超聚能射流成型及侵徹混凝土的數(shù)值模擬研究

張 斐，周春桂，張春輝，黃 松，王少宏

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超聚能射流成型及侵徹混凝土的數(shù)值模擬研究

張 斐1,2，周春桂1，張春輝2，黃 松1,2，王少宏1

（1.中北大學機電工程學院，山西 太原，030051；2.海軍研究院, 北京，100001）

為了提高聚能裝藥對混凝土介質(zhì)的毀傷威力，設(shè)計了一種新型的截頂形超聚能裝藥結(jié)構(gòu)，對其成型過程進行數(shù)值仿真，分析了超聚能射流的成型特點，以及不同炸高下射流對混凝土靶板的侵徹規(guī)律。研究表明：新型的截頂形超聚能裝藥結(jié)構(gòu)可以形成杵體較少、頭部成細錐形的不斷裂高速射流，侵徹混凝土靶板時既可以保證一定的侵徹深度又可以在靶板表面形成漏斗形破壞區(qū)。該裝藥結(jié)構(gòu)形成的超聚能射流頭部速度達到13km/s以上，具有侵徹能力的射流質(zhì)量占藥型罩質(zhì)量的66.02%。炸高為3倍裝藥口徑時，射流對混凝土靶板的侵徹深度達到10倍裝藥口徑，漏斗坑直徑達到0.5倍裝藥口徑。

超聚能射流；深侵徹；混凝土；數(shù)值模擬

混凝土是一種重要的戰(zhàn)略性原材料，被廣泛地應(yīng)用于軍事建筑及防御工事上。如何實現(xiàn)對混凝土建筑的高效毀傷一直是研究的熱點。采用聚能裝藥侵徹混凝土目標是一種行之有效的方法。聚能裝藥戰(zhàn)斗部侵徹混凝土時不僅要求一定的侵徹深度[1]，還要求一定的侵徹孔徑，但侵徹深度與侵徹孔徑相互矛盾。王志軍等[2]在楔形罩的基礎(chǔ)上設(shè)計了一種星錐狀裝藥結(jié)構(gòu)，形成的射流杵體較少，提高了射流的穩(wěn)定性與侵徹能力。黃鳳雷[3]設(shè)計了兩種大錐角藥型罩?？祻埖萚4]設(shè)計了鈦合金聚能裝藥結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了對多層介質(zhì)的大破孔侵徹。薛鑫瑩[5]的研究表明鈦合金藥型罩對鋼筋混凝土的侵徹深度與開孔孔徑匹配性要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)藥型罩材料。Murphy等[6]研究發(fā)現(xiàn)鋁藥型罩的侵徹孔徑比較大但深度較淺，銅藥型罩的侵徹破孔小但深度較大。因此傳統(tǒng)的裝藥結(jié)構(gòu)侵徹混凝土目標時很難兼顧侵徹深度與侵徹孔徑的要求。

俄羅斯科學家通過改進藥型罩幾何形狀及裝藥結(jié)構(gòu)提出多種超聚能裝藥結(jié)構(gòu)，并定義了超聚能射流現(xiàn)象[7]。超聚能射流既有爆炸成型彈丸藥型罩質(zhì)量利用率高的特征，也有射流高速度的特征[8]。美國5394804號專利設(shè)計了一種侵徹反應(yīng)裝甲的新型裝藥結(jié)構(gòu)[9]，該裝藥結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了對反應(yīng)裝甲的高效毀傷。因此本研究在此裝藥結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計一種新型的截頂形超聚能裝藥結(jié)構(gòu)，利用AUTODYN-2D數(shù)值模擬超聚能射流的成型及其侵徹混凝土靶板的過程，并分析其侵徹規(guī)律。

1 超聚能戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)設(shè)計及原理

截頂形超聚能戰(zhàn)斗部的幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中輔助球缺罩與輔助錐形罩主要是提高射流速度并減少杵體質(zhì)量；藥型罩1與藥型罩2形成超聚能射流。

圖1 截頂形聚能裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

截頂形超聚能戰(zhàn)斗部的作用原理是：當引信作用后，主裝藥在傳爆藥的作用下爆轟并作用于輔助球缺罩。輔助球缺罩一方面可以改變爆轟波波形，控制爆轟方向，提高作用在藥型罩1上的爆壓；另一方面可以增加爆轟產(chǎn)物與藥型罩的作用面積，延長能量傳遞時間，從而使藥型罩2形成杵體極少的高速射流。隨著時間的增加，輔助錐形罩在爆轟波的壓合作用下與藥型罩1碰撞并加速射流，同時調(diào)整爆轟波作用在藥型罩2上的方向，使得藥型罩1形成的射流頭部與藥型罩2形成的射流相疊加，從而增加超聚能射流的頭部直徑與速度。

