圓筒形輔助結(jié)構(gòu)對半球罩射流成型影響的研究

張小靜，吳國東，王志軍，董方棟

(1.中北大學(xué) 機電工程學(xué)院，山西 太原 030051；2.瞬態(tài)沖擊技術(shù)重點實驗室，北京 102202)

隨著復(fù)合裝甲、反應(yīng)裝甲、主動防御裝甲等新型裝甲不斷出現(xiàn)，為了提高常規(guī)彈藥的毀傷能力及應(yīng)對不同的裝甲目標(biāo)，研究者提出了許多不同的戰(zhàn)斗部方案，對藥型罩的改進就是其中一個重要的方向。許多新型戰(zhàn)斗部也被不斷設(shè)計出來，串聯(lián)藥型罩、復(fù)合藥型罩、匯聚式藥型罩、星型藥型罩、多層藥型罩和各種組合藥型罩等都已經(jīng)出現(xiàn)，并且進行進一步的優(yōu)化研究[1-3]。

國內(nèi)外許多研究者對帶有輔助結(jié)構(gòu)的藥型罩做了許多研究，V.F.Minin等提出并定義了超聚能射流的概念，做了初步的仿真研究[4]；徐文龍等從理論和實驗的角度研究了超聚能射流的成型過程[5]；石軍磊等研究了超聚能結(jié)構(gòu)中，輔助結(jié)構(gòu)的材料對射流性能的影響[6]；陳莉等研究了截頂輔助藥型罩的材料對射流成型的影響和一種疊加輔助藥型罩的射流成型過程，分別得出鈦和鉭組合優(yōu)于其他組合和疊加輔助藥型罩裝藥結(jié)構(gòu)可提高主藥型罩材料的利用率的結(jié)論，并可有效增加杵體的速度[7-8]；何洋揚等對圓錐、球缺組合式戰(zhàn)斗部空氣中成型技術(shù)進行數(shù)值模擬研究[9]；周方毅等對圓錐-球缺藥型罩聚能戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計進行研究，采用了正交優(yōu)化設(shè)計進行了優(yōu)化設(shè)計[10]。

雖然超聚能射流在國內(nèi)外已做了較多研究，但是多數(shù)都是對錐形藥型罩進行截頂處理，形成超高速射流。為了提高半球形藥型罩形成的桿式射流速度，筆者在半球罩的頂端加上圓筒形輔助結(jié)構(gòu)，研究射流的成型過程，以及圓筒的直徑和高度不同時對藥型罩射流成型的影響，提高侵徹能力。

1 爆轟波對藥型罩的作用原理

為提高桿式射流的侵徹能力，在半球罩的頂端加上一個圓筒形的輔助結(jié)構(gòu)，使得形成的桿式射流具有更高的頭部速度和射流長度。爆轟波對帶有圓筒形輔助結(jié)構(gòu)半球罩的作用原理如圖1、2所示。

由圖1可以看出點起爆的爆轟波以球面波的形式向前傳播，先觸碰到圓筒形輔助結(jié)構(gòu)，所以圓筒形輔助結(jié)構(gòu)首先被壓垮，隨后半球罩再被壓垮。

由圖2可以看出爆轟波對藥型罩的作用力方式，首先爆轟作用于圓筒形輔助結(jié)構(gòu)的筒頂與圓柱面上，使得圓筒藥型罩沿著軸線L壓垮成多股小射流，在主軸線P點處匯聚，形成速度更高的一股射流，這股射流一部分由于速度快，到達桿式射流頭部；一部分在桿式射流后面，對桿式射流有加速作用。

2 數(shù)值仿真模型的建立

帶有圓筒輔助結(jié)構(gòu)的半球罩如圖3所示。圖3(a)是在AutoCAD中繪制的全模型，彈體直徑D為100 mm，裝藥直徑d為94 mm，長徑比為1.2,裝藥長度L為120 mm，殼體壁厚b為2 mm，藥型罩厚度δ為3 mm，半球藥型罩外半徑R2為50 mm，內(nèi)半徑R1為48 mm，圓筒外徑Φ與圓筒高度h為待研究參數(shù)。在Autodyn-2D中創(chuàng)建二分之一有限元模型，如圖3(b)所示。

因為Lagrange算法在計算過程中，網(wǎng)格會隨材料產(chǎn)生變形，變形太大會使時間步嚴(yán)重變小，導(dǎo)致計算時間加長，甚至使計算出錯，所以Lagrange算法適合小變形計算；而Euler算法在計算中，網(wǎng)格固定不動，材料在網(wǎng)格中流動，不會因為變形太大而出現(xiàn)畸變。在爆炸過程中，炸藥、藥型罩和殼體都會產(chǎn)生很大的變形，所以本文中炸藥、藥型罩和殼體都使用Euler算法，而靶板采用Lagrange算法。

空氣域邊界類型定義為Flow-Out，表示所有物質(zhì)可以流出，來模擬無限空間，以防止材料在邊界反射使得仿真結(jié)果出現(xiàn)較為嚴(yán)重的誤差，確保仿真的可靠性。起爆方式采用點起爆，計算時長為100 μs，網(wǎng)格密度為1個/mm.

