金屬與非金屬雙層藥型罩射流形成及侵徹仿真

李文國，張 健，李艷飛

（1.92840部隊，山東 青島266405；2.海軍駐沈陽第三軍事代表室，遼寧 沈陽110045；3.沈陽 724 廠 110045）

0 引言

隨著各種新材料和新技術(shù)的不斷發(fā)展，各種新型裝甲被應(yīng)用于坦克等裝甲車輛的防護(hù)系統(tǒng)，這對破甲彈的研究提出了新的挑戰(zhàn)。破甲彈提高其威力的核心是對聚能裝藥戰(zhàn)斗部的設(shè)計，傳統(tǒng)的聚能裝藥都是單層罩結(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)量的20%，其余部分則只能形成低速杵體[1]。而雙層藥型罩因其在藥型罩外層增加了一層低阻抗的輕金屬[2]，爆轟波傳播過程中首先作用于低阻抗的外罩上，然后才作用于高阻抗的內(nèi)罩，由應(yīng)力波在介質(zhì)中的傳播規(guī)律可知[3]，內(nèi)罩在較高的爆轟壓力下將形成更高的射流頭部速度，相對于普通單層藥型罩，雙層藥型罩在能量利用與轉(zhuǎn)換、材料匹配和利用率以及侵徹能力方面都有所提高。因此國內(nèi)外許多專家學(xué)者都對雙層藥型罩的射流形成機(jī)理進(jìn)行了深入研究，R．Fong等[4]對雙層和三層鐵材料EFP結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，最終得到了大長徑比的EFP侵徹體；K.Weiman[5]等研究了內(nèi)層為鐵，外層為鉭結(jié)構(gòu)的雙層藥型罩EFP的形成，得到了尾翼式鉭 EFP侵徹體；龍源等[6]采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)合的方法研究了球缺形雙層藥型罩曲率半徑對EFP形成及侵徹的影響；鄭宇等[7]通過改變雙層藥型罩的結(jié)構(gòu)和材料的匹配關(guān)系，得到了串聯(lián)EFP侵徹體；沈慧銘等[2]對銅鋁雙層藥型罩壁厚間的匹配關(guān)系進(jìn)行了數(shù)值模擬研究以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；夏杰等[3，8]研究了不同金屬材料的匹配對雙層藥型罩形成射流的影響。因此可以看出大多數(shù)學(xué)者對雙層藥型罩的研究都是針對金屬材料開展的，對金屬和非金屬結(jié)合的雙層藥型罩研究較少，因此本文以金屬和非金屬復(fù)合雙層藥型罩為研究對象，研究幾種典型的非金屬材料與銅材料相結(jié)合復(fù)合藥型罩所形成射流的特性。

1 雙層藥型罩射流加速機(jī)理

對于聚能裝藥形成金屬射流的藥型罩結(jié)構(gòu)，一般采用圓錐形小錐角藥型罩，因此對于雙層藥型罩要形成金屬射流，仍借鑒此結(jié)構(gòu)。雙層圓錐形小錐角藥型罩在受到爆轟波的壓力后，藥型罩各微元會被壓垮并在軸線匯聚，內(nèi)外罩將會分別形成杵體和射流。常用的雙層藥型罩內(nèi)外罩使用的材料不同，一般外罩（緊貼炸藥的藥型罩）選用低密度材料，內(nèi)罩（遠(yuǎn)離炸藥的藥型罩）則采用密度高、延展性好的金屬材料，如果能夠合理的選擇內(nèi)外罩的聲阻抗和藥型罩壁厚的匹配關(guān)系，就可以實(shí)現(xiàn)外罩材料全部轉(zhuǎn)化為杵體，內(nèi)罩材料則全部形成射流，進(jìn)而提高材料利用率。

由應(yīng)力波傳播理論可知，炸藥爆炸后產(chǎn)生的沖擊波到達(dá)藥型罩表面時會發(fā)生透射和反射，透射壓力Pt、反射壓力Pf和爆轟波壓力P有如下關(guān)系：