射流速度與藥型罩的材料息息相關(guān)。根據(jù)沖擊動力學理論[10-12]，爆轟波從高阻抗介質(zhì)傳入低阻抗介質(zhì)時，低阻抗材料可以獲得更高的質(zhì)點速度。根據(jù)作用原理分析可以得到：輔助球缺罩與輔助錐形罩的材料應(yīng)選擇高阻抗材料，藥型罩1與藥型罩2的材料應(yīng)選擇低阻抗材料。根據(jù)文獻[10]可知材料的沖擊阻抗可由公式（1）計算：

=（1）

式（1）中：為材料密度；為材料聲速。表1是常見材料的沖擊阻抗。

表1 材料的沖擊阻抗

Tab.1 Shock resistance of material

2 超聚能射流成型的數(shù)值計算

2.1 有限元模型

截頂形超聚能戰(zhàn)斗部的幾何結(jié)構(gòu)具有對稱性，為減少計算量，建立了如圖2所示的二維有限元模型。模型中裝藥口徑為100mm，裝藥長徑比為1；殼體厚度為4mm；輔助球缺罩半徑為18mm、壁厚為3mm；藥型罩1與藥型罩2的錐角均為60°、壁厚為2.5mm；輔助錐形罩與藥型罩1垂直，壁厚為3mm。

圖2 有限元模型

射流成型過程中網(wǎng)格變形較大，數(shù)值模擬計算采用Euler算法，并在空氣邊界上設(shè)置流入流出邊界條件。單位制為mm-mg-ms-kPa。為了觀測超聚能射流在軸線上的速度及能量分布，在模型中軸線上設(shè)置24個高斯點，每個高斯點間距為20mm。

2.2 材料參數(shù)

炸藥選用OCTOL，爆轟產(chǎn)物采用JWL狀態(tài)方程，其參數(shù)見表2。

表2 OCTOL材料模型及其狀態(tài)方程參數(shù)

Tab.2 Material model and equation of state of OCTOL

起爆方式為裝藥頂端中心點起爆?？諝獠捎肁UTODYN材料庫中的默認材料并賦予初始能量。根據(jù)超聚能戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)及其作用原理分析，輔助球缺罩的材料選擇鎢；輔助錐形罩的材料選擇銅，藥型罩1與藥型罩2的材料選擇鋁。殼體的材料選擇4340鋼。鎢、銅、鋁的狀態(tài)方程均為Shock，殼體4340鋼的狀態(tài)方程為Linear。鎢采用Steinberg Guinan強度模型，銅采用Piecewise JC強度模型，鋁和4340鋼采用Johnson Cook強度模型，相關(guān)參數(shù)見表3。

表3 不同材料的材料模型及其狀態(tài)方程參數(shù)

Tab.3 Material model and equation of state of different materials

2.3 仿真結(jié)果與分析

利用AUTODYN-2D對上述有限元模型進行計算，得到了截頂形超聚能裝藥結(jié)構(gòu)形成超聚能射流的過程。圖3是超聚能射流成型過程中不同時刻的狀態(tài)。

圖3 超聚能射流的成型過程

由圖3可以看出主裝藥在起爆4μs后，爆轟波首先作用于輔助球缺罩，接著藥型罩1在輔助球缺罩的碰撞與爆轟波的壓合作用下被壓垮、閉合。8μs時藥型罩1開始形成高速侵徹體，同時輔助錐形罩在爆轟波的作用下與藥型罩1發(fā)生碰撞，進一步加快了藥型罩1的閉合速度。10μs時藥型罩2在爆轟波的作用下被壓垮、閉合并與藥型罩1形成的高速侵徹體碰撞、匯聚，增加了射流頭部直徑并進一步增加其速度。22μs時已初步具有射流的形態(tài)，由于存在速度梯度，射流在運動中逐漸被拉伸。30μs時藥型罩已基本被壓合匯聚完成，輔助球缺罩與輔助錐形罩形成杵體，位于射流后端；藥型罩1與藥型罩2大部分形成了超聚能射流。41μs時超聚能射流頭部到達4倍裝藥口徑處，其速度達到13 000m/s以上，此時超聚能射流頭尾速度差進一步增大，繼續(xù)計算會出現(xiàn)緊縮現(xiàn)象，超聚能射流頭部會出現(xiàn)斷裂。圖4是該裝藥結(jié)構(gòu)形成的超聚能射流在不同炸高下的速度云圖。

