藥型罩侵徹性能仿真與優(yōu)化

趙 鑫，徐永杰，鄭娜娜，湯雪志，王志軍

(1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051；2.駐長治地區(qū)軍代室，山西 長治 046000)

1 引言

自反應(yīng)裝甲問世以來，傳統(tǒng)裝甲武器受到巨大影響，反裝甲彈藥的研究也需要進(jìn)行相應(yīng)發(fā)展，而聚能射流是引爆帶殼裝藥的有效手段。

針對此種裝甲防護(hù)手段，聚能裝藥戰(zhàn)斗部對于材料及結(jié)構(gòu)參數(shù)的要求越來越高，國內(nèi)外已經(jīng)有了聚能裝藥侵徹帶殼裝藥的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，如：低密度材料形成的射流可實(shí)現(xiàn)對于帶殼裝藥的穿而不爆[1]；射流在具有一定直徑的前提下，提高射流速度，可達(dá)到引爆裝藥的目的[2]；利用仿真軟件模擬不同橫向飛行速度和侵徹角度情況下聚能戰(zhàn)斗部對披掛反應(yīng)裝甲后效靶板的侵徹過程[3]。但是，隨著裝甲防護(hù)技術(shù)的不斷發(fā)展，射流對帶殼裝藥后效靶板的侵徹能力仍需進(jìn)一步研究，有必要對聚能裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，從而提高射流對后效靶板的侵徹能力。

基于此，本研究基于聚能射流形成機(jī)理[4-7]，利用Autodyn軟件，建立有限元模型，對不同材料、錐角和壁厚的藥型罩所形成射流對帶殼裝藥后效靶板侵徹過程進(jìn)行數(shù)值仿真，將不同參數(shù)組合下射流的成型及侵徹特性進(jìn)行對比研究，分析射流剩余速度與穿深，可為打擊帶殼裝藥的破甲彈設(shè)計提供參考。

2 模型建立

2.1 物理模型

物理模型由藥型罩、空氣域、帶殼裝藥、主裝甲組成，如圖1所示，其中：空氣域長500 mm，寬200 mm；面板和背板厚度均為2 mm，帶殼裝藥厚度為4 mm；藥型罩錐角分別為50°、55°、60°、65°，壁厚分別為1 mm、2 mm、3 mm；裝藥長度為90 mm，口徑為60 mm，殼體厚2 mm；炸高為2.5D，帶殼裝藥與主裝甲間隔10 mm，主裝甲厚度230 mm。

圖1 物理模型示意圖

2.2 有限元模型及材料參數(shù)

利用Autodyn軟件建立藥型罩侵徹性能仿真有限元模型[8-12]，如圖2所示。由于射流成型為大變形過程，因此空氣、藥型罩、裝藥、殼體、帶殼裝藥單元均采用歐拉算法；帶殼裝藥面板，背板及主裝甲均采用拉格朗日算法；建立1/2對稱平面模型，對空氣域施加邊界條件，采用的單位為cm-g-μs。

圖2 藥型罩侵徹性能仿真有限元模型示意圖

為更好地對射流的成型與侵徹進(jìn)行觀察，在圖2中軸線處設(shè)置一系列高斯點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)1為藥型罩底部端面中心處，節(jié)點(diǎn)6為帶殼裝藥面板表面中心處，1～5節(jié)點(diǎn)之間每兩個相鄰節(jié)點(diǎn)間距均為30 mm，節(jié)點(diǎn)10位于主裝甲表面，節(jié)點(diǎn)11、15、17分別處于x軸300 mm、420 mm、480 mm。

本文所選用的材料均基于Autodyn自帶的材料庫，其中帶殼裝藥采用COMPBJJ1，面板、背板采用45#鋼；聚能裝藥的殼體與主裝甲均采用STEEL 1006；聚能裝藥采用HMX；藥型罩材料分別采用釩、鎳、鎢、鐵、銅，材料參數(shù)如表1所示[13-15]。

表1 藥型罩材料參數(shù)

聚能裝藥材料選用高能炸藥爆轟模型，狀態(tài)方程為JWL狀態(tài)方程，其基本形式為：

(1)

式(1)中：A、B、R1、R2、W為輸入?yún)?shù)；P、E和V分別為爆炸產(chǎn)物的壓力、單位體積的內(nèi)能和相對體積(單位體積裝藥產(chǎn)生的爆轟產(chǎn)物體積)，見表2、表3所示。

