉伸性能越好，其侵徹能力就越高[3]，因此通過改變藥型罩的結(jié)構(gòu)來提高射流的頭部速度及抗拉伸性能進(jìn)而提高聚能裝藥的侵徹能力已成為研究的熱點(diǎn)。

藥型罩的上部結(jié)構(gòu)對形成射流的頭部速度、拉伸性能等有較大影響。陳興等[4]設(shè)計(jì)了球錐結(jié)合藥型罩，并采用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法研究了其射流對混凝土的侵徹特性，結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)藥型罩對混凝土的侵徹能力與半球形、錐角藥型罩相比有了一定的提高；顧文斌等[5]設(shè)計(jì)了一種柱錐結(jié)合藥型罩，發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)藥型罩雖然提高了射流的頭部速度，但射流頭部卻出現(xiàn)了射流堆積，侵徹能力提升較??；目前文獻(xiàn)報(bào)道的球錐結(jié)合藥型罩和柱錐結(jié)合藥型罩及兩種結(jié)合藥型罩不僅對射流的性能提高有限，而且也存在加工困難、效費(fèi)比較低的缺點(diǎn)。

錐角藥型罩、平頂藥型罩具有加工工藝簡單、成本低的優(yōu)勢。喇叭形藥型罩與錐角藥型罩、平頂藥型罩相比雖然具有母線長、形成的射流頭部速度高、抗拉伸性能好的優(yōu)勢，但是其加工困難[6]。

為了提高錐角藥型罩、平頂藥型罩形成射流的頭部速度以及抗拉伸性能，本研究通過改變錐角藥型罩、平頂藥型罩的上部結(jié)構(gòu)為大曲率半徑的喇叭形結(jié)構(gòu)形成喇叭-錐角結(jié)合藥型罩，使藥型罩的母線長度變長。對喇叭-錐角結(jié)合藥型罩、錐角藥型罩、平頂藥型罩3種藥型罩射流的形成過程及對45號鋼板的侵徹過程進(jìn)行數(shù)值模擬，以期為新型破甲戰(zhàn)斗部的設(shè)計(jì)提供參考。

1　數(shù)值模擬

1.1　裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了研究喇叭-錐角結(jié)合藥型罩、錐角藥型罩、平頂藥型罩3種裝藥結(jié)構(gòu)射流的性能，選擇張角為60°的錐角藥型罩，并在此基礎(chǔ)上改變其頂部結(jié)構(gòu)為平頂藥型罩和喇叭-錐角結(jié)合藥型罩；3種裝藥結(jié)構(gòu)采用相同的裝藥條件，其物理模型剖面圖如圖1所示；其中3種藥型罩材料均為紫銅，開口直徑為76mm，厚度為1mm，裝藥口徑為80mm。

1.2　數(shù)值模型的建立

由于裝藥模型具有結(jié)構(gòu)對稱和爆炸作用載荷對稱的特性，為縮短計(jì)算時(shí)間，取1/4結(jié)構(gòu)建立3D模型，在對稱面上通過施加對稱約束來保證計(jì)算的準(zhǔn)確性。模型均采用solid164實(shí)體單元類型，用映射網(wǎng)格劃分；對3種裝藥結(jié)構(gòu)射流的成型過程進(jìn)行模擬時(shí)有炸藥、藥型罩、空氣3種數(shù)值模型；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種數(shù)值模型。為了解決射流過程中網(wǎng)格畸變問題，建模時(shí)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(zhì)流固耦合算法求解。3種裝藥結(jié)構(gòu)實(shí)體模型及對45號鋼板侵徹過程的實(shí)體模型分別見圖2和圖3，其中45號鋼板尺寸為400mm×20mm×20mm，炸高為200mm。

1.3　材料模型及參數(shù)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(yīng)力流體動力模型( NULL) ，狀態(tài)方程采用GRUNEISEN；靶板采用MAT_JOHNSON_COOK模型，狀態(tài)方程采用GRUNEISEN;具體參數(shù)如表1～4所示。

表1 　炸藥材料模型及其 JWL 狀態(tài)方程參數(shù)

表2　藥型罩材料模型及其GRUNEISEN狀態(tài)方程參數(shù)

表3　空氣材料模型及其線性多項(xiàng)式狀態(tài)方程參數(shù)

表4　靶板材料模型及GRUNEISEN狀態(tài)方程參數(shù)

1.4　算法的確定

對射流的形成過程進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)采用ALE算法，對45號鋼板進(jìn)行侵徹過程的數(shù)值模擬采用流固耦合算法。起爆方式均為炸藥頂端中心點(diǎn)起爆，并使用后處理軟件lsprepost觀察數(shù)值模擬結(jié)果。

2　數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1　射流頭部形成的機(jī)理分析

為了研究喇叭-錐角結(jié)合藥型罩、錐角藥型罩、平頂藥型罩3種藥型罩頂部結(jié)構(gòu)形成射流頭部的機(jī)理，使用后處理軟件lsprepost觀察3種藥型罩在爆轟波作用下形成射流頭部的數(shù)值模擬過程，在炸藥爆炸后10μs時(shí)，藥型罩頂部結(jié)構(gòu)在爆轟波作用下開始形成射流頭部，10μs時(shí)刻射流頭部形態(tài)如圖4所示。