其中n為材料的聲阻抗比，如果在聲阻抗為R0的炸藥和聲阻抗為R2的藥型罩之間加入一種聲阻抗位于二者之間的材料，即加入聲阻抗為R1的材料，且有R0

其中n1為炸藥與外罩的聲阻抗比，n2為外罩與內(nèi)罩的聲阻抗比。

與僅采用一種材料的藥型罩相比，爆轟波傳播到雙層藥型罩內(nèi)罩時，材料所受到?jīng)_擊波壓力為單層罩的2（1+n1n2）/[（1+n1）（1+n2）]倍，由于n1和n2都小于1，所以該倍數(shù)為大于1的值。因此只要合理選擇雙層藥型罩的匹配材料，不但能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)罩金屬利用率的提高，而且所形成的射流速度高于單層藥型罩。

2 計算模型

計算模型結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中1，2，3分別表示炸藥以及雙層藥型罩的外罩和內(nèi)罩，模型參數(shù)分別為：裝藥直徑D=50 mm，裝藥高H=80 mm，雙層藥型罩錐角α=56°，δ1和δ2分別表示內(nèi)罩和外罩的藥型罩壁厚，厚度為1 mm。

圖1 仿真計算模型結(jié)構(gòu)圖

在數(shù)值模擬過程中選用非線性顯示動力學(xué)軟件AUTODYN進(jìn)行計算，該軟件集成了有限差分、計算流體動力學(xué)和流體編碼的多種處理技術(shù)，可模擬各類沖擊響應(yīng)、高速/超高速碰撞、爆炸及其作用問題[9]。在算法的選擇上采用Euler-2D Multi-material方法，整個計算模型分為四部分，分別為空氣、外罩、內(nèi)罩以及炸藥，其中外罩非金屬材料分別為尼龍、聚乙烯以及橡膠，同時為了與銅鋁復(fù)合藥型罩進(jìn)行對比，外罩的材料還要包括金屬鋁，內(nèi)罩材料選擇最常用的藥型罩材料銅，所有材料模型均選自AUTODYN自帶材料庫，其中空氣材料選為Air，狀態(tài)方程為理想氣體狀態(tài)方程；鋁選為AL7039，材料密度為2.77 g/cm3，狀態(tài)方程和強(qiáng)度模型分別為Shock和Johnson Cook，剪切模量和屈服應(yīng)力分別為27.6 GPa和33.7 MPa；尼龍材料選為NYLON，材料密度為1.14 g/cm3，其狀態(tài)方程和強(qiáng)度模型分別為Shock和von Mises；聚乙烯和橡膠分別選擇POLYETHYL和PLOYSTYREN，密度分別為 0.915 g/cm3和 1.044 g/cm3，狀態(tài)方程都為Shock；銅材料選為Cu-OFHC，此材料密度為8.96 g/cm3，狀態(tài)方程為 Linear，體積模量為 129 GPa，強(qiáng)度模型同樣為Johnson Cook，剪切模量和屈服應(yīng)力分別為46 GPa和90 MPa；炸藥選擇COMP B，密度為 1.717 g/cm3，狀態(tài)方程為 JWL，爆速為 7 980.001 m/s，單位體積能量為8 500 MJ/m3，爆壓為29.5 GPa。

為了比較金屬與非金屬雙層藥型罩相對于雙金屬以及純銅藥型罩形成射流的不同，采用固定藥型罩壁厚的方法進(jìn)行數(shù)值模擬對比，各方案材料的組合如表1所示。根據(jù)圖1和表1建立仿真模型，在計算過程中采用中心點(diǎn)起爆，同時設(shè)置Gauges點(diǎn)用于記錄藥型罩變化過程中的速度、應(yīng)力等信息，Gauges點(diǎn)的設(shè)置如圖2所示。