表2 主裝甲材料參數(shù)

表3 帶殼裝藥面板與背板

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 藥型罩材料對射流成型及侵徹性能影響

為了研究藥型罩材料對射流的影響，確定藥型罩壁厚為2 mm，錐角為60°，對藥型罩不同材料下射流的成型過程及侵徹結(jié)果進(jìn)行分析[16-18]。

藥型罩不同材料形成的射流過程，如表4所示。由此可知：10 μs時爆轟波到達(dá)藥型罩頂部，藥型罩開始受壓，此時不同罩材的聚能射流成型無明顯區(qū)別；20 μs時藥型罩初步變形，開始向軸線匯聚，材料為釩、鎳、銅的藥型罩形成射流較長，材料為鎢和鐵的藥型罩形成射流較短；30 μs時射流基本成型，其中材料為鎳的藥型罩形成射流較為細(xì)長，材料為鐵、銅、釩的藥型罩形成射流差別不大，材料為鎢的藥型罩形成射流較短；40 μs時射流基本已到達(dá)炸高處，材料為銅與鎳的藥型罩形成射流形態(tài)較好，細(xì)長，無拉斷情況，其次為材料為鐵與釩的藥型罩所形成射流，形態(tài)較好，材料為鎢的藥型罩形成射流較為短粗。

表4 不同材料藥型罩的射流成型過程

圖3表示了不同材料藥型罩的射流侵徹結(jié)果。

圖3 不同材料藥型罩的射流侵徹結(jié)果示意圖

圖3與表5為聚能射流侵徹主裝甲，可以看出，同種情況下，罩材為鎢，釩時，其侵徹性能不如其他3種材料。其中，罩材為鎳和銅形成的射流擴(kuò)孔口徑基本一致，侵徹深度也無太大區(qū)別，相關(guān)研究表明，射流的侵徹性能與罩材的塑性、密度、聲速有關(guān)，罩材的密度越高，侵徹深度越深，材料的聲速越高，射流的伸長速度越快，有利于射流侵徹裝甲。而鎳與銅相比，塑性優(yōu)良，密度相近，鎳的聲速高于銅，該仿真結(jié)果表明銅和鎳兩組藥型罩侵徹性能相近，符合理論，對銅和鎳的侵徹性能需作進(jìn)一步研究。

表5 180 μs時不同材料藥型罩的侵徹深度值

罩材為鐵所形成射流侵徹性能次于前2種罩材所形成射流，擴(kuò)孔口徑也比罩材為鎳和銅所形成射流擴(kuò)孔口徑?。烩C射流的侵徹深度小于180 mm，但其擴(kuò)孔口徑?jīng)]有太大的變化；侵徹效果較差的是罩材為鎢所形成射流，其侵徹深度與擴(kuò)孔口徑均低于其他罩材所形成射流?？紤]到其他參數(shù)情況，之后的討論均基于材料為銅、鎳、鐵3種情況。

3.2 藥型罩錐角對射流成型及侵徹性能的影響

選取藥型罩錐角為50°、55°、60°、65°四種情況，壁厚均為2 mm，分別對藥型罩材料為銅、鎳、鐵，形成的射流以及對主裝甲侵徹性能的影響進(jìn)行分析。射流速度的分布直接影響其侵徹性能，射流成型過程中各高斯點(diǎn)獲得的射流速度，如圖4所示。

1節(jié)點(diǎn)為藥型罩底端面正中心位置處，6節(jié)點(diǎn)為帶殼裝藥面板表面中心位置處，1～6節(jié)點(diǎn)兩兩間距30 mm，圖4為射流經(jīng)過每個節(jié)點(diǎn)的頭部速度曲線。

圖4 不同錐角藥型罩的射流成型頭部速度曲線

由圖4可知：材料為銅的各組參數(shù)中，錐角為55°的射流成型速度高于其他錐角的射流，其穿過1節(jié)點(diǎn)時的速度峰值均高于7 000 m/s，穿過6節(jié)點(diǎn)時最高速度為6 500 m/s，而其他錐角射流穿過1節(jié)點(diǎn)時最高速度均低于7 000 m/s，穿過6節(jié)點(diǎn)時最高速度低于6 500 m/s，且從曲線上看，其射流到達(dá)6節(jié)點(diǎn)的時間小于其他錐角射流，故錐角為55°射流成型效果較好，而錐角為50°與60°的射流無論是射流最高速度，還是到達(dá)6節(jié)點(diǎn)時間都相差不大，錐角為65°射流成型效果最差；藥型罩錐角為55°的射流成型效果最佳。