由圖4可知，3種裝藥結(jié)構(gòu)在炸藥頂部中心點(diǎn)起爆后形成的爆轟波首先作用于藥型罩的頂部位置，由于其頂部結(jié)構(gòu)的不同，形成射流的頭部方式也有所不同。喇叭-錐角結(jié)合藥型罩裝藥和平頂藥型罩形成射流頭部的方式相似，由于喇叭-錐角結(jié)合藥型罩的母線部分與頂部平頂?shù)膴A角小于100°，因此爆轟波作用下首先形成環(huán)形線性射流；平頂藥型罩的母線部分與頂部的平頂部分夾角大于120°從而形成自鍛彈丸；兩種裝藥結(jié)構(gòu)都是經(jīng)過二次匯聚而形成射流的頭部[7]；錐角藥型罩的頂部結(jié)構(gòu)是在爆轟波作用下直接被壓垮，經(jīng)過碰撞后形成了射流頭部。

2.2　射流形成的數(shù)值模擬結(jié)果分析

通過后處理軟件lsprepost觀察3種藥型罩射流的形成過程，藥型罩的頂部結(jié)構(gòu)形成射流頭部后，在射流頭部向前運(yùn)動的過程中，藥型罩頂部以下的母線部分被壓垮后經(jīng)過碰撞不斷補(bǔ)充到射流中去，最終形成完整的射流。為了研究3種完整射流的性能，需要觀察射流的形態(tài)變化并測量其相關(guān)參數(shù)；為了排除爆炸激波的干擾，得到100μs時(shí)刻射流的相關(guān)參數(shù)如表5所示，射流形態(tài)如圖5所示。

表5　100μs時(shí)刻3種藥型罩形成射流參數(shù)

注：v為射流速度；D為杵體直徑；t為拉伸斷裂時(shí)間；L為拉伸長度；Δv為頭部速度相對增量。

分析圖5的射流形態(tài)可知，喇叭-錐角結(jié)合藥型罩形成的射流在杵體后面斷裂，而平頂藥型罩及錐角藥型罩形成的射流在射流杵體前面斷裂，且斷裂距離較小。綜合表5的數(shù)據(jù)可知，在3種藥型罩中，由于喇叭-錐角結(jié)合藥型罩形成的射流頭部速度最高，綜合其射流頭部的形成過程可知，喇叭-錐角結(jié)合藥型罩和平頂藥型罩形成的射流頭部都是經(jīng)過二次匯聚形成，但喇叭-錐角結(jié)合藥型罩頂部形成環(huán)形射流比平頂藥型罩頂部形成的自鍛彈丸速度高，因此其經(jīng)過二次匯聚形成的頭部速度更高，而錐角藥型罩形成的射流頭部是其頂部結(jié)構(gòu)直接經(jīng)過壓垮、碰撞形成的，因此速度最低；由于喇叭-錐角結(jié)合藥型罩相比平頂藥型罩、錐角藥型罩擁有更長的母線長度，因此其形成射流的拉伸斷裂時(shí)間、拉伸長度均有明顯提高。

2.3　射流侵徹鋼靶的數(shù)值模擬結(jié)果分析

為了研究3種藥型罩在相同裝藥條件下的侵徹能力，使用數(shù)值模擬軟件ANSYS/LS-DYNA在200mm炸高下對45號鋼板做最大侵徹穿深的數(shù)值模擬，采用后處理軟件lsprepost觀察數(shù)值模擬結(jié)果，3種裝藥結(jié)構(gòu)失去侵徹能力時(shí)靶板效果如圖6所示，其靶板穿深相關(guān)參數(shù)如表6所示。

結(jié)合圖6的靶板最大穿深效果圖以及表6數(shù)據(jù)可知，在相同裝藥條件下，喇叭-錐角結(jié)合藥型罩對45號鋼板的侵徹深度最深，與平頂藥型罩相比提高約12.25%，與錐角藥型罩相比提高約19.82%。

表6　3種裝藥結(jié)構(gòu)失去侵徹能力時(shí)靶板相關(guān)參數(shù)

注：H為侵徹深度；d為侵徹孔直徑；ΔH為喇叭-錐角結(jié)合藥型罩侵徹深度相對增量。

3　結(jié)　論

(1)相同裝藥條件下，喇叭-錐角結(jié)合藥型罩裝藥結(jié)構(gòu)形成的射流頭部速度最高，與錐角藥型罩相比形成的射流頭部速度提高約9.54%，與平頂藥型罩相比形成的射流頭部速度提高約6.36%。

(2)相同裝藥條件下，喇叭-錐角結(jié)合藥型罩裝藥形成的射流拉伸長度最長、拉伸性能最好，對45號鋼板的侵徹深度與平頂藥型罩相比提高約12.25%，與錐角藥型罩相比提高約19.82%。

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