3 材料模型

仿真模型中所用到的材料均是從Autodyn自帶材料庫中選取，殼體用鋁合金AL 2024-T4，藥型罩材料用紫銅COPPER；炸藥用爆速和爆壓較高的B炸藥COMP B, 密度為1.717 g/cm3，爆速為7 980.001 m/s, 爆壓為29.5 GPa，以上材料的狀態(tài)方程、強度模型和失效模型如表1所示。

B炸藥的狀態(tài)方程為JWL，用來描述高能炸藥爆炸及爆轟產(chǎn)物膨脹到100 MPa壓力時的狀態(tài)；鋁合金和銅的狀態(tài)方程為Shock沖擊方程，用來描述密度、壓力、能量、粒子速度和沖擊速度之間的關(guān)系；4340鋼的狀態(tài)方程為linear，是用來定義一個線性的、與能量無關(guān)的狀態(tài)方程。鋁合金的強度模型為Steinberg Guinan，用來定義材料融化前的剪切模量；4340鋼的強度模型為Johnson Cook，尤其用來描述金屬材料在大應(yīng)變、高應(yīng)變率和高溫的強度問題；銅的強度模型為Piecewise JC，是Johnson Cook模型的修正版。4340鋼的失效模型為Plastic Strain，用來模擬材料的塑性破壞。

從圖3(b)中可以看出有COPPER1和COPPER兩種銅的編號，其實這兩種銅編號的狀態(tài)方程、強度模型和失效模型都一樣，這里采用不同編號是為了區(qū)分輔助藥型罩部分形成的射流和半球藥型罩部分形成的射流，為研究射流成型和分析射流參數(shù)等方面提供了方便。

4 仿真結(jié)果及其分析

為了使射流的形態(tài)、速度和長度等達到最好，將對輔助圓筒結(jié)構(gòu)的高度和直徑進行優(yōu)化。

4.1 帶有圓筒輔助結(jié)構(gòu)的半球藥型罩射流成型過程

帶有圓筒輔助結(jié)構(gòu)的半球藥型罩是一種新的組合藥型罩結(jié)構(gòu)，為研究圓筒輔助結(jié)構(gòu)對半球罩射流成型的影響，選擇圓筒高度為18 mm、圓筒直徑為34 mm時進行研究，射流成型過程如圖4所示。

由圖4可以看出帶有圓筒輔助結(jié)構(gòu)組合藥型罩的射流成型過程。在0～15 μs的過程中，爆轟波首先壓垮圓筒輔助結(jié)構(gòu)，形成兩股小射流，向軸線處匯聚，在20 μs時完成二次匯聚，形成一股射流；在20～34 μs的過程中，圓筒形成的射流繼續(xù)拉長，在34 μs時被半球罩形成的射流截斷成兩部分，為便于敘述，將半球罩形成的桿式射流命名為射流2，圓筒罩形成的射流有一部分到了射流2前面，形成射流1，留在尾部的形成射流3，下文中所有的射流都依照此方法進行編號；在34～45 μs的過程中，射流繼續(xù)成型，在45 μs時，射流1與射流2出現(xiàn)裂縫，有斷裂的趨勢；在65 μs時，射流1與射流2完全拉斷；在65～100 μs的過程中，隨著速度梯度的不斷增大，射流1與射流2斷裂距離拉大，射流2繼續(xù)拉長，射流基本成型。

4.2 圓筒直徑對半球罩射流成型的影響

為研究圓筒輔助結(jié)構(gòu)的直徑Φ對半球藥型罩射流成型的影響，設(shè)置初始圓筒高度為18 mm，圓筒直徑分別為10、14、18、22、26、30、34和38 mm共8組進行研究，取100 μs時射流的數(shù)據(jù)進行分析，射流成型形態(tài)如圖5所示。由圖5可以看出，當(dāng)圓筒直徑為10 mm時，圓筒罩形成的射流都留在射流2尾部；當(dāng)圓筒直徑大于14 mm后，射流1的體積逐漸增加；隨著圓筒直徑的增大，射流2也逐漸變得細(xì)長；射流2的體積遠大于射流1，在侵徹目標(biāo)時起主要作用。