材料為鎳的各組參數(shù)中，錐角為50°的射流穿過1節(jié)點(diǎn)時的最高速度高于7 100 m/s，穿過6節(jié)點(diǎn)時最高速度在6 900 m/s，錐角為55°射流穿過1節(jié)點(diǎn)時最高速度在7 000 m/s，穿過6節(jié)點(diǎn)時最高速度在6 500 m/s，錐角為60°與65°射流相差不大，成型效果較差；藥型罩錐角為50°的射流成型效果最佳。

材料為鐵的各組參數(shù)中，錐角為50°時效果最好，穿過節(jié)點(diǎn)1的射流最高速度為6 963 m/s，穿過6節(jié)點(diǎn)的射流最高速度為6 342 m/s；其次為錐角為55°的藥型罩所形成射流，其穿過各個節(jié)點(diǎn)的速度峰值均低于錐角為50°藥型罩所形成射流。藥型罩錐角為60°、65°所形成的射流成型效果較差，錐角為50°所形成射流成型效果最佳。

再對比罩材為銅、鎳、鐵3組射流中各組成型效果最好的射流，發(fā)現(xiàn)罩材為鎳，錐角為50°的射流于各個節(jié)點(diǎn)處速度峰值最高；其次是罩材為銅，錐角為55°的射流；效果最差的是罩材為鐵，錐角為50°的射流。為避免其他情況影響，需要分析射流侵徹結(jié)果。

表6表示不同錐角射流侵徹至節(jié)點(diǎn)17時所需時間以及射流剩余速度，節(jié)點(diǎn)17位于主裝甲深度210 mm處。

表6 不同錐角藥型罩的射流侵徹結(jié)果

表7表示了不同錐角藥型罩在180 μs時的侵徹深度。

由表6、表7可知：藥型罩材料為銅時，錐角為60°的射流與錐角為55°的射流侵徹至靶深210 mm所用時間較少，且剩余速度比錐角為50°、65°射流高，侵徹深度比其他兩組大。結(jié)合射流成型，雖然小錐角射流速度快，但有效射流質(zhì)量少。錐角為60°的射流侵徹至節(jié)點(diǎn)17的時間與55°射流相差無幾，但剩余速度要比錐角為55°射流大，因此，這組中錐角為60°、55°的射流侵徹效果最好。

表7 180 μs時不同錐角藥型罩的侵徹深度值

藥型罩材料為鎳時，60°射流與50°射流侵徹至靶深210 mm所用時間較少，且剩余速度比55°、65°射流高，侵徹主裝甲深度比其他兩組大。結(jié)合射流成型，雖然小錐角射流速度快，但有效射流質(zhì)量少。錐角為50°時，侵徹至17節(jié)點(diǎn)時間最小，且剩余速度大，侵徹深度大，因此，這組中錐角為50°、60°的射流侵徹效果最好。

藥型罩材料為鐵時，60°射流與50°射流侵徹至靶深210 mm所用時間較少，且剩余速度比55°、65°射流高，侵徹主裝甲深度較高。結(jié)合射流成型，雖然小錐角射流速度快，但有效射流質(zhì)量少。錐角為50°時射流侵徹至節(jié)點(diǎn)17所需時間最小，且剩余射流速度大于其他錐角射流剩余速度，侵徹主裝甲深度高，因此，這組中錐角為50°、60°的射流侵徹效果最好。

3.3 藥型罩壁厚對射流成型及侵徹性能的影響

選取藥型罩材料為銅時，錐角有55°，60°，壁厚分別為1 mm、2 mm、3 mm；藥型罩材料為鎳時，錐角有50°，60°，壁厚分別為1 mm、2 mm、3 mm；藥型罩材料為鐵時，錐角有50°，60°，壁厚分別為1 mm，2 mm、3 mm。