表1 不同方案材料組合表

圖2 高斯點(diǎn)監(jiān)測設(shè)置

3 射流形成數(shù)值模擬及結(jié)果分析

3.1 各組雙層藥型罩射流成型結(jié)果

經(jīng)過模擬仿真，各組雙層藥型罩射流成型結(jié)果如圖3所示，由圖3可以看出純銅藥型罩杵體占有全罩的質(zhì)量較多，材料利用率差；鋁/銅、尼龍/銅以及橡膠/銅雙層藥型罩所形成射流結(jié)果基本一致，外罩基本全部形成了杵體，射杵分界面明顯，且射流相對于其它方案長徑比較大，材料利用率較高。而聚乙烯/銅雙層藥型罩相對于其它4個方案射流成型狀態(tài)有所不同，該方案所形成的射流和杵體均呈細(xì)長狀態(tài)，射杵分界面不明顯，且外罩材料有一部分沒有形成杵體，而是在沖擊波的作用下流動到了射流的外側(cè)，經(jīng)過分析，造成這種情況的原因可能是：采用的外罩材料聚乙烯延展性差，在沖擊波高壓作用下延伸一小段即發(fā)生斷裂，斷裂后的材料以極高的速度向前運(yùn)動且在外側(cè)壓力的作用下又進(jìn)一步的向中心匯聚，進(jìn)而形成了在射流外側(cè)一層的聚乙烯，而細(xì)長杵體的形成則與聚乙烯和銅的聲阻抗比有關(guān)，它造成了射流和杵體運(yùn)動的速度差減小，因此二者均形成了細(xì)長的運(yùn)動體。最后經(jīng)過對計算結(jié)果的測量，各方案所形成金屬射流的長度如表2所示，其中聚乙烯/銅雙層藥型罩所形成的射流長度最小，為77.3 mm，銅/銅雙層藥型罩次之，長度為86.7 mm，其它三種組合所形成的射流長度相差較小，其中橡膠/銅雙層藥型罩所形成的射流長度最長，為115.8 mm，其相對于聚乙烯/銅和純銅雙層藥型罩所形成的射流長度分別增加了49.8%和33.6%。

圖3 各組雙層藥型罩射流成型結(jié)果

表2 各方案就算結(jié)果的射流長度

3.2 各組雙層藥型罩射流速度對比

仿真計算結(jié)束后，提取相應(yīng)的Gauges點(diǎn)，得到射流形成過程中的最高速度和射流形成時的頭部速度如表3所示，由表中數(shù)據(jù)可以明顯的看出采用雙層藥型罩之后，射流的速度相對純銅藥型罩有明顯提高，且采用了金屬和非金屬材料復(fù)合的雙層藥型罩的射流速度高于銅/鋁復(fù)合雙層藥型罩，也證明了非金屬材料的聲阻抗要小于金屬材料。根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知，聚乙烯、尼龍和橡膠三種非金屬材料與銅組成的雙層藥型罩所形成的射流頭部速度相對純銅和鋁/銅雙層藥型罩分別提高了16.4%/4.5%、15.6%/3.8%、16.3%/4.4%，因此結(jié)合表3的分析結(jié)果以及Gauges點(diǎn)對射流頭部速度的監(jiān)測情況，橡膠/銅復(fù)合雙層藥型罩相對于其它材料組合方案優(yōu)勢明顯，但是為了進(jìn)一步確定最優(yōu)的材料組合方案，還要對各材料組合所形成射流的侵徹能力進(jìn)行對比。

表3 各方案雙層藥型罩射流形成速度

3.3 各組雙藥型罩射流侵徹半無限靶的仿真

針對各組雙層藥型罩所形成的射流，為驗(yàn)證其侵徹能力，進(jìn)一步開展各組藥型罩對半無限靶的侵徹仿真，其靶板材料選為RHA裝甲鋼，材料模型選自AUTODYN材料庫，材料密度為7.86 g/cm3，其狀態(tài)方程和強(qiáng)度模型分別為Shock和von Mises。在進(jìn)行仿真過程中由于前期已經(jīng)完成了對射流成型的仿真，因此利用AUTODYN的重啟動技術(shù)，在射流成型的基礎(chǔ)上添加靶板模型，炸高選為2倍裝藥口徑，靶板采用Largrange算法，二維尺寸為50 mm×500 mm，同時將Interactions設(shè)置為Euler/Largrange耦合運(yùn)算，運(yùn)算后對靶板的侵徹情況如圖4所示，侵徹深度如表4所示。