射流頭部速度、射流長度和有效射流質(zhì)量隨圓筒直徑變化關(guān)系如圖6所示。

由圖6可以看出：隨著圓筒直徑的增大，射流2的頭部速度呈先增大后減小的趨勢，在圓筒直徑為30 mm時達到最大；隨著圓筒直徑的增大，射流2的長度呈先增大后減小的趨勢，在圓筒直徑為30 mm時達到最大；圓筒直徑從10 mm到26 mm變化時，有效射流質(zhì)量呈鋸齒形下降；圓筒直徑在26 mm時，射流有效質(zhì)量急劇增加，在圓筒直徑為30 mm時，射流有效質(zhì)量達到最大；當(dāng)圓筒直徑大于30 mm后，射流有效質(zhì)量急劇下降。

綜上所述，當(dāng)圓筒直徑為30 mm時，射流的綜合性能達到最優(yōu)。

4.3 圓筒高度對半球罩射流成型的影響

為研究圓筒輔助結(jié)構(gòu)的高度h對半球藥型罩射流成型的影響，選擇圓筒直徑為30 mm，圓筒高度分別為3、6、9、12、15、18、21、24、27、30、33和36 mm共12組進行研究，取100 μs時射流的數(shù)據(jù)進行分析，射流成型形態(tài)如圖7所示。

由圖7可以看出，當(dāng)圓筒高度在3～12 mm之間時，基本沒有形成射流1，圓筒高度為15 mm時，射流1開始出現(xiàn)，并且隨著圓筒高度的增大，射流1斷裂程度加?。浑S著圓筒高度逐漸增大，射流2變得更加細(xì)長，圓筒高度在大于33 mm后，射流2頭部斷裂嚴(yán)重。

射流頭部速度、射流長度和有效射流質(zhì)量隨圓筒高度變化關(guān)系如圖8所示。

由圖8可以看出：隨著圓筒高度的增加，射流2的頭部速度先波浪形增大后減小，在圓筒高度為30 mm時射流2頭部速度達到了最大；隨著圓筒高度的增加，射流2的長度先波浪形增大后不變再減小，在圓筒高度為30～33 mm時射流2長度達到了最大；隨著圓筒高度的增加，有效射流質(zhì)量逐漸減小，這是因為隨著圓筒高度的增加，形成射流1的圓筒罩逐漸減小；圓筒高度在3～36 mm之間變化時，有效射流質(zhì)量只有十幾克的變化，而且射流1斷裂嚴(yán)重，對射流侵徹能力影響較小。

結(jié)合圖7、8可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)圓筒高度為30 mm時，射流的整體性能最好。

4.4 與半球罩侵徹能力的對比

為了對帶有圓筒輔助罩的半球罩的射流侵徹能力進行測試，選用圓筒直徑為30 mm和圓筒高度為30 mm時的藥型罩對無限靶板進行侵徹仿真，并且與普通半球罩的侵徹能力進行比較，射流成型形態(tài)對比如圖9所示，射流的侵徹深度對比如圖10所示。

由圖9可以看出，普通半球罩的射流形態(tài)呈短粗狀；加了圓筒輔助結(jié)構(gòu)的半球罩射流形態(tài)被拉成細(xì)長狀，由于頭部速度高，速度梯度大，射流頭部發(fā)生斷裂。

由圖10可以看出，普通半球罩對無限靶板進行侵徹，侵徹孔較短，但是孔徑大；加了圓筒輔助結(jié)構(gòu)的半球罩對無限靶板進行侵徹，侵徹孔深，孔徑不均勻，呈中間細(xì)兩邊粗的形態(tài)。

射流頭部速度、射流長度和侵徹深度的對比如表2所示。

表2 射流性能對比

由表2可以看出，加了圓筒輔助結(jié)構(gòu)的半球罩比普通半球罩射流頭部速度增加了1 465.6 m/s，提升了58.75%；射流長度增加了96 mm，提升了61.54%；侵徹孔深增加了47 mm，提升了46.08%.

5 結(jié)論

筆者研究了帶有圓筒輔助結(jié)構(gòu)的半球藥型罩的射流成型過程,圓筒的高度和直徑對藥型罩射流成型的影響,以及與普通半球罩的侵徹能力進行對比，得出以下結(jié)論：

1)當(dāng)圓筒直徑為30 mm時，射流的頭部速度、射流長度和有效射流質(zhì)量都達到最大，射流形態(tài)也較好。

2)當(dāng)圓筒高度為30 mm時，射流頭部速度和射流長度都達到了最大，射流形態(tài)相比較其他較好。

3)針對此結(jié)構(gòu)，當(dāng)圓筒直徑為30 mm且圓筒高度為30 mm時，射流的頭部速度比普通半球罩提升了58.75%；射流長度比普通半球罩提升了61.54%；侵徹孔深比普通半球罩提升了46.08%.