射流到達(dá)面板之前為成型過程，觀察射流的形態(tài)，之后射流穿過并引爆帶殼裝藥，繼續(xù)侵徹后面的主裝甲，觀察射流對主裝甲的侵徹變形情況。

圖5為36 μs時各組射流的成型速度圖：比較其他參數(shù)相同時銅、鎳、鐵3種材料藥型罩，鐵材料藥型罩所成射流頭部速度比銅和鎳所形成射流頭部速度小，且鐵材料射流長度小于銅，鎳材料藥型罩所形成射流。觀察其他參數(shù)相同時不同錐角所形成射流，發(fā)現(xiàn)錐角小的藥型罩所形成射流伸長速度比錐角大的藥型罩所形成射流伸長速度大，但杵體部分也比錐角大的藥型罩所形成射流大。觀察其他相同參數(shù)下不同壁厚藥型罩所形成射流，發(fā)現(xiàn)壁厚小的藥型罩形成射流的杵體部分小于其他射流杵體，射流拉伸長度也大于壁厚大的藥型罩所形成射流的拉伸長度，1 mm、2 mm、3 mm壁厚藥型罩所形成射流的杵體部分依次變大，射流頭部速度與拉伸長度依次變小。為得出更準(zhǔn)確的結(jié)果，需對射流的侵徹性能進(jìn)行分析。

圖5 不同壁厚藥型罩的射流成型圖

觀察表8、表9，當(dāng)藥型罩材料為銅，在相同壁厚下，侵徹至節(jié)點(diǎn)17時，55°射流比60°射流剩余速度小，剩余射流有效質(zhì)量相差無幾；在相同錐角下，射流侵徹至節(jié)點(diǎn)17，1 mm射流的剩余速度與2 mm射流剩余速度相差不大，但剩余有效射流質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如其他壁厚射流，3 mm射流的剩余有效射流質(zhì)量與2 mm射流的剩余有效射流質(zhì)量相差不大，但射流的剩余速度不如2 mm射流剩余速度。對比180 μs時射流侵徹深度，相同壁厚下55°射流比60°射流侵徹深度小，相同錐角下，2 mm壁厚藥型罩所形成的射流侵徹深度較高；因此，材料為銅的藥型罩中，M組射流侵徹效果最好。

表8 180 μs時不同壁厚藥型罩侵徹深度值

表9 射流侵徹值

當(dāng)藥型罩材料為鎳，B、K兩組因壁厚小，故侵徹至節(jié)點(diǎn)17時，剩余有效射流質(zhì)量較小，侵徹能力不足；H、Q兩組壁厚大，剩余射流有效質(zhì)量與2 mm射流相差不大，剩余速度過??；E、N兩組剩余有效射流質(zhì)量相差不大，但E組射流180 μs時侵徹深度與侵徹至節(jié)點(diǎn)17時剩余速度比N組射流大，且180 μs時E組射流侵徹深度大于N組射流，故E組射流侵徹效果較好。

當(dāng)藥型罩材料為鐵時，C，I、R這3組射流無法侵徹至節(jié)點(diǎn)17，比較F、L、O三組，180 μs時侵徹深度較低于L、O兩組，侵徹至節(jié)點(diǎn)17時，F(xiàn)組射流剩余速度最大，且剩余有效射流質(zhì)量也最大，故F組射流侵徹效果最好。

比較以上3種材料，鐵射流的侵徹能力遠(yuǎn)不如銅、鎳射流，銅材料中M組和鎳材料中E組相比到達(dá)17節(jié)點(diǎn)時，剩余速度與剩余有效射流質(zhì)量相差不大，且在180 μs時侵徹深度在誤差范圍內(nèi)可視為相同。

4 結(jié)論

1)銅、鎳、釩、鎢、鐵，這5種材料中，釩與鎢射流的成型與侵徹能力較差，鐵射流成型與侵徹效果稍好，鎳射流與銅射流成型與侵徹效果相差無幾，強(qiáng)于釩、鎢、鐵3組射流。

2)在50°、55°、60°、65°這4種錐角中，綜合射流成型與侵徹能力而言，在銅罩材中，55°、60°錐角最佳，在鎳罩材中，50°、60°錐角最佳，在鐵罩材中，50°、60°錐角最佳。

3)在以上壁厚為1 mm、2 mm、3 mm的各組藥型罩中，壁厚較小，則剩余有效射流質(zhì)量小，壁厚較大，則射流剩余速度較小，2 mm射流侵徹效果最好。

在本研究所列各組藥型罩中，錐角為60°，壁厚為2 mm的銅罩與錐角為50°，壁厚為2 mm的鎳罩，這兩組藥型罩所形成的射流成型與侵徹性能最佳。