中心帶孔雙層藥型罩射流成型及侵徹模擬*

賈子健,王志軍,伊建亞

(中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,太原 030051)

0 引言

藥型罩結(jié)構(gòu)參數(shù)以及構(gòu)成其金屬材料密度、延展性影響著射流質(zhì)量的優(yōu)劣,當(dāng)藥型罩被壓垮后,形成連續(xù)不斷裂的射流愈長(zhǎng),密度愈大,其破甲愈深。從原則上講,要求藥型罩材料密度大、塑形好,在形成射流過(guò)程中不汽化[1-2]。

傳統(tǒng)上藥型罩都是單層結(jié)構(gòu),而最終形成射流的只是內(nèi)層罩的部分金屬,其質(zhì)量只占全部藥型罩質(zhì)量的15%左右,其余大部分金屬形成沒(méi)有侵徹能力的杵體[3-4]。由此可以看出,單層罩的材料利用率很低。而雙層藥型罩的出現(xiàn),為解決材料利用率低的問(wèn)題提供了一個(gè)研究方向[5]。

雙層藥型罩是在裝藥和藥型罩之間添加一層相比原罩聲阻抗較低的金屬罩[6]。炸藥起爆后,爆轟波首先作用于緊鄰聲阻抗較小的外層罩上,然后再傳到聲阻抗較大的內(nèi)層罩上,由于作用在內(nèi)層罩上的壓力值大于作用在外層罩上的壓力值,因此增大了內(nèi)層罩的壓垮速度,進(jìn)而增大射流速度[7-8]。

1 計(jì)算模型

1.1 單層藥型罩計(jì)算模型

1)幾何模型和有限元模型

文中研究的聚能裝藥模型如圖1所示。裝藥直徑D=100 mm,裝藥高度H=140 mm,藥型罩厚度d=2 mm,錐角α=21°。

由于炸藥在爆炸和藥型罩被壓垮過(guò)程中,外殼會(huì)發(fā)生很大的變形,因此對(duì)其采用Lagrange建模;需要在藥型罩上設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)來(lái)判斷射流與杵體分界面,因此選擇Euler建模[9-10]。除此之外,該裝藥結(jié)構(gòu)是軸對(duì)稱(chēng)的,因此采用AUTODYN進(jìn)行1/2建模進(jìn)行數(shù)值模擬,鏡像之后的有限元模型如圖2所示。另外,除了射流形成區(qū)邊界和軸線(xiàn)外,所有邊界施加flow-out邊界條件,使爆轟產(chǎn)物流出邊界,防止反射影響射流形成[11]。

圖1 聚能裝藥幾何結(jié)構(gòu)圖

圖2 聚能裝藥有限元模型

2)材料選取

本次數(shù)值仿真,雙層藥型罩內(nèi)罩主要形成射流,外罩形成杵體,由于紫銅延性比較好,鋁密度比紫銅小很多,但材料聲速卻比紫銅大,聲阻抗比紫銅小[12-13]。因此,我們選聲阻抗較大紫銅做雙層藥型罩內(nèi)罩材料,選聲阻抗較小鋁作為外罩材料。詳細(xì)材料選用如表1所示。

表1 材料模型

1.2 雙層藥型罩計(jì)算模型

為了實(shí)時(shí)跟蹤藥型罩在被壓垮的過(guò)程中,其材料和射流速度變化關(guān)系,在藥型罩上,增添活動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn),來(lái)確定內(nèi)罩和外罩的分界線(xiàn)[14]。具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 高斯監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

2)射流與杵體材料的分界線(xiàn)確定

仿真結(jié)束后,選取相應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn),做出速度變化曲線(xiàn),確定射流和杵體的分界面,如圖4所示是其中兩組監(jiān)測(cè)點(diǎn)速度變化曲線(xiàn)。

圖4 部分高斯監(jiān)測(cè)點(diǎn)速度曲線(xiàn)

一般情況下,射流頭部速度可達(dá)7 000～10 000 m/s，而杵體為500～1 000 m/s[15]。由上圖可看出,部分高斯點(diǎn)初始速度增加后又逐漸降低到1 000 m/s以下,因此這部分罩微元流入杵體當(dāng)中,形成杵體;另一部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)速度急劇上升,然后穩(wěn)定在7 000 m/s左右,可知這部分高斯點(diǎn)所在的罩微元形成高速射流。這些高斯監(jiān)測(cè)點(diǎn)的邊界連線(xiàn)即為藥型罩內(nèi)罩和外罩的分界線(xiàn),結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 無(wú)間隙雙層藥型罩