圖4 超聚能射流在不同炸高下的速度云圖

從圖4中可以看出該裝藥結(jié)構(gòu)在炸高小于4倍裝藥口徑時，形成的超聚能射流頭部呈細錐形，速度達到13 460m/s且未出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。為了便于分析本研究中將射流速度大于3 000m/s的部分定義為有效超聚能射流。傳統(tǒng)的聚能裝藥結(jié)構(gòu)能夠形成具有侵徹能力的有效射流的質(zhì)量僅占藥型罩質(zhì)量約20%[13]，而該裝藥結(jié)構(gòu)形成的超聚能射流在4倍裝藥口徑處有效超聚能射流質(zhì)量占藥型罩總質(zhì)量的66.02%，杵體所占比例明顯降低，此時有效超聚能射流長度占整個射流長度的68.26%。為了驗證形成的超聚能射流的侵徹威力，選取合適的炸高侵徹混凝土靶板。

3 超聚能射流侵徹混凝土的數(shù)值計算

超聚能裝藥結(jié)構(gòu)不變的情況下，為盡可能得到較大的侵徹孔徑和較深的侵徹深度。分別對1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0炸高下共計6種方案的超聚能射流侵徹混凝土靶板的過程進行了數(shù)值模擬。

通過AUTODYN的映射技術(shù)得到超聚能射流在不同炸高下著靶前的形態(tài)，然后添加混凝土靶板模型，靶板尺寸為200mm×1 200mm?；炷涟邪宀牧线x用CONC35MPA，采用Palpha狀態(tài)方程和RHT Concrete本構(gòu)模型。圖5是2.5炸高下超聚能射流經(jīng)映射后加入混凝土靶板的有限元模型。

3.1 仿真結(jié)果及分析

由于炸高的不同，超聚能射流的拉伸程度及其速度具有明顯差異，導致侵徹結(jié)果存在一定差異。圖6是不同炸高下超聚能射流對混凝土靶板的侵徹結(jié)果。

圖5 混凝土靶板有限元模型

圖6 不同炸高下侵徹結(jié)果

超聚能射流開始侵徹混凝土靶板時會產(chǎn)生瞬時沖擊波，從圖6中可以看出，在靶板前端均形成一個直徑較大而深度較淺的“漏斗形”破壞區(qū)。對于傳統(tǒng)聚能裝藥結(jié)構(gòu)，由于射流具有較大的尾裙，尾裙的沖擊作用是形成漏斗坑的決定因素[14]。但超聚能射流的尾裙較小，顯然“漏斗形”破壞區(qū)出現(xiàn)的決定因素不是尾裙。超聚能射流具有遠高于傳統(tǒng)射流的速度，導致侵徹混凝土目標時產(chǎn)生的沖擊波具有強烈的橫向擴孔效應(yīng)[15]，因此在混凝土靶板的入口處出現(xiàn)明顯的“漏斗形”破壞區(qū)。漏斗坑直徑(1)及其深度(1)隨炸高的變化規(guī)律分別如圖7所示。

圖7 漏斗坑直徑（D1）及深度（H1）隨炸高的變化規(guī)律

從圖7可以看出，漏斗坑直徑隨著炸高的增大，先增大后減小，3炸高時達到最大，約為0.5倍裝藥口徑；漏斗坑深度隨著炸高的增大而緩慢增大，4炸高時達到最大，為0.62倍裝藥口徑。

超聚能射流侵徹混凝土靶板的深度隨炸高的變化情況如圖8所示。

圖8 侵徹深度隨炸高的變化情況

由圖8可以看出，3炸高下，混凝土靶板的侵徹深度達到了1 005mm，約為10倍裝藥口徑，當炸高小于3時，侵徹深度隨著炸高的增大而增大；當炸高大于3小于4時，侵徹深度趨于穩(wěn)定，繼續(xù)增大炸高，射流過度拉伸出現(xiàn)斷裂，斷裂的射流在侵徹過程中會損失彈性波能量，造成侵徹深度下降。