表4 各方案雙層藥型罩射流侵徹深度

圖4 各組雙層藥型罩射流侵徹半無限靶結(jié)果

由仿真結(jié)果可以看出，雙層藥型罩對RHA裝甲鋼的侵徹深度均大于純銅藥型罩，且非金屬材料與銅材料復(fù)合的雙層藥型罩組合中聚乙烯/銅和橡膠/銅兩組方案的侵徹能力要大于銅鋁雙層藥型罩，尼龍/銅組合方案侵徹能力稍小于銅/鋁雙層藥型罩。其中聚乙烯/銅兩種材料的組合方案侵徹效果最好，分別比純銅、銅/鋁、尼龍/銅和橡膠/銅藥型罩的侵徹深度大57.8%、45.1%、55.9%和40.5%。各組藥型罩組合的侵徹過程如表5所示，由表5可以看出在40 μs時屬于侵徹的開坑階段，由于各組藥型罩所形成射流速度差不大，開坑深度相差很?。浑S著侵徹過程的進(jìn)行，侵徹進(jìn)入準(zhǔn)定常階段，在70 μs時由于射流速度梯度的形成，除聚乙烯/銅組合藥型罩射流未被拉斷，其余方案所形成的射流均出現(xiàn)斷點(diǎn)，以純銅藥型罩出現(xiàn)的斷點(diǎn)距離最大，橡膠/聚乙烯組合藥型罩出現(xiàn)的斷點(diǎn)最多；當(dāng)侵徹時間到達(dá)100 μs時，各組藥型罩所形成的射流均出現(xiàn)拉斷，而由于射流形狀和速度衰減程度的不同，此時侵徹深度開始出現(xiàn)差異，橡膠/銅組合藥型罩的侵徹效果明顯高于其它組合；在130 μs時，尼龍/銅組合藥型罩侵徹已經(jīng)結(jié)束，其余方案所形成的射流仍具有侵徹能力，說明尼龍/銅組合藥型罩在侵徹過程中射流速度梯度最大，導(dǎo)致射流頭部動能減小，侵徹深度降低，而其它組合盡管射流也存在斷裂情況，但是由于射流頭部具有的動能仍然具有侵徹能力，此時侵徹程仍然繼續(xù)，其中聚乙烯/銅所形成的射流頭部呈現(xiàn)細(xì)長狀態(tài)且速度最高，因此其侵徹深度大于其它組合，綜上可以看出射流在侵徹過程中速度梯度對侵徹深度的影響很大，且射流頭部速度和形態(tài)對侵徹過程也有影響。

根據(jù)射流仿真結(jié)果和對各組藥型罩組合侵徹性能的仿真及分析，金屬與非金屬組合方案的藥型罩能夠提高聚能射流形成過程中的能量利用率，且從綜合分析結(jié)果中可以看出，聚乙烯/銅組合方案最優(yōu)。

表5 各方案雙層藥型罩射流侵徹過程

4 結(jié)束語

（1）采用數(shù)值模擬的方法，對純銅藥型罩以及銅/鋁、聚乙烯/銅、尼龍/銅以及橡膠/銅四種組合雙層藥型罩射流形成結(jié)果進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果為橡膠/銅組合方案形成射流最長，聚乙烯/銅組合方案最短。

（2）運(yùn)用Gauges點(diǎn)檢測的方法，提取了各方案所形成的射流速度，各組合雙層藥型罩所形成的射流最高速度和頭部速度均高于純銅藥型罩，且非金屬和金屬組合的雙層藥型罩射流最高速度和頭部速度均高于銅/鋁復(fù)合藥型罩。

（3）通過對各形成射流侵徹RHA裝甲鋼的過程仿真，經(jīng)過對比，聚乙烯/銅組合雙層藥型罩射流速度梯度小且形態(tài)好，侵徹能力最強(qiáng)。

（4）金屬與非金屬雙層藥型罩相對純銅和銅鋁復(fù)合藥型罩在射流成型和終點(diǎn)毀傷方面具有明顯優(yōu)勢，可為復(fù)合藥型罩和聚能裝藥結(jié)構(gòu)研究工作者提供一個新的研究方向。