1.3 中心帶孔雙層藥型罩

為了研究藥型罩開(kāi)孔對(duì)射流成型及侵徹效果的影響,在藥型罩頂部開(kāi)孔進(jìn)行數(shù)值模擬,結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 中心帶孔結(jié)構(gòu)

2 藥型罩?jǐn)?shù)值模擬結(jié)果分析

為了研究單層、雙層藥型罩及中心帶孔藥型罩這3種結(jié)構(gòu)形成射流的優(yōu)劣,做出以下對(duì)比。

圖7 射流成型對(duì)比

圖8 射流頭部速度曲線(xiàn)

如圖8所示,當(dāng)外層罩聲阻抗小于內(nèi)層罩時(shí),藥型罩壓垮速度較單獨(dú)由內(nèi)層罩組成的藥型罩壓垮速度要大,形成射流頭部速度也較大,幾乎增大10.3%左右;如圖7、圖8所示,雙層藥型罩射流成形較好,杵體質(zhì)量明顯減小,射流長(zhǎng)度明顯增長(zhǎng),極大的提高了材料利用率。

干預(yù)前兩組心理狀態(tài)評(píng)分比較，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。干預(yù)后，研究組SAS，SDS評(píng)分明顯低于對(duì)照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。見(jiàn)表1。

同時(shí)在雙層罩頂部開(kāi)孔,顯著提高了射流的頭部速度,大概增大了7.5%左右,射流有效長(zhǎng)度也有所變大,形成射流直徑稍微變大,有效增大侵徹孔徑大小。

3 中心帶孔雙層藥型罩?jǐn)?shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 數(shù)值模擬方案設(shè)計(jì)

相比常規(guī)的雙層藥型罩,藥型罩頂部孔直徑大小很大程度上影響著射流的成形。為了重點(diǎn)研究藥型罩孔直徑對(duì)射流形態(tài)的影響規(guī)律,文中將雙層藥型罩以及中心帶孔雙層藥型罩的射流成型情況進(jìn)行對(duì)比分析。另外,保證在藥型罩錐角42°和壁厚2 mm不變的情況下,取孔直徑d為3 mm、6 mm、9 mm、12 mm、15 mm、18 mm,數(shù)值模擬聚能射流侵徹體成型的情況。

3.2 中心帶孔藥型罩射流形成過(guò)程

圖9所示為孔直徑為6 mm時(shí),射流侵徹體形成的過(guò)程。

圖9 射流侵徹體形成過(guò)程

由圖9可以看出,主裝藥起爆后大約10 μs左右,帶孔雙層藥型罩受到炸藥爆轟壓力和爆轟產(chǎn)物的沖擊推動(dòng)作用,在20 μs左右逐漸被壓垮、變形,由于外罩鋁聲阻抗小于內(nèi)罩銅,因此銅罩獲得較高的速度向前高速運(yùn)動(dòng),速度低的鋁罩微元形成無(wú)侵徹能力的杵體包裹在射流尾部;35 μs左右,藥型罩幾乎被完全壓垮變形,發(fā)生翻轉(zhuǎn),碰撞,頂部中心孔附近的罩微元向中心軸上匯聚,擠壓并在中心軸上形成細(xì)長(zhǎng)的射流侵徹體,由于射流頭部和尾部的速度存在速度差,因此射流在向前運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中仍然有所拉長(zhǎng);直到70 μs左右,射流出現(xiàn)頸縮、拉斷現(xiàn)象,但基本保持完整。

3.3 不同孔徑下的射流速度及長(zhǎng)度

表2所示為不帶孔雙層藥型罩和孔徑為3 mm、6 mm、9 mm、12 mm、15 mm、18 mm下雙層藥型罩在40 μs時(shí)形成射流侵徹體的頭部速度、尾部速度及射流長(zhǎng)度等相關(guān)對(duì)比情況。

表2 不同孔徑下射流仿真結(jié)果

圖10 射流長(zhǎng)度和頭部速度變化量隨中心孔直徑變化曲線(xiàn)圖

從數(shù)值模擬結(jié)果可以看出,射流頭尾部速度和長(zhǎng)度在一定范圍內(nèi)隨著藥型罩頂部孔徑先增大后減小,并且射流頭部速度最大提升了7.69%,射流長(zhǎng)度提升24.09%。從表中可以看出,藥型罩頂部孔徑從3 mm到18 mm,從中心孔泄出的藥量有變大的趨勢(shì),尤其從12 mm到15 mm明顯增大,因此作用在藥型罩上爆轟波壓力和能量明顯減小,且從中泄出的炸藥爆轟對(duì)藥型罩的壓垮也有一定的抑制作用,從而使得藥型罩壓垮速度降低,導(dǎo)致射流頭部速度明顯降低;而3 mm到12 mm較小孔徑,泄出藥量變化不大,同時(shí)較大的爆轟波壓力作用在藥型罩上,使得藥型罩來(lái)不及泄出更多的藥量從而被壓垮閉合,向中心軸上匯聚形成射流,因而射流頭部速度相對(duì)變化量略有起伏,變化不大;從藥型罩質(zhì)量上來(lái)分析,在一定范圍內(nèi),由于隨著孔徑變大,藥型罩質(zhì)量變小,形成射流頭部高速粒子的質(zhì)量也變小,造成射流頭部的速度降低。