3.2 超聚能射流侵徹混凝土靶板的作用機理

截頂形超聚能裝藥結(jié)構(gòu)在炸藥的作用下形成超聚能射流后，超聚能射流被不斷拉伸。隨著時間的增加，超聚能射流頭部首先與靶板接觸并產(chǎn)生瞬時沖擊波，此時雖然響應(yīng)區(qū)域較小，但射流頭部速度達到13 000m/s以上，接觸區(qū)域的溫度及壓力出現(xiàn)驟變，沖擊波在混凝土靶板表面產(chǎn)生橫向擴孔效應(yīng)，從而形成了“漏斗形”破壞區(qū)。隨著超聚能射流侵徹混凝土靶板的深入，進入穩(wěn)定侵徹階段，射流與混凝土靶板相互作用的接觸面上產(chǎn)生兩個反向沖擊波，分別作用于超聚能射流與混凝土靶板?；炷涟邪逶跊_擊波的作用下接觸區(qū)域發(fā)生變形、破碎，在破壞區(qū)域的周圍依次出現(xiàn)塑性區(qū)與彈性區(qū)，表面出現(xiàn)裂紋，圖9是2.5炸高下超聚能射流對混凝土靶板的損傷圖。超聚能射流在反向沖擊波的作用下，自接觸區(qū)域開始速度逐漸降低。由于存在速度梯度且頭部速度快速減小，超聚能射流在侵徹過程中出現(xiàn)堆積現(xiàn)象，導致侵徹混凝土靶板后出現(xiàn)的孔洞直徑存在差異。超聚能射流侵徹混凝土靶板過程中，在自由表面的稀疏波作用下，射流及其靶板內(nèi)的沖擊波逐漸衰減至彈性波，此時射流速度小于混凝土靶板的臨界侵徹速度，混凝土靶板的破壞區(qū)域達到最大，侵徹隨之結(jié)束。

圖9 混凝土靶板損傷圖

4 結(jié)論

設(shè)計了一種新型截頂形超聚能裝藥結(jié)構(gòu)，利用AUTODYN-2D開展了超聚能射流的成型及侵徹混凝土靶板的數(shù)值模擬研究，研究結(jié)果表明：（1）新型截頂形超聚能裝藥結(jié)構(gòu)可以形成超聚能射流，射流頭部速度達到13km/s以上，有效超聚能射流質(zhì)量達到藥型罩質(zhì)量的66.02%。（2）該裝藥結(jié)構(gòu)形成的超聚能射流對混凝土靶板具有較好的侵徹效果，侵徹最大深度達到10倍裝藥口徑，侵徹最大孔徑達到0.5倍裝藥口徑。（3）該裝藥結(jié)構(gòu)形成的超聚能射流侵徹混凝土靶板時，靶板表面會出現(xiàn)由橫向擴孔效應(yīng)產(chǎn)生的漏斗形破壞區(qū)。漏斗坑直徑隨著炸高的增大，先增大后減小，炸高為3倍裝藥口徑時，漏斗坑直徑為0.5倍裝藥口徑；漏斗坑深度隨著炸高的增大而緩慢增大，炸高為4倍裝藥口徑時，其深度可達到0.62倍裝藥口徑。

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Numerical Simulation of Hypercumulation Jet Formation and Penetration into Concrete

ZHANG Fei1,2，ZHOU Chun-gui1，ZHANG Chun-hui1，HUANG Song1,2，WANG Shao-hong1

（1. School of Mechanical Engineering,North University of China,Taiyuan,030051；2.Naval Research Academy, Beijing, 100001）

In order to improve the damage of the shaped charge to the concrete medium, a new type of charge structure was designed and its forming process was simulated. The forming characteristics of hypercumulation were analyzed, and the penetrating laws of the concrete structures were obtained under different blast heights. The simulation results show that the new type of charge structure can form a high-speed jet with less caries and a narrow tapered head. When penetrating a concrete target, it can both ensure a certain penetration depth and a funnel-shaped destruction zone forms on the surface of the target. The velocity of the jet head formed by the charge structure reaches 13 km/s or more, and the jet quality with penetrating power accounts for 66.02% of the liner mass. When the blast height is 3 times of the charge diameter, the penetration depth of the jet to the concrete target reaches 10 times the charge diameter, and the penetration diameter reaches 0.5 times the charge diameter.

Hypercumulation；Deep penetration；Concrete；Numerical simulation

1003-1480（2018）05-0016-05

TJ410.3+3

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2018.05.005

2018-05-07

張斐（1992-），男，碩士研究生，從事兵器科學與技術(shù)研究。

國家自然科學基金（11572291）；山西省研究生聯(lián)合培養(yǎng)基地人才培養(yǎng)項目資助（20160033,2017028）。