表3 不同直徑下侵徹體形態(tài)示意圖

另外,從侵徹體的形態(tài)上來(lái)看,15 mm和18 mm孔徑的藥型罩形成侵徹體的無(wú)侵徹能力杵體部分相比其他孔徑較大,而且存留在杵體中尾部射流較長(zhǎng),影響了后續(xù)的侵徹目標(biāo);從18 mm侵徹體兩側(cè)翼更能看出,由于爆轟壓力較小,導(dǎo)致在同一時(shí)刻兩側(cè)翼還未完全翻轉(zhuǎn)成型。

4 侵徹靶板結(jié)果分析

射流侵徹靶板是一個(gè)高溫、高壓、大變形的過(guò)程,因此射流和靶板皆選用Lagrange建模,在結(jié)構(gòu)參數(shù)錐角40°,孔徑6 mm,壁厚2 mm,炸高為2D(D為裝藥直徑)情況下,對(duì)單層、雙層藥型罩及中心帶孔雙層藥型罩侵徹混凝進(jìn)行數(shù)值分析。侵徹到400 μs時(shí),混凝土深度基本不再變化,說(shuō)明射流達(dá)到侵徹極限速度,設(shè)定達(dá)到400 μs時(shí)侵徹結(jié)束。侵徹全過(guò)程示意圖如圖11所示。

圖11 侵徹全過(guò)程示意圖

使用表4中的3種侵徹體侵徹混凝土,侵徹深度和直徑如表5所示。

表4 3種結(jié)構(gòu)藥型罩侵徹體參數(shù)

由表4看出,雙層藥型罩形成射流有效長(zhǎng)度大于單層藥型罩,但射流總長(zhǎng)度卻相差不大,這是由于雙層藥型罩結(jié)構(gòu)提高了材料利用率,更多微元形成射流,少部分形成杵體。而中心開(kāi)孔明顯提高射流10.2%的速度,使得有效長(zhǎng)度增大。

表5 不同藥型罩結(jié)構(gòu)下侵徹深度及侵徹孔徑

綜合兩表看出,隨著藥型罩結(jié)構(gòu)改變,雙層藥性罩射流對(duì)混凝土侵徹深度相比單層提高幅度達(dá)11%左右,而侵徹孔徑降低17.3%;同時(shí),在藥型罩開(kāi)孔,可以提高12.1%的侵徹深度,降低11.6%的侵徹孔徑。其主要原因是,從單層罩到雙層罩結(jié)構(gòu)的改變,使得作用在形成射流的內(nèi)罩上能量更多,射流部分速度顯著提高,速度梯度變大,拉伸劇烈,直徑因此變小。在這種侵徹情況下,獲得較大的侵徹深度,但侵徹后孔徑較小。

5 結(jié)論

文中對(duì)射流形成及對(duì)混凝土的侵徹過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。主要針對(duì)藥型罩頂部的中心孔徑對(duì)射流成型進(jìn)行了研究分析。另外對(duì)于單層、雙層藥型罩以及中心帶孔雙層罩形成的射流侵徹混凝土的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,討論雙層藥型罩相比單層罩在侵徹介質(zhì)上的優(yōu)劣所在,及藥型罩中心帶孔對(duì)侵徹混凝土的影響。結(jié)論如下:

1)一定范圍內(nèi),隨著中心孔徑增大,從中心孔泄出藥量的變化,導(dǎo)致作用在藥型罩上的爆轟壓力的變化,從而使得射流速度和有效長(zhǎng)度先增加后降低,即存在一個(gè)最佳中心孔徑值;

2)雙層藥型罩相比單層罩,由于外罩聲阻抗小于內(nèi)罩,因此爆轟壓力的放大使內(nèi)罩獲得更大壓垮速度,形成更長(zhǎng)更細(xì)且速度更高的射流,因而獲得較大侵徹深度,而直徑較小。藥型罩開(kāi)孔提高了射流部分速度,增大射流速度梯度,形成較細(xì)較長(zhǎng)的射流,侵徹同樣得到深度較大、直徑較小的孔。